設(shè)計(jì)模式/軟件設(shè)計(jì)模式Oesign pattern)是軟件設(shè)計(jì)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)?？?/span> 以讓程序代碼易重用、易理解、更穩(wěn)定。目前總結(jié)出來的模式有23種之多，文中主要涉及 “工廠模式”在多串口通信軟件開發(fā)中的應(yīng)用。作者針對衡器稱重系統(tǒng)中常用的儀表、一機(jī)一

秤、一機(jī)多秤等應(yīng)用場景，提出相應(yīng)的解決方案。

1.引言

在軟件開發(fā)過程中，常常會碰到相似問題， 做重復(fù)的工作。如何提高效率，保證代碼的可靠 性，可重用性昵？前人總結(jié)出了很多軟件開發(fā)模 式，來解決相應(yīng)的問題。文中將針對“軟件設(shè)計(jì) 模式”一“工廠模式”在多串口通信軟件開發(fā)中 的應(yīng)用展開描述。

2.設(shè)計(jì)模式簡介

設(shè)計(jì)模式（Oesign patten）是一套被反復(fù)使用 的、多數(shù)人知曉的、經(jīng)過分類編目的、代碼設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。使用設(shè)計(jì)模式是為了重用代碼、讓 代碼更容易被他人理解、保證代碼可靠性。最早 提出設(shè)計(jì)模式思想是在1994年，由Erich Gamma 等人，在其所著的《面象對象的可復(fù)用元素》一 書中提出的?？偨Y(jié)出三大類別創(chuàng)建型模式、結(jié) 構(gòu)型模式、行為型模式,六大原則（開閉原則、 里氏原則、依賴倒置原則、接口隔離原則、迪米 特法則、合成復(fù)用原則,23種設(shè)計(jì)模式俱體內(nèi) 容請參看相關(guān)書籍。本文將重點(diǎn)介紹：工廠設(shè)計(jì) 模式。它屬于“創(chuàng)建型模式”，即在創(chuàng)建對象的過 程中，隱藏創(chuàng)建邏輯，這使得程序在創(chuàng)建給定實(shí) 例對象時(shí)，可以提供靈活的判斷。

3.衡器軟件中的問題

作者長期從事衡器稱重軟件的設(shè)計(jì)。在長期 的工作經(jīng)歷中，參與了很多項(xiàng)目，其中多數(shù)都會 用到串口通信。會遇到以下幾種典型的應(yīng)用問題：

（1）在使用衡器儀表時(shí)，串口是常見的對外通 信方式。稱重儀表廠家多，型號不一，通信格式 各不相同。能不能使用統(tǒng)一的開發(fā)模式，進(jìn)行管 理，減少重復(fù)性的工作昵？

（2）地磅稱重管理中，有“一機(jī)一秤”，也有 機(jī)多秤”的模式。在多秤同時(shí)使用時(shí)，儀表型 號可能相同，也可能不同，有沒有簡潔、高效的 擴(kuò)展軟件代碼的方法昵？

4.工廠設(shè)計(jì)模式

針對上述問題，作者通過實(shí)踐和總結(jié)，覺得軟件開發(fā)模式的中的“工廠模式”比較適合解決 這類問題。

什么是“工廠模式”？顧名思義，就是客戶提 交“訂單”，交給“工廠”生產(chǎn)，最后得到“產(chǎn) 品”。“工廠模式”模擬了這個(gè)過程。“工廠模 式”分為三種子類別：簡單工廠、工廠方法、抽 象工廠。這三種方法，本質(zhì)相同，但各有其應(yīng)用 場景，簡單來說，如下：

（1）簡單工廠：一個(gè)工廠生產(chǎn)多種不同產(chǎn)品。

（2）工廠方法：多個(gè)工廠，每個(gè)工廠生產(chǎn)一種 產(chǎn)品。是對“簡單工廠”的改進(jìn)，因?yàn)?/span>“簡單工 廠”不符合“開閉原則”。

（3）抽象工廠：多個(gè)工廠，每個(gè)工廠生產(chǎn)一種 或多種產(chǎn)品?？梢愿鶕?jù)“訂單”需求，生產(chǎn)“產(chǎn) 品”。“訂單”中可能存在多種不同的“產(chǎn)品”需 求，可以交給不同的“工廠”來“生產(chǎn)”。

這三種模式都能解決衡器軟件中的儀表串口 通信問題。文中重點(diǎn)講解“簡單工廠”和“抽象 工廠”這兩種模式，這兩種模式比較容易理解， 其它的模式也可依此類推。

5.面向?qū)ο蟮膶?shí)現(xiàn)過程

設(shè)計(jì)模式的運(yùn)用與編程語言無關(guān)。作者以常 用的C++語言為例，說明面向?qū)ο蟮姆庋b過程。

首先，作者封裝了一組串口通信類，將串口 通信過程中，常用的的方法，封裝在一個(gè)類族里， 為后期模式設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)如圖1所示。

串口類庫可根據(jù)需要不斷擴(kuò)展，封裝好后， 與下文的設(shè)計(jì)模式類隔離，減少代碼耦合。這個(gè) 類族中的底層子類，相當(dāng)于“工廠”里生產(chǎn)的產(chǎn)品

（1）簡單工廠的實(shí)現(xiàn)過程

簡單工廠模式如圖2所示，將“產(chǎn)品”實(shí)例的創(chuàng)建放到工廠方法中完成，從而為“產(chǎn)品”的選擇提供靈活性。這里的“產(chǎn)品”就是儀表型號，工廠就是 TMeterFactory 類，其方法 CreateMeter 可以創(chuàng)建各種儀表的實(shí)例。

主要部分的偽代碼如下：

#include

classTM eterfactory//儀表工廠類

{

Private:

m apm _m eter;// 管理 所有的儀表對象 public：

TM eterfactory0;

ICommO bject*C reateM eter (char*strM eter- Name);//創(chuàng)建儀表實(shí)例方法

~TM eterFactoryO;//銷毀儀表類實(shí)例

}；

ICommObject*TM eterFactory::CreateM eter (char*strM eterN am e)

{ //檢查儀表實(shí)例是否存在 ifm _m eter.end )!=m _m eter.find (strM eterN am e)) return m_m eter.find strM eterN am e)->second; //創(chuàng)建新的儀表實(shí)例 ICommO bject*pM eter=N ULL; if(!strcm p "X K 3190A 9",strM eterN am e)) pM eter=new TXK3190A9 0; else return NULL;

...//繼續(xù)添加代碼，創(chuàng)建其他儀表型號 m_meter.insert std ^：pa ir 切rM eterN am e,pM eter)); return pMeter;

}

客戶端調(diào)用代碼如下： charweight[10]={0};

TMeterFactory*pFactory=new TMeterFactory;

ICommObject*pMeter=pFactory->CreateMe-

ter(“XK3190A9”);

strcpy(weight,pMeter->read());// 讀取重量，中間省略 open,write,close 等方法代碼

上述過程中，可以看到：在使用簡單工廠模式 （或其它模式） 時(shí)，并不一定能減少代碼量，但是易于后期擴(kuò)展和理解。從客戶端的調(diào)用代碼可以看出：模式提供了統(tǒng)一的接口，調(diào)用者只要給出儀表型號，就能得到相應(yīng)的類實(shí)例。實(shí)例創(chuàng)建過程封裝到其他代碼塊中，只要那部分代碼沒有問題，調(diào)用者就能得到正確的結(jié)果，相當(dāng)于黑盒操作。這種方式，適合多人分工合作，共同開發(fā)軟件。

（2） 抽象工廠的實(shí)現(xiàn)過程

“簡單工廠”模式適合“一機(jī)一秤”的稱重軟件開發(fā)。“抽象工廠”模式適合解決“一機(jī)多秤”的稱重模式。他將儀表實(shí)例創(chuàng)建過程推遲到子類中完成，從而為“訂單”中的多種“產(chǎn)品”組合提供機(jī)會。以下是“一機(jī)一秤”和“一機(jī)兩秤”類圖如圖 3 所示。

由上圖可以看出，每一個(gè)“工廠”代表一種稱重模式，可以從“一機(jī)一秤”，擴(kuò)展到“一機(jī) n 秤”。而每一種稱重模式中，可以用同一種型號的儀表，也可以用不同種型號的儀表組成系統(tǒng)。具

體實(shí)施時(shí)，可根據(jù)需求選擇。C++ 偽代碼如下： class ICommObject;

class IFactory // 抽象工廠

{

public:

virtual ICommObject * CreateMeter1()=0; // 創(chuàng)建儀表 1，此處為純虛方法

virtual ICommObject * CreateMeter2 ()=0; // 創(chuàng)建儀表 2

// 可以繼續(xù)添加 protected:

IFactroy();

};

Class TOne_pc_and_one_scale:public IFactory// 具體工廠：實(shí)現(xiàn)一機(jī)一秤功能

{

public:

ICommObject * CreateMeter1 () {return new TXK3190A9;}

};

Class TOne_pc_and_two_scale:public IFactroy// 具體工廠：實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩秤功能

{

public:

ICommObject * CreateMeter1(){return new

T8142pro;}

ICommObject * CreateMeter2(){return new

XK3180;}

};

客戶端調(diào)用代碼如下： // 一機(jī)一秤調(diào)用方法

char weight_A9[10]={0};// 重量字符串

IFactory * pScale=new TOne_pc_and_one_scale;

ICommObject * pA9=pScale->CreateMeter1();

strcpy(weight,pA9->read());// 讀取重量到 weight

中，中間省略 open,write,close 等方法代碼

// 一機(jī)兩秤調(diào)用方法 char weight_8142[10]={0},weight_3180[10]={0};//

重量字符串

IFactory * pScale=new TOne_pc_and_two_scale; // 創(chuàng)建工廠實(shí)例

ICommObject * p3180=pScale->CreateMeter1(); ICommObject * p8142=pScale->CreateMeter2(); strcpy (weight_3180,p3180->read ());// 讀取重量

到 weight_A9 中，中間省略 open,write,close 等方法代碼

strcpy (weight_8142,p8142->read ()); // 讀取重量到 weight_814 中

使用“抽象工廠”模式，在添加新的“工廠”時(shí)，并不影響已有的“工廠”代碼，已有的代碼基本不需改動(dòng)，提高了程序的穩(wěn)定性，符合“開

閉原則”，因此成為 23 種軟件設(shè)計(jì)模式之一。

6.工廠模式在稱重傳感器溫度測試軟件中的應(yīng)用

作者在編寫 《傳感器溫度測試軟件》 的過程中，使用了數(shù)據(jù)采集板，每個(gè)板上有一個(gè)串口，多塊板同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送傳感器的實(shí)時(shí)溫度測量數(shù)據(jù)。利用“抽象工廠設(shè)計(jì)”模式，很好的完成了軟件編寫。原來在其他軟件中的通信代碼 （即圖 1），移植過來使用，進(jìn)行部分?jǐn)U展，實(shí)現(xiàn)了代碼重用。軟件可以對每一個(gè)串口的通信數(shù)據(jù)和通信參數(shù)，進(jìn)行單獨(dú)的管理。如下圖：

7.相關(guān)問題討論

在 Windows 系統(tǒng)中，某個(gè)“串口”設(shè)備，在某一時(shí)刻，只能被一個(gè)軟件使用 （虛擬串口設(shè)備除外）。多個(gè)進(jìn)程或線程同時(shí)使用，會產(chǎn)生沖突。沖突的情況分為三種：

（1） 兩個(gè) （或兩個(gè)以上） 不同的軟件，同時(shí)打開同一個(gè)串口

（2） 同一個(gè)軟件，運(yùn)行兩次實(shí)例 （或兩次以上） 在內(nèi)存中，同時(shí)打開同一個(gè)串口

（3） 同一個(gè)軟件，運(yùn)行一次，但在軟件內(nèi)部兩次（或兩次以上） 打開同一個(gè)串口

①、②兩種情況涉及不同進(jìn)程之間的資源搶占的沖突，可以考慮用進(jìn)程互斥的方法解決，不屬于軟件模式的解決范疇。

對于第③種情況，可用“單例模式”解決軟件內(nèi)部多次、同時(shí)讀、寫同一個(gè)串口沖突的問題。

“單例模式”的目標(biāo)就是：每個(gè)類只能創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例。類的“構(gòu)造函數(shù)”和“拷貝構(gòu)造函數(shù)”設(shè)為“私有”或“保護(hù)”權(quán)限，類實(shí)例由其靜態(tài)成員函數(shù)創(chuàng)建。

文中的“工廠模式”也涉及到串口的調(diào)用，因此可能有人會問：“工廠模式”能否結(jié)合“單例模式”同時(shí)使用呢？答案是否定的。“單例模式”封裝的對象是“串口”硬件實(shí)體。本文中的“工廠模式”是以“稱重儀表”為對象，進(jìn)行封裝。兩者的出發(fā)點(diǎn)和角度不同，雖然都用到了串口通信，但是功能需求不同。物理串口，同一時(shí)刻，只能被一個(gè)實(shí)例使用，因此用“單例模式”比較合理。而“稱重儀表”類，則存在多臺相同型號的儀表同時(shí)使用的情況，所以需要?jiǎng)?chuàng)建同一個(gè)類的多個(gè)實(shí)例。這些屬于面對的編程思想，需要結(jié)合實(shí)踐去體會他們的異同。

8.總結(jié)

在軟件設(shè)計(jì)過程中，不僅衡器稱重軟件“一機(jī)多秤”（即一臺上位機(jī)，多臺稱重儀表同時(shí)工作），可以使用“工廠模式”來設(shè)計(jì)，其它類似的—涉及多臺儀表，多個(gè)串口同時(shí)工作的軟件，都可參考這種模式。軟件模式的使用，使代碼易于閱讀，管理，能提高代碼的重用效率。實(shí)際軟件開發(fā)中，具體使用哪種模式，是一種模式，還是多種模式混合使用？對于開發(fā)者來說，需要有一定行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出用戶的需求，整理出規(guī)律性的內(nèi)容，再選擇合適開發(fā)模式，才能找到一條正確的道路。