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(1. 大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司　黑龍江　大慶　163412；2. 東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院　黑龍江　大慶　163318)

0　引　言

相對(duì)于大多數(shù)的商用軟件來(lái)說(shuō)，測(cè)井軟件的需求變化是非?？斓摹＿@就要求測(cè)井軟件必須能夠及時(shí)修改，增添新的功能，適應(yīng)新的變化，即對(duì)其擴(kuò)展性及復(fù)用性提出了非常高的要求。

測(cè)井軟件的一個(gè)主要功能就是數(shù)據(jù)采集和控制，當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)的硬件板卡改變或增減時(shí)，軟件就需要相應(yīng)的修改。另外，隨著測(cè)井項(xiàng)目的不斷增加，軟件功能和要求也會(huì)越來(lái)越多。同時(shí)，隨著操作系統(tǒng)的升級(jí)換代，對(duì)軟件的兼容性和可移植性也提出了較高的要求。

以上需求的變化，大大增加了測(cè)井軟件的開(kāi)發(fā)難度。嚴(yán)重時(shí)，為了增加某一功能，軟件可能就不得不重新設(shè)計(jì)。如何適應(yīng)需求的變化，最大程度的實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，已成為軟件人員迫切需要解決的問(wèn)題。

1　設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式[1-4]的概念最早來(lái)源于建筑學(xué)，由建筑師Alexander提出來(lái)的。它是一套被反復(fù)使用，經(jīng)過(guò)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)模式是為了可重用設(shè)計(jì)，它可以被用于新的語(yǔ)境中，并為使用者提供一些處理新情況的建議。設(shè)計(jì)模式使代碼編制真正工程化[5]，是軟件工程的基石。

1.1　設(shè)計(jì)模式的四個(gè)基本要素

設(shè)計(jì)模式可以幫助人們復(fù)用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)[6]，并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)具有過(guò)程簡(jiǎn)單，方便的特點(diǎn)。

1)模式名

助記名，一個(gè)有助記憶的名稱，將模式中的問(wèn)題、解決方案以及達(dá)到的效果用一(兩)個(gè)詞描述出來(lái)。應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，我們可以進(jìn)行較高的抽象層次設(shè)計(jì)。模式名除了有助于我們思考之外，還可以使我們更方便的與其他設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)結(jié)果的交流。

2)問(wèn)題

它可能指出了設(shè)計(jì)中存在現(xiàn)有問(wèn)題的原因，以及可能產(chǎn)生的后果，也有可能描述了需要增加的設(shè)計(jì)問(wèn)題，也有可能描述了一些類或?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)，它們是導(dǎo)致設(shè)計(jì)不靈活的主要原因。有時(shí)候，問(wèn)題部分會(huì)包括使用模式必須滿足的一系列先決條件。

3)解決方案

描述的是設(shè)計(jì)的組成部分之間的相互關(guān)系及各自的職責(zé)和協(xié)作方式。模式就好比是一個(gè)設(shè)計(jì)模板，可應(yīng)用于多種不同場(chǎng)合，所以解決方案并不是一個(gè)特定而具體的設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)，它是對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的抽象描述，以及指出怎樣用一個(gè)具有一般意義的元素組合(類或?qū)ο蠼M合)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

4)效果

采用設(shè)計(jì)模式后的應(yīng)用效果及使用模式設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)權(quán)衡的問(wèn)題。它包括模式效果和軟件效果兩個(gè)方面[7-9]。在進(jìn)行設(shè)計(jì)決策時(shí)，模式效果雖然不常被提到，但它在評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)選擇和理解使用模式的代價(jià)及好處等方面卻具有重要意義。一般情況下，軟件效果表述的是語(yǔ)言和實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，是在時(shí)間和空間的衡量。

1.2　設(shè)計(jì)模式的種類

設(shè)計(jì)模式通常分為兩類[10，11]：一是按照設(shè)計(jì)目的不同進(jìn)行分類，該類模式主要以具體完成的工作作為分類標(biāo)準(zhǔn)；二是按照處理范圍不同進(jìn)行分類，該類模式主要以用于類還是用于對(duì)象實(shí)例作為分類標(biāo)準(zhǔn)。按照第一種分類方式，設(shè)計(jì)模式可分為創(chuàng)建模式、結(jié)構(gòu)模式和行為模式三大類。按照第二種分類方式，設(shè)計(jì)模式可分為類模式和對(duì)象模式兩大類。具體設(shè)計(jì)模式分類如表1所示。

表1　設(shè)計(jì)模式分類表

1.3　設(shè)計(jì)模式的正確選用

各種模式均有其自身特點(diǎn)和適用范圍，所以在選取模式前應(yīng)充分了解模式的內(nèi)涵及側(cè)重點(diǎn)，發(fā)掘出不同模式的適用規(guī)律[12，13]。

選擇合適的軟件設(shè)計(jì)模式通常需要考慮以下幾個(gè)方面：

1)熟練掌握各種設(shè)計(jì)模式的處理范圍；

2)瀏覽模式的意圖部分；

3)研究模式之間如何相互聯(lián)系；

4)將目的相同模式進(jìn)行對(duì)比研究；

5)明確重新進(jìn)行設(shè)計(jì)的意圖；

6)明確設(shè)計(jì)中的可變?cè)亍?/p>

一般的選擇步驟如下：

1)對(duì)所要解決的問(wèn)題進(jìn)行抽象，并劃分適當(dāng)?shù)念愋停?/p>

2)根據(jù)問(wèn)題類型選擇適合的設(shè)計(jì)模式；

3)規(guī)劃問(wèn)題和匹配模式；

4)對(duì)選取的模式進(jìn)行變體，即對(duì)模式的原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和擴(kuò)展，以解決具體問(wèn)題；

5)設(shè)計(jì)并細(xì)化所需的軟件體系結(jié)構(gòu)；

6)對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行度量。

2　設(shè)計(jì)模式在測(cè)井軟件上的應(yīng)用

測(cè)井軟件的用戶需求是變化的，因而軟件的修改是不可避免的。需求的變化主要表現(xiàn)在測(cè)井地面系統(tǒng)硬件的改動(dòng)及測(cè)井項(xiàng)目的增加，這些變化因素在軟件的設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮。針對(duì)上述實(shí)際情況，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了設(shè)計(jì)模式[14,15]，則主要是因?yàn)槠渚哂羞m應(yīng)需求的變化的特點(diǎn)。此外，由于設(shè)計(jì)模式的引入，使得測(cè)井軟件系統(tǒng)不僅具有更好的可復(fù)用性，其擴(kuò)展性和維護(hù)性也變得更加容易。

測(cè)井軟件的一項(xiàng)主要功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。這就要求軟件與具體的采集板卡發(fā)生交互，即下傳控制指令，上傳采集數(shù)據(jù)。另外，實(shí)時(shí)采集軟件一般采用多線程設(shè)計(jì)，使得多個(gè)線程可能同時(shí)操作同一采集板卡或一個(gè)線程控制多個(gè)采集板卡。對(duì)于測(cè)井軟件來(lái)說(shuō)，地面硬件系統(tǒng)具有唯一性，但對(duì)于硬件系統(tǒng)自身來(lái)講，它所包含的采集板卡的數(shù)量和功能是可變的。

下面以超越地面系統(tǒng)硬件接口組件設(shè)計(jì)為例，介紹一下如何將設(shè)計(jì)模式應(yīng)用于測(cè)井軟件的設(shè)計(jì)中，以提高軟件質(zhì)量。

2.1　單件模式(Singleton pattern)

定義: 保證一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問(wèn)它的全局訪問(wèn)點(diǎn)。適用于在一個(gè)系統(tǒng)要求一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例時(shí)才應(yīng)當(dāng)使用單例模式。

這個(gè)唯一實(shí)例應(yīng)該是通過(guò)子類化可擴(kuò)展的，并且客戶應(yīng)該無(wú)需更改代碼就能使用一個(gè)擴(kuò)展的實(shí)例時(shí)。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)唯一實(shí)例的受控訪問(wèn)；自行實(shí)例化并向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例。單件模式取代了全局對(duì)象，降低了代碼耦合度，便于程序修改和維護(hù)。

針對(duì)超越地面系統(tǒng)硬件的唯一性，以前的測(cè)井軟件設(shè)計(jì)常常將硬件接口對(duì)象定義為一個(gè)全局變量，而全局變量是程序員心中永遠(yuǎn)的痛。主要問(wèn)題包括：

1)變量名沖突，增加管理成本。

2)耦合度增加。

3)單個(gè)實(shí)例問(wèn)題。全局變量不能阻止程序員定義一個(gè)類的多個(gè)對(duì)象實(shí)例。在一個(gè)多人參與、并行開(kāi)發(fā)的大型項(xiàng)目中，這也會(huì)增加很多管理上的負(fù)擔(dān)。

4)初始化順序。全局變量不可能保證相互之間遵循特定的初始化順序，這完全由編譯器決定。

5)多線程訪問(wèn)。當(dāng)多個(gè)并發(fā)的線程都需要訪問(wèn)某些全局變量時(shí)，我們必須使用各種同步機(jī)制，小心地保護(hù)這些全局變量，以免陷入并發(fā)沖突的泥潭。

設(shè)計(jì)模式中的單件模式就很好地解決了此類問(wèn)題，它即保證了對(duì)象的唯一性，也避免了全局變量帶來(lái)的問(wèn)題。單件模式就是以一個(gè)類只有一個(gè)對(duì)象實(shí)例為設(shè)計(jì)目的，并提供一個(gè)訪問(wèn)該對(duì)象實(shí)例的全局訪問(wèn)點(diǎn)。程序員不能通過(guò)類的構(gòu)造函數(shù)獲得對(duì)象實(shí)例(因?yàn)闃?gòu)造函數(shù)聲明為private或protected類型)，但可以從該類提供的靜態(tài)成員函數(shù)得到該類唯一的對(duì)象實(shí)例指針或引用。從某種意義上說(shuō)，我們可以把這個(gè)對(duì)象實(shí)例看做一個(gè)隱藏在單件類內(nèi)部的“隱式全局變量”。因此在超越測(cè)井軟件的硬件接口設(shè)計(jì)中采用了單件模式，程序部分代碼如下：

class CExceedHard : public CHardInterface

{

private:

CExceedHard(void);

public:

～CExceedHard(void);

static CHardInterface* GetInstance(void);

static void DelInstance(void);

}

2.2　工廠方法模式(Factory Method pattern)

定義:定義一個(gè)創(chuàng)建對(duì)象的抽象類(接口)，但是卻讓子類來(lái)決定具體實(shí)例化哪一個(gè)類。當(dāng)一個(gè)類無(wú)法預(yù)料要?jiǎng)?chuàng)建哪種類的對(duì)象或是一個(gè)類需要由子類來(lái)指定創(chuàng)建的對(duì)象時(shí)，我們就需要用到該模式了。工廠方法模式可以根據(jù)不同的條件產(chǎn)生不同的實(shí)例，但這些不同的實(shí)例通常是屬于相同的類型，并具有共同的父類。

優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展需要添加新的產(chǎn)品對(duì)象時(shí)，僅僅需要添加一個(gè)具體對(duì)象以及一個(gè)具體工廠對(duì)象，原有工廠對(duì)象不需要進(jìn)行任何修改，也不需要修改客戶端，很好的符合了“開(kāi)放-封閉”原則。

超越地面系統(tǒng)硬件接口組件中聚合多個(gè)采集板卡對(duì)象，這些采集板卡對(duì)象是否都需要?jiǎng)?chuàng)建，還是選擇性的創(chuàng)建幾個(gè)，是由組件根據(jù)測(cè)井項(xiàng)目的需要來(lái)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的。硬件接口組件的調(diào)用者不知道，也無(wú)需知道具體要?jiǎng)?chuàng)建哪些采集板卡對(duì)象。這種方式可以更好地適應(yīng)未來(lái)采集板卡數(shù)量的改變及功能的變化。

設(shè)計(jì)模式中的工廠方法模式可以很好地解決此類問(wèn)題。工廠方法模式以定義一個(gè)用于創(chuàng)建對(duì)象的接口為設(shè)計(jì)目的，讓子類決定實(shí)例化哪一個(gè)類，將實(shí)例化延遲到其子類。對(duì)應(yīng)的問(wèn)題范疇就是一個(gè)類需要實(shí)例化另一個(gè)類的派生類，但不知道具體是哪個(gè)派生類。工廠方法模式允許派生類來(lái)做出決定。該模式在定義框架的過(guò)程中很常用。這是因?yàn)榭蚣艽嬖谟谝粋€(gè)抽象的層次上。通常，它們不知道，而且也不應(yīng)該關(guān)心特定對(duì)象的實(shí)例化。它們需要將特定對(duì)象的決策推遲框架的用戶。

在超越地面系統(tǒng)硬件接口組件設(shè)計(jì)中，就是采用工廠方法模式來(lái)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建需要的板卡對(duì)象。即根據(jù)測(cè)井項(xiàng)目需要的測(cè)量通道來(lái)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建含有此通道的采集板卡對(duì)象，而無(wú)需由程序員在代碼中明確創(chuàng)建某一類型的采集板卡對(duì)象。這種實(shí)現(xiàn)方式也體現(xiàn)出了設(shè)計(jì)模式的設(shè)計(jì)原則和理念，即針對(duì)接口編程，而不要針對(duì)實(shí)現(xiàn)編程，根本的意圖是適應(yīng)需求變化。程序的部分代碼如下：

short CExceedHard::AddChannel(CString strName, UINT uChannelSize, UINT uBufferLen, DataType iDataType)

{

CBDChannel* pChannel = new CBDChannel(strName, uChannelSize, uBufferLen);

if(pChannel != NULL)

{

BDChannelInfo* pChInfo = NULL;

for(int i=0; i

{

pChInfo = (BDChannelInfo*)m_inherentChannelInfoList.GetAt(i);

if(pChInfo != NULL)

{

if(strName == pChInfo->strChannelName)

{

CString strBoardName = pChInfo->strBoardName;

if(strBoardName == _T("SC58301A"))

pBoard = new CBD58301A();

else if(strBoardName == _T("SC58112"))

pBoard = new CBD58112();

else if(strBoardName == _T("SC58114"))

pBoard = new CBD58114();

if(pBoard != NULL)

{

m_usedBoardList.Add(pBoard);

return HD_SUCCESS;}}}}}}

采用該種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展需要添加新的產(chǎn)品對(duì)象時(shí)，僅僅需要添加一個(gè)具體對(duì)象以及一個(gè)具體工廠對(duì)象，原有工廠對(duì)象不需要進(jìn)行任何修改，也不需要修改客戶端，很好的符合了“開(kāi)放-封閉”原則。

3　結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)模式既簡(jiǎn)單又復(fù)雜。使用設(shè)計(jì)模式要求我們添加更多的類，進(jìn)行更多的設(shè)計(jì)工作，這是設(shè)計(jì)模式復(fù)雜的一面。它提醒我們，設(shè)計(jì)模式只應(yīng)對(duì)變化或可能變化的部分使用，對(duì)于不變的部分濫用就會(huì)造成“過(guò)度設(shè)計(jì)”。由于超越地面系統(tǒng)的測(cè)井軟件具有用戶需求變化，軟件修改不可避免等特點(diǎn)。因此，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中采用設(shè)計(jì)模式，此外，由于設(shè)計(jì)模式的引入，使得測(cè)井軟件系統(tǒng)不僅具有更好的可復(fù)用性，其擴(kuò)展性和維護(hù)性也變得更加容易。實(shí)現(xiàn)了面對(duì)變化的需求時(shí)，我們只需要修改很少的代碼，就可以滿足新的需求，這是設(shè)計(jì)模式簡(jiǎn)單的一面，它可以大幅度簡(jiǎn)化我們后續(xù)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作。

設(shè)計(jì)模式最根本的意圖就是適應(yīng)需求變化，這一點(diǎn)正是測(cè)井軟件急需解決而不好解決的問(wèn)題。另外，設(shè)計(jì)模式可以有效地提高軟件的設(shè)計(jì)和代碼復(fù)用性，便于成果的繼承，事半功倍。因此，學(xué)習(xí)運(yùn)用設(shè)計(jì)模式是開(kāi)發(fā)高質(zhì)量測(cè)井軟件的必由之路，前景廣闊。

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