說(shuō)明

嵌入式系統(tǒng)常常需要對(duì)不同的輸入采取不同的行為，例如按下按鈕后的操作、傳感器讀數(shù)后的處理、接收到的通信數(shù)據(jù)的解析等等。在這種情況下，策略模式可以提供一種清晰、可擴(kuò)展的解決方案。本文將介紹嵌入式C語(yǔ)言中策略模式的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。

策略模式的實(shí)現(xiàn)方式通常包括以下三個(gè)部分：

定義策略接口：定義一個(gè)抽象的接口或基類(lèi)，該接口或基類(lèi)包含了不同策略的通用方法。

實(shí)現(xiàn)具體策略：實(shí)現(xiàn)不同的策略類(lèi)，每個(gè)策略類(lèi)都實(shí)現(xiàn)了策略接口或基類(lèi)中定義的方法。

選擇策略：在運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要選擇特定的策略對(duì)象，并調(diào)用其方法。

下面給出幾個(gè)嵌入式C語(yǔ)言中策略模式的案例：

• 控制器：一個(gè)嵌入式控制器需要根據(jù)不同的傳感器數(shù)據(jù)選擇不同的控制策略。例如，在溫度傳感器的值高于某個(gè)閾值時(shí)，選擇降溫策略，否則選擇加熱策略。
• 數(shù)據(jù)通信：在嵌入式設(shè)備之間的通信中，可能需要選擇不同的通信協(xié)議或傳輸方式。例如，在通過(guò)RS-232串口進(jìn)行通信時(shí)，需要選擇串口通信策略；在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)，需要選擇網(wǎng)絡(luò)通信策略
• 顯示控制：一個(gè)嵌入式顯示控制器需要根據(jù)不同的顯示需求選擇不同的顯示策略。例如，在顯示數(shù)字時(shí)，需要選擇數(shù)字顯示策略；在顯示文本時(shí)，需要選擇文本顯示策略。
• 定時(shí)器：在嵌入式系統(tǒng)中，可能需要定期執(zhí)行不同的任務(wù)。例如，在一個(gè)定時(shí)器中，可以注冊(cè)不同的定時(shí)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)不同的功能。
• 外設(shè)控制：在嵌入式系統(tǒng)中，需要對(duì)不同的外設(shè)進(jìn)行控制。例如，在驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)時(shí)，需要選擇不同的控制方式，如PWM、脈沖計(jì)數(shù)等。

在這些案例中，策略模式能夠提高系統(tǒng)的靈活性和可維護(hù)性，使系統(tǒng)能夠在運(yùn)行時(shí)根據(jù)不同的情況選擇不同的算法或行為，同時(shí)降低代碼的復(fù)雜度和耦合度。

上面只是舉例的一些，實(shí)際在很多場(chǎng)景中用到，即使點(diǎn)亮1個(gè)LED燈也可以用得到。

1- 策略模式概述

策略模式是一種對(duì)象行為型模式，它定義了一系列的算法，并將每一個(gè)算法封裝起來(lái)，使它們可以互相替換。策略模式讓算法的變化獨(dú)立于使用算法的客戶(hù)端，從而實(shí)現(xiàn)了算法的動(dòng)態(tài)切換。

在嵌入式系統(tǒng)中，策略模式的主要目的是將不同的行為或動(dòng)作封裝在不同的算法對(duì)象中，并使得這些算法對(duì)象可以在運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)切換。這種設(shè)計(jì)模式可以讓嵌入式系統(tǒng)更加靈活，易于維護(hù)和擴(kuò)展。

2- 嵌入式C語(yǔ)言中的策略模式

嵌入式C語(yǔ)言中的策略模式通常采用函數(shù)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)策略被封裝在一個(gè)函數(shù)中，并通過(guò)函數(shù)指針的形式存儲(chǔ)在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中。客戶(hù)端代碼可以通過(guò)修改結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)指針來(lái)切換算法。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

typedef struct {
    void (*foo)(void);
    void (*bar)(void);
} Strategy;


void foo1(void) {
    // do something
}


void foo2(void) {
    // do something else
}


void bar1(void) {
    // do another thing
}


void bar2(void) {
    // do yet another thing
}


void main(void) {
    Strategy strategy = {foo1, bar1};
    // ...
    strategy.foo();
    strategy.bar();
    // ...
    strategy.foo = foo2;
    strategy.bar = bar2;
    // ...
    strategy.foo();
    strategy.bar();
    // ...
}

在這個(gè)例子中，Strategy 結(jié)構(gòu)體包含了兩個(gè)函數(shù)指針 foo 和 bar，分別表示兩種不同的算法。在程序運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)修改 Strategy 結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)指針來(lái)切換算法。

當(dāng)然，上面的例子還比較簡(jiǎn)單，實(shí)際中的策略模式往往需要更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。下面我們來(lái)看一些更加實(shí)際的例子。

在嵌入式系統(tǒng)中，常常需要對(duì)按鍵事件進(jìn)行處理，例如按下按鈕后要執(zhí)行某種操作。不同的按鍵事件需要執(zhí)行不同的操作，因此可以將按鍵事件的處理封裝成一個(gè)策略模式。

下面是一個(gè)例子，我們假設(shè)系統(tǒng)中有兩個(gè)按鍵，分別為 BUTTON1 和 BUTTON2，按下不同的按鍵需要執(zhí)行不同的操作。

首先定義一個(gè)策略接口：

typedef void (*ButtonStrategy)(void);

然后定義不同的算法，即按鍵事件的處理函數(shù)：

void Button1Strategy(void) {
    // do something when button 1 is pressed
}


void Button2Strategy(void) {
    // do something when button 2 is pressed
}

接下來(lái)定義一個(gè)策略表，其中每個(gè)元素是一個(gè)策略對(duì)象：

typedef struct {
    uint8_t button; // 按鈕編號(hào)
    ButtonStrategy strategy; // 策略函數(shù)指針
} ButtonStrategyTable;


static const ButtonStrategyTable buttonStrategies[] = {
    {1, Button1Strategy},
    {2, Button2Strategy},
};

最后，在中斷處理函數(shù)中根據(jù)按鍵編號(hào)查找策略表，并執(zhí)行相應(yīng)的策略：

void ButtonInterruptHandler(uint8_t button) {
    for (size_t i = 0; i < sizeof(buttonStrategies) / sizeof(buttonStrategies[0]); i++) {
        if (buttonStrategies[i].button == button) {
            buttonStrategies[i].strategy();
            break;
        }
    }
}

在這個(gè)例子中，我們使用一個(gè)策略表來(lái)存儲(chǔ)不同的策略對(duì)象，每個(gè)對(duì)象包含一個(gè)按鈕編號(hào)和一個(gè)策略函數(shù)指針。當(dāng)某個(gè)按鈕被按下時(shí)，中斷處理函數(shù)會(huì)根據(jù)按鈕編號(hào)查找策略表，找到相應(yīng)的策略并執(zhí)行。

3-傳感器數(shù)據(jù)處理

另一個(gè)常見(jiàn)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景是傳感器數(shù)據(jù)處理。例如，系統(tǒng)中可能需要讀取多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的不同進(jìn)行不同的處理。

我們可以將每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)處理封裝成一個(gè)策略對(duì)象，然后使用一個(gè)策略表來(lái)管理這些對(duì)象。

下面是一個(gè)例子，我們假設(shè)系統(tǒng)中有兩個(gè)傳感器，分別為 SENSOR1 和 SENSOR2，并且它們的數(shù)據(jù)類(lèi)型不同，分別為 uint16_t 和 float。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，我們需要執(zhí)行不同的處理操作。

首先定義一個(gè)策略接口

typedef void (*SensorStrategy)(void* data);

然后定義不同的算法，即傳感器數(shù)據(jù)的處理函數(shù)：

void Sensor1Strategy(void* data) {
    uint16_t sensorData = *(uint16_t*)data;
    // do something with sensorData
}


void Sensor2Strategy(void* data) {
    float sensorData = *(float*)data;
    // do something with sensorData
}

接下來(lái)定義一個(gè)策略表，其中每個(gè)元素是一個(gè)策略對(duì)象：

typedef struct {
    uint8_t sensor; // 傳感器編號(hào)
    size_t dataSize; // 數(shù)據(jù)大小
    SensorStrategy strategy; //
    } SensorStrategyTable;


static const SensorStrategyTable sensorStrategies[] =
 {{1, sizeof(uint16_t), Sensor1Strategy},
{2, sizeof(float), Sensor2Strategy},};

最后，在讀取傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)傳感器編號(hào)查找策略表，并執(zhí)行相應(yīng)的策略：

void ReadSensorData(uint8_t sensor, void* data) {
// read sensor data into data buffer
// ...
for (size_t i = 0; i < sizeof(sensorStrategies) / sizeof(sensorStrategies[0]); i++) {
    if (sensorStrategies[i].sensor == sensor) {
        sensorStrategies[i].strategy(data);
        break;
    }
}

在這個(gè)例子中，我們使用一個(gè)策略表來(lái)存儲(chǔ)不同的策略對(duì)象，每個(gè)對(duì)象包含一個(gè)傳感器編號(hào)、數(shù)據(jù)大小和一個(gè)策略函數(shù)指針。當(dāng)某個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)被讀取時(shí)，函數(shù)會(huì)根據(jù)傳感器編號(hào)查找策略表，找到相應(yīng)的策略并執(zhí)行。

總結(jié)一下，嵌入式系統(tǒng)中使用策略模式可以將復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯分解成多個(gè)小的算法，每個(gè)算法都可以單獨(dú)開(kāi)發(fā)、測(cè)試和維護(hù)。通過(guò)使用策略表，我們可以方便地管理這些算法，并在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地選擇合適的算法。這種設(shè)計(jì)方式可以提高代碼的可讀性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中常用的設(shè)計(jì)模式之一。

下面我們來(lái)看一個(gè)更加具體的例子。假設(shè)我們正在開(kāi)發(fā)一個(gè)智能家居系統(tǒng)，其中有多個(gè)設(shè)備（如燈光、窗簾、溫度傳感器等），每個(gè)設(shè)備都有多種操作模式（如開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)亮度、調(diào)節(jié)溫度等），我們需要根據(jù)用戶(hù)的輸入來(lái)選擇相應(yīng)的操作模式。這時(shí)候就可以使用策略模式。

首先，我們定義一個(gè)設(shè)備基類(lèi)和一個(gè)操作模式基類(lèi)，用于后續(xù)的派生類(lèi)實(shí)現(xiàn)：

typedef struct _Device Device;
typedef struct _Mode Mode;


struct _Device {
    uint8_t id;
    char* name;
    Mode* mode;
};


struct _Mode {
    char* name;
    void (*Do)(Device*);
};
接下來(lái)，我們定義幾個(gè)設(shè)備派生類(lèi)和操作模式派生類(lèi)
typedef struct _Light Light;
typedef struct _Curtain Curtain;
typedef struct _Thermostat Thermostat;


struct _Light {
    Device base;
    bool state;
    uint8_t brightness;
};


struct _Curtain {
    Device base;
    bool state;
    uint8_t position;
};


struct _Thermostat {
    Device base;
    float temperature;
    Mode* modes[3];
};


void Light_On(Device* device) {
    Light* light = (Light*)device;
    light->state = true;
    printf("%s turned on.\\n", light->base.name);
}


void Light_Off(Device* device) {
    Light* light = (Light*)device;
    light->state = false;
    printf("%s turned off.\\n", light->base.name);
}


void Light_Dim(Device* device) {
    Light* light = (Light*)device;
    light->brightness--;
    printf("%s dimmed to %d%% brightness.\\n", light->base.name, light->brightness);
}


void Light_Brighten(Device* device) {
    Light* light = (Light*)device;
    light->brightness++;
    printf("%s brightened to %d%% brightness.\\n", light->base.name, light->brightness);
}


void Curtain_Open(Device* device) {
    Curtain* curtain = (Curtain*)device;
    curtain->state = true;
    printf("%s opened.\\n", curtain->base.name);
}


void Curtain_Close(Device* device) {
    Curtain* curtain = (Curtain*)device;
    curtain->state = false;
    printf("%s closed.\\n", curtain->base.name);
}


void Curtain_Up(Device* device) {
    Curtain* curtain = (Curtain*)device;
    curtain->position++;
    printf("%s raised to %d%% position.\\n", curtain->base.name, curtain->position);
}


void Curtain_Down(Device* device) {
    Curtain* curtain = (Curtain*)device;
    curtain->position--;
    printf("%s lowered to %d%% position.\\n", curtain->base.name, curtain->position);
}


void Thermostat_Cool(Device* device) {
    Thermostat* thermostat = (Thermostat*)device;
    thermostat->temperature--;
    printf("%s cooled to %.1f°C.\\n", thermostat->base.name, thermostat->temperature);
}


void Thermostat_Heat(Device* device) {
    Thermostat* thermostat = (Thermostat*)device;
    thermostat->temperature++;
............
..........
...
...

最后，我們?cè)谥骱瘮?shù)中使用策略模式進(jìn)行設(shè)備控制：

int main() {
    Light light = {
        .base = { .id = 1, .name = "Living room light", .mode = NULL },
        .state = false,
        .brightness = 100
    };
    Curtain curtain = {
        .base = { .id = 2, .name = "Bedroom curtain", .mode = NULL },
        .state = false,
        .position = 0
    };
    Thermostat thermostat = {
        .base = { .id = 3, .name = "Kitchen thermostat", .mode = NULL },
        .temperature = 20.0
    };
    Light_On(&(light.base));
    Light_Dim(&(light.base));
    Curtain_Open(&(curtain.base));
    Curtain_Up(&(curtain.base));
    Thermostat_SetModes(&thermostat);
    thermostat.mode = &(thermostat.modes[0]);
    thermostat.mode->Do(&(thermostat.base));
    return 0;
}

在這個(gè)例子中，我們首先定義了一個(gè)設(shè)備基類(lèi)和一個(gè)操作模式基類(lèi)，并定義了幾個(gè)設(shè)備派生類(lèi)和操作模式派生類(lèi)。然后，我們?yōu)槊總€(gè)設(shè)備添加了一個(gè)指向操作模式的指針，以便在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)切換操作模式。最后，我們?cè)谥骱瘮?shù)中使用策略模式進(jìn)行設(shè)備控制，首先設(shè)置了每個(gè)設(shè)備的初始狀態(tài)，然后依次執(zhí)行了多種操作模式。