C语言数据结构设计模式

C语言作为一门经典的编程语言，其数据结构设计模式是一个值得深入探讨的话题。以下将从数据结构的基础概念、设计模式的分类以及如何在C语言中实现这些模式进行详细解析。

数据结构基础

数据结构是计算机存储、组织数据的方式。常见的数据结构包括数组、链表、栈、队列、树、图等。每种数据结构都有其特定的应用场景和优缺点。

1. 数组：一种线性数据结构，元素存储在连续的内存位置。
2. 链表：由一系列节点组成的数据结构，每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。
3. 栈：遵循后进先出（LIFO）原则的数据结构。
4. 队列：遵循先进先出（FIFO）原则的数据结构。
5. 树：非线性数据结构，由节点和边组成，具有层次关系。
6. 图：由节点（顶点）和边组成的复杂数据结构，用于表示网络关系。

设计模式概述

设计模式是软件开发中对常见问题的解决方案模板。在C语言中，虽然不像面向对象语言那样有丰富的类和继承机制，但仍然可以使用一些经典的设计模式来优化代码结构和提高可维护性。

1. 单例模式（Singleton Pattern）

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在C语言中可以通过静态变量和函数实现。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct Singleton {
    int data;
} Singleton;

static Singleton* instance = NULL;

Singleton* getSingleton() {
    if (instance == NULL) {
        instance = (Singleton*)malloc(sizeof(Singleton));
        instance->data = 0;
    }
    return instance;
}

void setSingletonData(int value) {
    Singleton* s = getSingleton();
    s->data = value;
}

int getSingletonData() {
    Singleton* s = getSingleton();
    return s->data;
}

int main() {
    setSingletonData(42);
    printf("Singleton Data: %d\n", getSingletonData());
    return 0;
}

2. 工厂模式（Factory Pattern）

工厂模式定义了一个创建对象的接口，但由子类决定实例化哪一个类。在C语言中可以通过函数指针实现类似的功能。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct Shape {
    void (*draw)(struct Shape*);
} Shape;

void drawCircle(Shape* self) {
    printf("Drawing Circle\n");
}

void drawSquare(Shape* self) {
    printf("Drawing Square\n");
}

Shape* createCircle() {
    Shape* circle = (Shape*)malloc(sizeof(Shape));
    circle->draw = drawCircle;
    return circle;
}

Shape* createSquare() {
    Shape* square = (Shape*)malloc(sizeof(Shape));
    square->draw = drawSquare;
    return square;
}

Shape* createShape(char type) {
    if (type == 'c') {
        return createCircle();
    } else if (type == 's') {
        return createSquare();
    }
    return NULL;
}

int main() {
    Shape* shape = createShape('c');
    shape->draw(shape);
    free(shape);

    shape = createShape('s');
    shape->draw(shape);
    free(shape);

    return 0;
}

图形表达：工厂模式流程图

graph TD;
    A[客户端请求] --> B{选择形状类型};
    B -->|圆| C[创建圆];
    B -->|正方形| D[创建正方形];
    C --> E[返回圆对象];
    D --> F[返回正方形对象];

扩展讨论

除了上述两种模式，还有观察者模式、策略模式等也可以在C语言中实现。尽管C语言不是面向对象语言，但通过函数指针、回调函数等方式，依然可以模拟面向对象的一些特性。