設計模式/軟件設計模式Oesign pattern)是軟件設計過(guò)程中的經(jīng)驗總結?？?/span> 以讓程序代碼易重用、易理解、更穩定。目前總結出來(lái)的模式有23種之多，文中主要涉及 “工廠(chǎng)模式”在多串口通信軟件開(kāi)發(fā)中的應用。作者針對衡器稱(chēng)重系統中常用的儀表、一機一

秤、一機多秤等應用場(chǎng)景，提出相應的解決方案。

1.引言

在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，常常會(huì )碰到相似問(wèn)題， 做重復的工作。如何提高效率，保證代碼的可靠 性，可重用性昵？前人總結出了很多軟件開(kāi)發(fā)模 式，來(lái)解決相應的問(wèn)題。文中將針對“軟件設計 模式”一“工廠(chǎng)模式”在多串口通信軟件開(kāi)發(fā)中 的應用展開(kāi)描述。

2.設計模式簡(jiǎn)介

設計模式（Oesign patten）是一套被反復使用 的、多數人知曉的、經(jīng)過(guò)分類(lèi)編目的、代碼設計 經(jīng)驗的總結。使用設計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 提出設計模式思想是在1994年，由Erich Gamma 等人，在其所著(zhù)的《面象對象的可復用元素》一 書(shū)中提出的?？偨Y出三大類(lèi)別創(chuàng )建型模式、結 構型模式、行為型模式,六大原則（開(kāi)閉原則、 里氏原則、依賴(lài)倒置原則、接口隔離原則、迪米 特法則、合成復用原則,23種設計模式俱體內 容請參看相關(guān)書(shū)籍。本文將重點(diǎn)介紹：工廠(chǎng)設計 模式。它屬于“創(chuàng )建型模式”，即在創(chuàng )建對象的過(guò) 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(wèn)題

作者長(cháng)期從事衡器稱(chēng)重軟件的設計。在長(cháng)期 的工作經(jīng)歷中，參與了很多項目，其中多數都會(huì ) 用到串口通信。會(huì )遇到以下幾種典型的應用問(wèn)題：

（1）在使用衡器儀表時(shí)，串口是常見(jiàn)的對外通 信方式。稱(chēng)重儀表廠(chǎng)家多，型號不一，通信格式 各不相同。能不能使用統一的開(kāi)發(fā)模式，進(jìn)行管 理，減少重復性的工作昵？

（2）地磅稱(chēng)重管理中，有“一機一秤”，也有 機多秤”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(méi)有簡(jiǎn)潔、高效的 擴展軟件代碼的方法昵？

4.工廠(chǎng)設計模式

針對上述問(wèn)題，作者通過(guò)實(shí)踐和總結，覺(jué)得軟件開(kāi)發(fā)模式的中的“工廠(chǎng)模式”比較適合解決 這類(lèi)問(wèn)題。

什么是“工廠(chǎng)模式”？顧名思義，就是客戶(hù)提 交“訂單”，交給“工廠(chǎng)”生產(chǎn)，最后得到“產(chǎn) 品”。“工廠(chǎng)模式”模擬了這個(gè)過(guò)程。“工廠(chǎng)模 式”分為三種子類(lèi)別：簡(jiǎn)單工廠(chǎng)、工廠(chǎng)方法、抽 象工廠(chǎng)。這三種方法，本質(zhì)相同，但各有其應用 場(chǎng)景，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如下：

（1）簡(jiǎn)單工廠(chǎng)：一個(gè)工廠(chǎng)生產(chǎn)多種不同產(chǎn)品。

（2）工廠(chǎng)方法：多個(gè)工廠(chǎng)，每個(gè)工廠(chǎng)生產(chǎn)一種 產(chǎn)品。是對“簡(jiǎn)單工廠(chǎng)”的改進(jìn)，因為“簡(jiǎn)單工 廠(chǎng)”不符合“開(kāi)閉原則”。

（3）抽象工廠(chǎng)：多個(gè)工廠(chǎng)，每個(gè)工廠(chǎng)生產(chǎn)一種 或多種產(chǎn)品?？梢愿鶕?/span>“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(chǎng)”來(lái)“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(wèn)題。文中重點(diǎn)講解“簡(jiǎn)單工廠(chǎng)”和“抽象 工廠(chǎng)”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(lèi)推。

5.面向對象的實(shí)現過(guò)程

設計模式的運用與編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)。作者以常 用的C++語(yǔ)言為例，說(shuō)明面向對象的封裝過(guò)程。

首先，作者封裝了一組串口通信類(lèi)，將串口 通信過(guò)程中，常用的的方法，封裝在一個(gè)類(lèi)族里， 為后期模式設計提供基礎如圖1所示。

串口類(lèi)庫可根據需要不斷擴展，封裝好后， 與下文的設計模式類(lèi)隔離，減少代碼耦合。這個(gè) 類(lèi)族中的底層子類(lèi)，相當于“工廠(chǎng)”里生產(chǎn)的產(chǎn)品

（1）簡(jiǎn)單工廠(chǎng)的實(shí)現過(guò)程

簡(jiǎn)單工廠(chǎng)模式如圖2所示，將“產(chǎn)品”實(shí)例的創(chuàng )建放到工廠(chǎng)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(chǎng)就是 TMeterFactory 類(lèi)，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(chǎng)類(lèi)

{

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(xiāo)毀儀表類(lèi)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(hù)端調用代碼如下： 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(guò)程中，可以看到：在使用簡(jiǎn)單工廠(chǎng)模式 （或其它模式） 時(shí)，并不一定能減少代碼量，但是易于后期擴展和理解。從客戶(hù)端的調用代碼可以看出：模式提供了統一的接口，調用者只要給出儀表型號，就能得到相應的類(lèi)實(shí)例。實(shí)例創(chuàng )建過(guò)程封裝到其他代碼塊中，只要那部分代碼沒(méi)有問(wèn)題，調用者就能得到正確的結果，相當于黑盒操作。這種方式，適合多人分工合作，共同開(kāi)發(fā)軟件。

（2） 抽象工廠(chǎng)的實(shí)現過(guò)程

“簡(jiǎn)單工廠(chǎng)”模式適合“一機一秤”的稱(chēng)重軟件開(kāi)發(fā)。“抽象工廠(chǎng)”模式適合解決“一機多秤”的稱(chēng)重模式。他將儀表實(shí)例創(chuàng )建過(guò)程推遲到子類(lèi)中完成，從而為“訂單”中的多種“產(chǎn)品”組合提供機會(huì )。以下是“一機一秤”和“一機兩秤”類(lèi)圖如圖 3 所示。

由上圖可以看出，每一個(gè)“工廠(chǎng)”代表一種稱(chēng)重模式，可以從“一機一秤”，擴展到“一機 n 秤”。而每一種稱(chēng)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。具

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

class IFactory // 抽象工廠(chǎng)

{

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

// 可以繼續添加 protected:

IFactroy();

};

Class TOne_pc_and_one_scale:public IFactory// 具體工廠(chǎng)：實(shí)現一機一秤功能

{

public:

ICommObject * CreateMeter1 () {return new TXK3190A9;}

};

Class TOne_pc_and_two_scale:public IFactroy// 具體工廠(chǎng)：實(shí)現一機兩秤功能

{

public:

ICommObject * CreateMeter1(){return new

T8142pro;}

ICommObject * CreateMeter2(){return new

XK3180;}

};

客戶(hù)端調用代碼如下： // 一機一秤調用方法

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

// 一機兩秤調用方法 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(chǎng)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(chǎng)”模式，在添加新的“工廠(chǎng)”時(shí)，并不影響已有的“工廠(chǎng)”代碼，已有的代碼基本不需改動(dòng)，提高了程序的穩定性，符合“開(kāi)

閉原則”，因此成為 23 種軟件設計模式之一。

6.工廠(chǎng)模式在稱(chēng)重傳感器溫度測試軟件中的應用

作者在編寫(xiě) 《傳感器溫度測試軟件》 的過(guò)程中，使用了數據采集板，每個(gè)板上有一個(gè)串口，多塊板同時(shí)向上位機發(fā)送傳感器的實(shí)時(shí)溫度測量數據。利用“抽象工廠(chǎng)設計”模式，很好的完成了軟件編寫(xiě)。原來(lái)在其他軟件中的通信代碼 （即圖 1），移植過(guò)來(lái)使用，進(jìn)行部分擴展，實(shí)現了代碼重用。軟件可以對每一個(gè)串口的通信數據和通信參數，進(jìn)行單獨的管理。如下圖：

7.相關(guān)問(wèn)題討論

在 Windows 系統中，某個(gè)“串口”設備，在某一時(shí)刻，只能被一個(gè)軟件使用 （虛擬串口設備除外）。多個(gè)進(jìn)程或線(xiàn)程同時(shí)使用，會(huì )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(kāi)同一個(gè)串口

（2） 同一個(gè)軟件，運行兩次實(shí)例 （或兩次以上） 在內存中，同時(shí)打開(kāi)同一個(gè)串口

（3） 同一個(gè)軟件，運行一次，但在軟件內部?jì)纱危ɑ騼纱我陨希?打開(kāi)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”解決軟件內部多次、同時(shí)讀、寫(xiě)同一個(gè)串口沖突的問(wèn)題。

“單例模式”的目標就是：每個(gè)類(lèi)只能創(chuàng )建一個(gè)實(shí)例。類(lèi)的“構造函數”和“拷貝構造函數”設為“私有”或“保護”權限，類(lèi)實(shí)例由其靜態(tài)成員函數創(chuàng )建。

文中的“工廠(chǎng)模式”也涉及到串口的調用，因此可能有人會(huì )問(wèn)：“工廠(chǎng)模式”能否結合“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(chǎng)模式”是以“稱(chēng)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(chēng)重儀表”類(lèi)，則存在多臺相同型號的儀表同時(shí)使用的情況，所以需要創(chuàng )建同一個(gè)類(lèi)的多個(gè)實(shí)例。這些屬于面對的編程思想，需要結合實(shí)踐去體會(huì )他們的異同。

8.總結

在軟件設計過(guò)程中，不僅衡器稱(chēng)重軟件“一機多秤”（即一臺上位機，多臺稱(chēng)重儀表同時(shí)工作），可以使用“工廠(chǎng)模式”來(lái)設計，其它類(lèi)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(kāi)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(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，需要有一定行業(yè)經(jīng)驗，總結出用戶(hù)的需求，整理出規律性的內容，再選擇合適開(kāi)發(fā)模式，才能找到一條正確的道路。