C語言介面與實作分離設計模式實戰範例

模組設計：介面與實作分離

模組包含介面（宣告功能）與實作（具體演算法/資料結構）。介面隱藏細節以降低耦合，實作可多樣化但需符合介面契約。C語言透過頭檔（.h）宣告介面，.c 提供實作，客戶端 #include 介面，實作 #include 介面確保一致性。

範例 1：算術運算介面 Arith

介面 arith.h

#ifndef ARITH_H
#define ARITH_H

int Arith_max(int x, int y);
int Arith_min(int x, int y);
int Arith_div(int x, int y);   // 向負無窮取整除法
int Arith_mod(int x, int y);   // 對應餘數：x - y * Arith_div(x,y)
int Arith_ceiling(int x, int y); // 不小於商的最小整數
int Arith_floor(int x, int y);   // 不超過商的最大整數

#endif

介面名 Arith 作為前綴避免命名衝突。提供標準庫缺失的良好定義除法/取模語義（標準 C 向零取整，實作相關）。

實作 arith.c

#include "arith.h"

int Arith_max(int x, int y) { return x > y ? x : y; }
int Arith_min(int x, int y) { return x > y ? y : x; }

int Arith_div(int x, int y) {
    int q = x / y, r = x % y;
    if (r != 0 && ((r > 0) != (y > 0))) q--;  // 向負無窮調整
    return q;
}
int Arith_mod(int x, int y) { return x - y * Arith_div(x, y); }
int Arith_ceiling(int x, int y) { return -Arith_div(-x, y); }
int Arith_floor(int x, int y) { return Arith_div(x, y); }

範例 2：抽象資料型別（ADT）— 堆疊 Stack

介面 stack.h

#ifndef STACK_H
#define STACK_H

typedef struct Stack_T *Stack_T;  // 不透明指標，隱藏內部結構

Stack_T Stack_new(void);
int Stack_empty(Stack_T stk);
void Stack_push(Stack_T stk, void *x);
void *Stack_pop(Stack_T stk);
void Stack_free(Stack_T *stk);

#endif

實作 stack.c

#include <stddef.h> #include <assert.h> #include "mem.h" #include "stack.h"

#define T Stack_T

struct T {
    int count;
    struct elem { void *x; struct elem *link; } *head;
};

T Stack_new(void) {
    T stk; NEW(stk);  // NEW 為 mem.h 巨集：分配並指派
    stk->count = 0; stk->head = NULL;
    return stk;
}

int Stack_empty(T stk) { assert(stk); return stk->count == 0; }

void Stack_push(T stk, void *x) {
    assert(stk);
    struct elem *t; NEW(t);
    t->x = x; t->link = stk->head; stk->head = t; stk->count++;
}

void *Stack_pop(T stk) {
    assert(stk && stk->count > 0);
    struct elem *t = stk->head;
    stk->head = t->link; stk->count--;
    void *x = t->x; FREE(t); return x;  // FREE 釋放並置 NULL
}

void Stack_free(T *stk) {
    assert(stk && *stk);
    for (struct elem *t = (*stk)->head, *u; t; t = u) {
        u = t->link; FREE(t);
    }
    FREE(*stk);
}

設計精要總結

• 不透明指標： 介面僅宣告 typedef struct T *T;，實作定義 struct T，客戶端完全看不見內部欄位。
• 斷言防禦： assert 捕捉空指標、前置條件違反，屬可檢查執行期錯誤。
• 記憶體管理介面： NEW/FREE 巨集封裝分配/釋放邏輯，實作與介面解耦。
• 泛型設計： 以 void* 儲存任意型別資料，配合函式指標可擴展為型別安全容器。
• 單一職責： 介面定義「做什麼」，實作決定「怎麼做」，修改實作不影響客戶端。