http://tonybai.com/2011/10/20/implement-strategy-pattern-in-c/
2011
與那些復雜的模式相比，Stragegy Pattern(策略模式)是一個(gè)相對簡(jiǎn)單的模式，很直觀(guān)，也易于理解。 同時(shí)它也是我們在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用最多的模式之一。
問(wèn)題是設計模式使用的驅動(dòng)力，只有當我們遇到問(wèn)題時(shí)，設計模式才會(huì )向我們伸出援助之手。這里我也想通過(guò)對問(wèn)題以及解決方法演化的闡述來(lái)說(shuō)明策略模式是如何更好地幫助我們的。我們從問(wèn)題出發(fā)！
Tony最近接到了一個(gè)新任務(wù)，任務(wù)的內容是實(shí)現一個(gè)通用的平衡二叉樹(shù)數據結構供其他同事使用。接到這個(gè)任務(wù)后，他十分欣喜，因為在之前的工作中他一直在用C語(yǔ)言編寫(xiě)繁蕪復雜的業(yè)務(wù)邏輯，這讓他感覺(jué)很煩躁。今天他終于盼到了一個(gè)做公共庫的機會(huì )。為此Tony連夜拜讀了《C語(yǔ)言接口與實(shí)現》一書(shū)，希望能從書(shū)中取點(diǎn)經(jīng)，做出一個(gè)讓大家都滿(mǎn)意的通用的平衡二叉樹(shù)。
Tony十分欣賞《C語(yǔ)言接口與實(shí)現》中采用的一些原則，比如盡量隱藏細節，只給外部暴露必要的信息等。他也是按照書(shū)中的原則來(lái)定義平衡二叉樹(shù)的各個(gè)操作接口的。但在定義接口的過(guò)程中Tony卻遇到了問(wèn)題，以平衡二叉樹(shù)的創(chuàng )建和銷(xiāo)毀接口為例，Tony最初設計的接口原型是這樣的：
/* balanced_binary_tree.h */
… …
struct bb_tree_t;
int bb_tree_create(struct bb_tree_t **tree, …);
int bb_tree_destroy(struct bb_tree_t **tree, …);
… …
/* balanced_binary_tree.c */
struct bb_tree_t {
…
};
… …
很顯然，為了隱藏細節，Tony選擇了在接口實(shí)現內部為tree分配和釋放內存空間，但他不確定應該用哪種內存分配方式。他經(jīng)過(guò)一番思維斗爭后最終選擇了使用標準庫中的malloc和free，因為他堅定地認為多數人都會(huì )使用這套標準的內存管理接口，例外的可能性很小。后續的實(shí)現過(guò)程很順利，當這套"設計優(yōu)美"的平衡二叉樹(shù)公共庫被提交給其他同事使用時(shí)，Tony感覺(jué)十分地開(kāi)心。
/* balanced_binary_tree.c */
int bb_tree_create(struct bb_tree_t **tree, …) {
struct bb_tree_t *p = (struct bb_tree_t*)malloc(sizeof(*p));
…
}
int bb_tree_destroy(struct bb_tree_t **tree, …) {
free(*tree);
… …
}
不過(guò)墨菲定律告訴我們：事情如果有變壞的可能，不管這種可能性有多小，它總會(huì )發(fā)生。果然好景不長(cháng)，這一天一位同事找到了Tony并向他訴苦到："我們需要在共享內存上使用平衡二叉樹(shù)，但你提供的bb_tree只能在堆上分配內存，無(wú)法被多個(gè)進(jìn)程共享，我們真不知道該怎么辦了，不知道你能否修改一下你提供的庫，讓它也支持在共享內存上分配呢"。Tony是個(gè)自尊心很強的人，聽(tīng)到自己提供的公共庫有缺陷，他的心中只有一個(gè)念頭：盡快解決這個(gè)問(wèn)題！
Tony回到座位上開(kāi)始重新審視自己的設計，他滿(mǎn)腦子都是"既要支持標準內存分配接口，又要支持在共享內存上分配"的需求。在考量了十幾分鐘后，他似乎知道該怎么做了，他在屏幕上敲下了如下代碼：
/* balanced_binary_tree.h */
… …
struct bb_tree_t;
enum mem_allocator_flag {
STD_ALLOCATOR,
SHM_ALLOCATOR
};
int bb_tree_create(struct bb_tree_t **tree, enum mem_allocator_flag flag, …);
int bb_tree_destroy(struct bb_tree_t **tree, …);
… …
/* balanced_binary_tree.c */
struct bb_tree_t {
…
enum mem_allocator_flag flag;
};
int bb_tree_create(struct bb_tree_t **tree, enum mem_allocator_flag flag, …) {
… …
struct bb_tree_t *p
if (flag == STD_ALLOCATOR)
p = (struct bb_tree_t*)malloc(sizeof(*p));
if (flag == SHM_ALLOCATOR)
p = (struct bb_tree_t*)shm_malloc(sizeof(*p));
p->flag = flag;
… …
}
int bb_tree_destroy(struct bb_tree_t **tree, …) {
… …
if ((*tree)->flag == STD_ALLOCATOR)
free(*tree);
if ((*tree)->flag == SHM_ALLOCATOR)
shm_free(*tree);
… …
}
嗯，這樣改后就應該支持在共享內存上分配平衡二叉樹(shù)了。Tony似乎又恢復了信心,表情也不再那么死板嚴肅了！他伸伸懶腰，感覺(jué)有些疲倦，于是他決定趴在辦公桌上小憩一會(huì )兒?；秀敝幸粋€(gè)同事來(lái)到了他的跟前，對他說(shuō)："Tony，標準內存分配接口使用的內存分配算法效率太低，時(shí)間長(cháng)了又會(huì )導致太多的內存碎片，完全不能滿(mǎn)足我們的需求，我們希望能在平衡二叉樹(shù)中使用我們自己實(shí)現的一套高性能內存分配接口，你必須盡快做出修改，不然…."。Tony瞬間從夢(mèng)中驚醒，他努力地回憶了一下剛才夢(mèng)中的情景，又看了看屏幕上剛剛修改過(guò)的代碼，心生一絲竊喜，"還好這只是一場(chǎng)夢(mèng)，否則這份代碼又要被人嘲笑了。內存管理的接口有N多種，我總不能每支持一種新分配算法就重新發(fā)布一次吧"。Tony又一次陷入了沉思。不過(guò)這次沉思顯然也沒(méi)有持續多久，Tony似乎又找到了解決方案，屏幕上的代碼發(fā)生了變化。
/* balanced_binary_tree.h */
… …
struct bb_tree_t;
int bb_tree_create(struct bb_tree_t **tree,
void (*malloc_func)(size_t size),
void (*free_func)(void *ptr), …);
int bb_tree_destroy(struct bb_tree_t **tree, …);
… …
/* balanced_binary_tree.c */
struct bb_tree_t {
…
void (*malloc_func)(size_t size),
void (*free_func)(void *ptr)
};
int bb_tree_create(struct bb_tree_t **tree,
void (*malloc_func)(size_t size),
void (*free_func)(void *ptr), …) {
struct bb_tree_t *p = (struct bb_tree_t*)malloc_func(sizeof(*p));
p->malloc_func = malloc_func;
p->free_func = free_func;
… …
}
int bb_tree_destroy(struct bb_tree_t **tree, …) {
(*tree)->free_func(*tree);
… …
}
這回Tony把使用何種存儲分配機制的權力完完全全地交給了庫的使用者，這樣縱使內存分配機制有千般變化，這里也依舊可以滿(mǎn)足。不過(guò)這次Tony還是長(cháng)了個(gè)心眼兒，沒(méi)有馬上將庫發(fā)布給其他同事，而是從優(yōu)秀代碼設計的角度再次對自己的代碼做了一次分析。
Tony暫時(shí)拋開(kāi)了bb_tree，而是從所有類(lèi)似的公共庫的設計和實(shí)現角度考慮了許久。他發(fā)現如果公共庫的設計都遵循將細節隱藏，只暴露必要信息的原則的話(huà)，勢必都會(huì )遇到類(lèi)似的如何在內部進(jìn)行存儲分配的問(wèn)題。bb_tree使用到了malloc和free接口，但其他公共庫很可能還會(huì )用到calloc、realloc等接口。一旦遇到這種情況，按照上面的方案就會(huì )出現類(lèi)似下面的函數原型形式：
int xx_create(…,
void (*malloc_func)(size_t size),
void (*calloc)(size_t nmemb, size_t size),
void (*realloc)(void *ptr, size_t size),
void (*free_func)(void *ptr)…);
Tony意識到這個(gè)函數原型參數太多，使用不便，代碼味道自然不好！應該重構一下，將變化的事物封裝起來(lái)。綜上來(lái)看，目前主要有兩點(diǎn)易變的地方：
1) 內存分配接口需支持可替換
2) 不同公共庫可能使用不同形式的內存分配接口，有的用符號malloc原型的，有的用符合calloc原型的。
"封裝變化！"，Tony潛意識里跳出的第一個(gè)想法。于是十幾分鐘過(guò)后他的電腦屏幕上就出現了下面這些代碼：
/* mem_allocator.h */
struct mem_allocator_t {
void (*malloc)(struct mem_allocator_t *allocator, size_t size),
void (*calloc)(struct mem_allocator_t *allocator, size_t nmemb, size_t size),
void (*realloc)(struct mem_allocator_t *allocator, void *ptr, size_t size),
void (*free)(struct mem_allocator_t *allocator, void *ptr)
};
/* balanced_binary_tree.h */
#include "mem_allocator.h"
… …
struct bb_tree_t;
int bb_tree_create(struct bb_tree_t **tree,
const struct mem_allocator_t *allocator, …);
int bb_tree_destroy(struct bb_tree_t **tree, …);
… …
/* balanced_binary_tree.c */
struct bb_tree_t {
…
const struct mem_allocator_t *allocator;
};
int bb_tree_create(struct bb_tree_t **tree,
struct mem_allocator_t *allocator, …) {
struct bb_tree_t *p = (struct bb_tree_t*)(allocator->malloc(allocator, sizeof(*p)));
p->allocator = allocator;
… …
}
int bb_tree_destroy(struct bb_tree_t **tree, …) {
struct mem_allocator_t *allocator = (*tree)->allocator;
allocator->free(allocator, *tree);
… …
}
Tony封裝出一個(gè)接口mem_allocator_t，bb_tree的創(chuàng )建和銷(xiāo)毀只依賴(lài)于mem_allocator_t。我們可以為bb_tree_create傳入不同的mem_allocator_t接口的實(shí)現，以支持內存分配機制的更換；另外mem_allocator_t內部封裝了所有形式的通用的內存管理原型，可以滿(mǎn)足其他公共庫實(shí)現的需要。
面向對象語(yǔ)言可以通過(guò)繼承(derive)接口、重寫(xiě)方法(override method)的方式實(shí)現一個(gè)接口，但在C中，我們只能像下面這樣給出mem_allocator_t接口的一個(gè)實(shí)現 – shm_mem_allocator：
/* shm_mem_allocator.h */
#include "mem_allocator.h"
struct mem_allocator_t* shm_mem_allocator_new();
void shm_mem_allocator_free(struct mem_allocator_t **allocator);
/* shm_mem_allocator.c */
struct shm_mem_allocator_t {
struct mem_allocator_t allocator;
… … /* 其他用于實(shí)現shm_mem_allocator所需要的字段 */
};
struct mem_allocator_t* shm_mem_allocator_new() {
struct shm_mem_allocator_t *allocator = (struct shm_mem_allocator_t*)malloc(sizeof(*allocator));
if (!allocator)
return NULL;
memset(allocator, 0, sizeof(*allocator));
allocator->allocator.malloc = shm_mem_alloc;
allocator->allocator.calloc = shm_mem_calloc;
allocator->allocator.realloc = shm_mem_realloc;
allocator->allocator.free = shm_mem_free;
return (struct mem_allocator_t*)allocator;
}
static void* shm_mem_malloc(struct mem_allocator_t *allocator, size_t size) {
struct shm_mem_allocator_t *p = (struct shm_mem_allocator_t*)allocator;
… …
}
static void* shm_mem_calloc(struct mem_allocator_t *allocator, size_t nmemb, size_t size) {
struct shm_mem_allocator_t *p = (struct shm_mem_allocator_t*)allocator;
… …
}
static void* shm_mem_realloc(struct mem_allocator_t *allocator, void *ptr, size_t size) {
struct shm_mem_allocator_t *p = (struct shm_mem_allocator_t*)allocator;
… …
}
static void shm_mem_free(struct mem_allocator_t *allocator, void *ptr) {
struct shm_mem_allocator_t *p = (struct shm_mem_allocator_t*)allocator;
… …
}
void shm_mem_allocator_free(struct mem_allocator_t **allocator) {
struct shm_mem_allocator_t *p = (struct shm_mem_allocator_t*)(*allocator);
free(p);
(*allocator) = NULL;
}
注意shm_mem_allocator本身也涉及到內部實(shí)現的內存分配問(wèn)題，但考慮到其自身的特質(zhì)：我們無(wú)須在共享內存上創(chuàng )建mem_allocator實(shí)例對象，也無(wú)須為mem_allocator實(shí)例對象內部的內存分配算法性能擔憂(yōu)(只是初始化時(shí)使用一次)，因此可以無(wú)須支持多種內存分配接口，利用標準內存分配接口足矣。
下面是將bb_tree與shm_mem_allocator結合在一起使用的代碼：
struct bb_tree_t *tree;
ret = bb_tree_create(&tree, shm_mem_allocator_new(), …);
… …
如果你要更換bb_tree內部的內存分配器，則在調用bb_tree_create時(shí)換用你自己的mem_allocator_t接口實(shí)現即可：
struct bb_tree_t *tree;
ret = bb_tree_create(&tree, your_mem_allocator_new(), …);
… …
Tony終于找到了一份可以讓自己滿(mǎn)意的方案了。在發(fā)布代碼庫后，他再也沒(méi)有收到來(lái)自同事們的抱怨之聲。在接下來(lái)的一個(gè)星期里，Tony又用同樣的設計方案讓產(chǎn)品可以支持從多種數據庫(Oracle、MySQL、Sqlite3等)讀取數據。
后來(lái)，Tony在翻閱《設計模式》一書(shū)時(shí)，發(fā)現自己的解決方法與書(shū)中描述的“策略模式”甚為類(lèi)似，簡(jiǎn)直就是用C語(yǔ)言實(shí)現的策略模式，而且這種模式幾乎沒(méi)有什么缺點(diǎn)，除了每增加一種策略（比如新增一種mem_allocator_t接口的實(shí)現），就要多維護一種策略的代碼，但這樣帶來(lái)的負擔與之前相比幾乎是可以忽略不計的。
2011, bigwhite. 版權所有.
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