設計模式/軟件設計模式Oesign pattern)是軟件設計過程中的經驗總結?？?/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中的應用。作者針對衡器稱重系統中常用的儀表、一機一

秤、一機多秤等應用場景，提出相應的解決方案。

1.引言

在軟件開發過程中，常常會碰到相似問題， 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發模 式，來解決相應的問題。文中將針對“軟件設計 模式”一“工廠模式”在多串口通信軟件開發中 的應用展開描述。

2.設計模式簡介

設計模式（Oesign patten）是一套被反復使用 的、多數人知曉的、經過分類編目的、代碼設計 經驗的總結。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，在其所著的《面象對象的可復用元素》一 書中提出的。總結出三大類別創建型模式、結 構型模式、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、合成復用原則,23種設計模式俱體內 容請參看相關書籍。本文將重點介紹：工廠設計 模式。它屬于“創建型模式”，即在創建對象的過 程中，隱藏創建邏輯，這使得程序在創建給定實 例對象時，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計。在長期 的工作經歷中，參與了很多項目，其中多數都會 用到串口通信。會遇到以下幾種典型的應用問題：

（1）在使用衡器儀表時，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。能不能使用統一的開發模式，進行管 理，減少重復性的工作昵？

（2）地磅稱重管理中，有“一機一秤”，也有 機多秤”的模式。在多秤同時使用時，儀表型 號可能相同，也可能不同，有沒有簡潔、高效的 擴展軟件代碼的方法昵？

4.工廠設計模式

針對上述問題，作者通過實踐和總結，覺得軟件開發模式的中的“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，最后得到“產 品”。“工廠模式”模擬了這個過程。“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，本質相同，但各有其應用 場景，簡單來說，如下：

（1）簡單工廠：一個工廠生產多種不同產品。

（2）工廠方法：多個工廠，每個工廠生產一種 產品。是對“簡單工廠”的改進，因為“簡單工 廠”不符合“開閉原則”。

（3）抽象工廠：多個工廠，每個工廠生產一種 或多種產品。可以根據“訂單”需求，生產“產 品”。“訂單”中可能存在多種不同的“產品”需 求，可以交給不同的“工廠”來“生產”。

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.面向對象的實現過程

設計模式的運用與編程語言無關。作者以常 用的C++語言為例，說明面向對象的封裝過程。

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，封裝在一個類族里， 為后期模式設計提供基礎如圖1所示。

串口類庫可根據需要不斷擴展，封裝好后， 與下文的設計模式類隔離，減少代碼耦合。這個 類族中的底層子類，相當于“工廠”里生產的產品

（1）簡單工廠的實現過程

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

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);//創建儀表實例方法

~TM eterFactoryO;//銷毀儀表類實例

}；

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

{ //檢查儀表實例是否存在 ifm _m eter.end )!=m _m eter.find (strM eterN am e)) return m_m eter.find strM eterN am e)->second; //創建新的儀表實例 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，并不一定能減少代碼量，但是易于后期擴展和理解。從客戶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，就能得到相應的類實例。實例創建過程封裝到其他代碼塊中，只要那部分代碼沒有問題，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，共同開發軟件。

（2） 抽象工廠的實現過程

“簡單工廠”模式適合“一機一秤”的稱重軟件開發。“抽象工廠”模式適合解決“一機多秤”的稱重模式。他將儀表實例創建過程推遲到子類中完成，從而為“訂單”中的多種“產品”組合提供機會。以下是“一機一秤”和“一機兩秤”類圖如圖 3 所示。

由上圖可以看出，每一個“工廠”代表一種稱重模式，可以從“一機一秤”，擴展到“一機 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。具

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

class IFactory // 抽象工廠

{

public:

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

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

// 可以繼續添加 protected:

IFactroy();

};

Class TOne_pc_and_one_scale:public IFactory// 具體工廠：實現一機一秤功能

{

public:

ICommObject * CreateMeter1 () {return new TXK3190A9;}

};

Class TOne_pc_and_two_scale:public IFactroy// 具體工廠：實現一機兩秤功能

{

public:

ICommObject * CreateMeter1(){return new

T8142pro;}

ICommObject * CreateMeter2(){return new

XK3180;}

};

客戶端調用代碼如下： // 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; // 創建工廠實例

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，并不影響已有的“工廠”代碼，已有的代碼基本不需改動，提高了程序的穩定性，符合“開

閉原則”，因此成為 23 種軟件設計模式之一。

6.工廠模式在稱重傳感器溫度測試軟件中的應用

作者在編寫 《傳感器溫度測試軟件》 的過程中，使用了數據采集板，每個板上有一個串口，多塊板同時向上位機發送傳感器的實時溫度測量數據。利用“抽象工廠設計”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，進行部分擴展，實現了代碼重用。軟件可以對每一個串口的通信數據和通信參數，進行單獨的管理。如下圖：

7.相關問題討論

在 Windows 系統中，某個“串口”設備，在某一時刻，只能被一個軟件使用 （虛擬串口設備除外）。多個進程或線程同時使用，會產生沖突。沖突的情況分為三種：

（1） 兩個 （或兩個以上） 不同的軟件，同時打開同一個串口

（2） 同一個軟件，運行兩次實例 （或兩次以上） 在內存中，同時打開同一個串口

（3） 同一個軟件，運行一次，但在軟件內部兩次（或兩次以上） 打開同一個串口

①、②兩種情況涉及不同進程之間的資源搶占的沖突，可以考慮用進程互斥的方法解決，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、同時讀、寫同一個串口沖突的問題。

“單例模式”的目標就是：每個類只能創建一個實例。類的“構造函數”和“拷貝構造函數”設為“私有”或“保護”權限，類實例由其靜態成員函數創建。

文中的“工廠模式”也涉及到串口的調用，因此可能有人會問：“工廠模式”能否結合“單例模式”同時使用呢？答案是否定的。“單例模式”封裝的對象是“串口”硬件實體。本文中的“工廠模式”是以“稱重儀表”為對象，進行封裝。兩者的出發點和角度不同，雖然都用到了串口通信，但是功能需求不同。物理串口，同一時刻，只能被一個實例使用，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使用的情況，所以需要創建同一個類的多個實例。這些屬于面對的編程思想，需要結合實踐去體會他們的異同。

8.總結

在軟件設計過程中，不僅衡器稱重軟件“一機多秤”（即一臺上位機，多臺稱重儀表同時工作），可以使用“工廠模式”來設計，其它類似的—涉及多臺儀表，多個串口同時工作的軟件，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。實際軟件開發中，具體使用哪種模式，是一種模式，還是多種模式混合使用？對于開發者來說，需要有一定行業經驗，總結出用戶的需求，整理出規律性的內容，再選擇合適開發模式，才能找到一條正確的道路。