侯為萍，高建利，劉玉倩

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

軟件開發(fā)中，好的設(shè)計會給系統(tǒng)的維護(hù)、修改、擴(kuò)展帶來極大的方便。好的系統(tǒng)設(shè)計來源于對過去成功開發(fā)經(jīng)驗的借鑒，而設(shè)計模式的引入正是將其他項目開發(fā)中總結(jié)的經(jīng)驗和當(dāng)前項目的實際開發(fā)情況相結(jié)合，它使開發(fā)人員可以更簡單方便地復(fù)用成功的設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)，并且在軟件分析和設(shè)計上具有更高的視角，避免過早地處理細(xì)節(jié)。文中在設(shè)計和開發(fā)光刻版清洗系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上，對設(shè)計模式進(jìn)行研究和運(yùn)用，選擇和應(yīng)用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計模式來提高軟件系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

1 設(shè)計模式的基本概念

設(shè)計模式最初產(chǎn)生于建筑行業(yè)，建筑行業(yè)的設(shè)計師意識到他們需要共享有關(guān)正確設(shè)計技術(shù)的想法，這樣他們可以從分享經(jīng)驗和教訓(xùn)中獲益。20世紀(jì)80年代后期，設(shè)計模式從建筑業(yè)進(jìn)入計算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域，面向?qū)ο笤瓌t逐漸得到普及，而設(shè)計模式成為培育新的面向?qū)ο笞冯S者的最佳實踐[1]。其中24 種模式被奉為經(jīng)典模式，依據(jù)設(shè)計模式的目的, 可將設(shè)計模式分為三類：創(chuàng)建型模式、結(jié)構(gòu)型模式、行為型模式。創(chuàng)建型模式和對象的創(chuàng)建過程有關(guān)，結(jié)構(gòu)型模式用于處理類和對象的組合，行為型模式對類和對象怎樣交互以及怎樣分配職責(zé)進(jìn)行描述。本文中所引用的模式都來自于其中。

一般而言，一個完整的設(shè)計模式由模式名稱、問題、解決方案、效果4 個基本要素組成。在實際的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中,沒有一個設(shè)計模式是獨(dú)立存在的，設(shè)計模式之間存在著相互支持、相互依賴的關(guān)系。理解設(shè)計模式及其相互間的關(guān)系, 有助于很好地解決應(yīng)用某設(shè)計模式時可能出現(xiàn)的其它新問題[2]。

2 光刻版清洗系統(tǒng)

2.1 光刻版清洗系統(tǒng)簡介

光刻版清洗系統(tǒng)主要用于完成4 英寸、5 英寸、6 英寸光刻版的全自動化清洗工作（具體功能劃分見圖1），提供相關(guān)的圖形界面，具有工藝設(shè)置，設(shè)備狀態(tài)顯示，溫度控制，日志管理，用戶管理，報警記錄，高級設(shè)置，工藝操作，設(shè)備關(guān)閉等功能。

2.2 設(shè)計模式的引入

圖1 系統(tǒng)功能用例圖

在做光刻版清洗系統(tǒng)軟件設(shè)計時，由于用戶需求的不明確性，導(dǎo)致很難界定軟件開發(fā)的具體范圍。這是一個很大的問題。如果軟件設(shè)計沒有足夠的可擴(kuò)展性，層次之間耦合性很強(qiáng)，那么一旦用戶提出新的需求或是更改原來的需求，將有可能導(dǎo)致軟件系統(tǒng)代碼大范圍內(nèi)的修改，甚至是整體推倒重來，這不僅會帶來人力、物力上的巨大浪費(fèi)，而且還可能引起一些商業(yè)上的糾紛[3]。為了解決這個問題，可以借助于業(yè)內(nèi)成功者的設(shè)計經(jīng)驗，在系統(tǒng)的設(shè)計中引入設(shè)計模式，它可以極大地提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，保障系統(tǒng)有效地應(yīng)對用戶需求的變化。此外，設(shè)計模式的引入，還會增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性，降低軟件系統(tǒng)后期維護(hù)的成本。

3 在光刻版清洗系統(tǒng)軟件設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 單件模式的應(yīng)用

單件(Singleton)模式是創(chuàng)建型模式中最常見的一種，它用來封裝對象的創(chuàng)建，旨在保證一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點(diǎn)。單件模式的典型工作方式是：定義有一個特定的方法，這個方法被用于實例化需要的對象。當(dāng)這個方法被調(diào)用時，它檢查這個對象是否已經(jīng)被實例化。如果對象已經(jīng)被實例化，這個方法僅僅返回這個對象的一個引用；如果對象尚未實例化，這個方法將對象實例化并返回這個新的實例的引用。為了確保該方法是創(chuàng)建這個類型對象的唯一途徑，需要將構(gòu)造函數(shù)定義為保護(hù)(protected)或私有(private)類型[4]。

對于光刻版清洗系統(tǒng)，定義一個Main 類，它代表整個系統(tǒng)，是光刻版清洗系統(tǒng)軟件中的主類，負(fù)責(zé)軟件中各個類的協(xié)調(diào)。因此,其實例應(yīng)該是唯一的。為了保證只有一個Main 的實例存在，使用單件模式，并提供一個訪問它的全局訪問點(diǎn)。如圖2 所示，Main 類定義一個Instance 靜態(tài)方法，以及一個靜態(tài)屬性，類型為Main 類的實例。在Instance 方法中創(chuàng)建Main 類的唯一實例。同時，把Main 類原有的構(gòu)造函數(shù)定義為保護(hù)類型，這樣保證了客戶只能通過靜態(tài)成員函數(shù)來創(chuàng)建Main 的實例。從實施效果看，這樣做可以保證對唯一實例的受控訪問，Main 類封裝了自身的唯一實例，所以它可以嚴(yán)格地控制客戶怎樣以及何時訪問它；同時，縮小名字空間，單件模式是對全局變量的一種改進(jìn)，它避免了那些存儲唯一實例的全局變量對名字空間所造成的污染。

3.2 策略模式的應(yīng)用

圖2 單件模式

光刻版清洗系統(tǒng)中有溫控單元，為使溫控器的選擇具有更大的靈活性，引入了策略（Strategy）模式。在策略模式中定義了策略的輸入和輸出，而把策略的實現(xiàn)留給了各個類，這些類的不同實現(xiàn)方案來實現(xiàn)統(tǒng)一操作，他們提供了統(tǒng)一的接口，因而這些類可以相互替換。策略模式允許多種策略共存，而代碼不會混亂。該模式的意圖在于把可選的策略或方案封裝在不同的類中，并在這些類中來實現(xiàn)同一個操作。本系統(tǒng)中把不同的溫控器讀寫控制命令封裝起來，并使它們可以相互替換，這樣不但可以在不同的溫控器中選擇性價比最高的，而且在將來有更好的溫控器出現(xiàn)時能夠方便地對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展。實現(xiàn)Strategy 模式的類圖如圖3 所示。

圖3 策略模式

將溫控類中的通用方法提升到接口ITemp-Control 中，該接口在實現(xiàn)上是一個抽象基類，所有具體算法類都從該接口派生，ConcreteTemp-ControlA，ConcreteTempControlB， ConcreteTemp-ControlC 是針對不同的溫控器編寫的具體溫控類，它們只是在實現(xiàn)ReadUnitTempData 等操作時存在不同。使用策略模式后，編程時不針對具體的溫控類，而是針對接口ITempControl 進(jìn)行。由于具體的算法類都是從ITempControl 接口派生的，根據(jù)多態(tài)機(jī)制，只要改變類名就可以完成溫控器的更換，無需大量的代碼更改。

3.3 適配器模式的應(yīng)用

光刻版清洗系統(tǒng)軟件通過運(yùn)動控制卡對電機(jī)進(jìn)行控制，該運(yùn)動控制卡既可以是插在PC 主板PCI 槽上的CAN 卡或者雷泰卡等，也可以是單獨(dú)的控制器等其他硬件。每種硬件通常都有一個專有類對它進(jìn)行操作，由于每種硬件都有其特有的操作方式，操作類的方法各不相同。假設(shè)CANMotion 類用于操作CAN 卡，LTMotion 類用于操作雷泰卡。當(dāng)需要更換運(yùn)動控制卡時要進(jìn)行大量的代碼替換，適配器模式為這種情況提供了解決方案。適配器（Adapter）模式的意圖是將一個類的接口轉(zhuǎn)換成客戶希望的另外一個接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些類可以一起工作。如圖4 所示，IMotionInterface 是Main 類用于操作運(yùn)動控制卡的接口。它定義了一些操作運(yùn)動控制卡的通用方法：CardOpen 方法用于打開運(yùn)動控制卡，CardInit 用于初始化運(yùn)動控制卡，CardClose 用于關(guān)閉運(yùn)動控制卡，MotorMove 用于控制電機(jī)運(yùn)動等。這樣，只要保證每種運(yùn)動控制卡的操作類實現(xiàn)了IMotionInterface 接口，就可以在基本不改變原有代碼的基礎(chǔ)上完成硬件的更改和添加。

圖4 適配器模式

4 結(jié)束語

文中詳細(xì)描述了在光刻版清洗系統(tǒng)軟件設(shè)計中，選擇和使用設(shè)計模式的經(jīng)驗。目前，該軟件系統(tǒng)已投入使用，并獲得了用戶的高度評價。應(yīng)用設(shè)計模式，可以復(fù)用成功的解決方案，避免為普通、重復(fù)的問題再重新設(shè)計解決方案，使得該軟件系統(tǒng)開發(fā)的效率和軟件系統(tǒng)的質(zhì)量都得到了極大的提升，并且使軟件系統(tǒng)具有更好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

[1] Erich Gamma，Richard Helm，Ralph Johnson，etal. 李英軍，馬曉星，蔡敏，等譯. 設(shè)計模式-可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 馬曦，李蕾，呂遐東，等. 設(shè)計模式在對準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 艦船電子工程，2009，180(6)：149-152.

[3] 楊洲，王自強(qiáng)，周余，等. 設(shè)計模式在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微電子學(xué)與計算機(jī)，2008，25(2)：107-110.

[4] 蔡文貌，王自強(qiáng)，都思丹. 設(shè)計模式在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 科學(xué)技 術(shù)與工程，2008，8(1)：199-202.