設(shè)計(jì)模式在開(kāi)發(fā)模擬器終端軟件中的應(yīng)用

樊建平，宋眾艷，朱 胤，陳 濤，李 波

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

QT 是一種C++應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，用于圖形用戶(hù)界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，擁有C++的性能、跨平臺(tái)的特點(diǎn)、高質(zhì)量的文檔。軟件開(kāi)發(fā)人員在模擬器終端界面編程時(shí)，常用的方法是將窗體界面及界面中包含的所有控件放在同一個(gè)模塊中，窗體類(lèi)、各個(gè)控件對(duì)象之間互相可見(jiàn)，均可直接訪問(wèn)。這種方法特點(diǎn)是邏輯簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、上手快、易學(xué)易用。

雖然上述方法具有簡(jiǎn)單易用的優(yōu)點(diǎn)，但也存在明顯的缺點(diǎn)。首先，界面上所有的控件編碼均在同一個(gè)模塊中實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致各個(gè)控件的代碼交織在一起，控件、方法取名時(shí)容易沖突，調(diào)用時(shí)容易出錯(cuò)，修改和升級(jí)界面時(shí)，容易改錯(cuò)、不易維護(hù)。其次，由于所有控件都在同一個(gè)模塊中，與控件相關(guān)聯(lián)的邏輯功能的實(shí)現(xiàn)也被局限在同一個(gè)模塊，這些邏輯功能結(jié)構(gòu)松散、互相交織，導(dǎo)致這個(gè)界面模塊無(wú)法體現(xiàn)出清晰的設(shè)計(jì)思路和工作邏輯。

本文提出一種終端界面編程方法，基于組合（composite）設(shè)計(jì)模式與觀察者（observer）設(shè)計(jì)模式［1］，可實(shí)現(xiàn)直接快速解決終端界面解耦和邏輯梳理問(wèn)題。

1 組合與觀察者設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式解決軟件開(kāi)發(fā)人員面臨的一般性問(wèn)題。設(shè)計(jì)模式具有復(fù)用解決方案［2］、確立通用術(shù)語(yǔ)、提高觀察高度、軟件更易修改維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)［3］。

1.1 組合模式

組合模式是設(shè)計(jì)模式中的一種［4］，可以描述成部分與整體的層次結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)可以用對(duì)象組合成樹(shù)的形式來(lái)表示。單個(gè)對(duì)象和組合對(duì)象的使用，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)具有一致性。組合模式結(jié)構(gòu)［5］如圖1 所示。

圖1 組合模式結(jié)構(gòu)Fig.1 Combination mode structure

組合模式對(duì)象結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 組合模式對(duì)象結(jié)構(gòu)Fig.2 Object structure in combination mode

部件（component）：聲明組合中對(duì)象的接口并實(shí)現(xiàn)共同接口的缺省行為。

葉子（leaf）：在組合中表示葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)象并定義葉子對(duì)象行為。

組合（composite）：定義部件的行為；含有子部件；在接口中實(shí)現(xiàn)與子部件相關(guān)的操作。

客戶(hù)（client）：通過(guò)部件的接口操縱組合部件的對(duì)象。

客戶(hù)通過(guò)使用部件類(lèi)接口，與組合結(jié)構(gòu)中的對(duì)象進(jìn)行交互。如果接收者是一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)，便直接處理請(qǐng)求。如果接收者是一個(gè)組合，通常將請(qǐng)求發(fā)送給其子部件。在轉(zhuǎn)發(fā)客戶(hù)請(qǐng)求之前或之后可能執(zhí)行一些輔助操作。

1.2 觀察者模式

觀察者模式是設(shè)計(jì)模式中的一種。觀察者設(shè)計(jì)模式定義對(duì)象之間是一種一對(duì)多的相互依賴(lài)關(guān)系。通過(guò)一個(gè)類(lèi)（觀察者）在另一個(gè)類(lèi)（主體）中注冊(cè)通知的方式，當(dāng)一個(gè)對(duì)象（主體）的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，所有依賴(lài)它的對(duì)象（觀察者）都得到通知，并被自動(dòng)更新，使概念上不相關(guān)的類(lèi)之間可以相互通信［6］。觀察者模式結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 觀察者模式結(jié)構(gòu)Fig.3 Observer mode structure

目標(biāo)（subject）：維護(hù)一個(gè)包含所有觀察者引用的列表。

觀察者（observer）：定義了一個(gè)更新接口，當(dāng)目標(biāo)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，觀察者通過(guò)這個(gè)接口獲得通知進(jìn)行更新。

具體目標(biāo)（concrete subject）：當(dāng)自身狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，便利包含所有觀察者引用的列表發(fā)出通知。

具體觀察者（concrete observer）：收到一個(gè)具體目標(biāo)改變的通知后，通過(guò)重載父類(lèi)觀察者的更新接口，保存目標(biāo)最新?tīng)顟B(tài)。

2 基于設(shè)計(jì)模式的分析步驟

2.1 QT 界面設(shè)計(jì)應(yīng)用組合模式

2.1.1 QT 界面與組合模式

在QT 的界面窗體中，一個(gè)控件可以看作一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，一組關(guān)聯(lián)的控件可以看作一個(gè)部件。

當(dāng)這個(gè)界面窗體作為子窗體嵌入到另一個(gè)界面窗體時(shí)，這個(gè)界面窗體又可以看作部件，被嵌入的窗體可以看作根部件。

依此類(lèi)推，控件、窗體、子窗體互相組合與遞歸，形成不同層次的葉子節(jié)點(diǎn)與部件，構(gòu)成了樹(shù)形結(jié)構(gòu)，即典型的組合模式樹(shù)形描述［7］。

作為根節(jié)點(diǎn)的窗體部件接收到處理請(qǐng)求，會(huì)將請(qǐng)求發(fā)送給它的接收者，如果接收者是一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)，便直接處理請(qǐng)求；如果接收者是一個(gè)部件，部件則將請(qǐng)求發(fā)送給它的子部件。這樣傳遞請(qǐng)求，直到請(qǐng)求到達(dá)每一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)。

2.1.2 QT 中組合模式的實(shí)現(xiàn)

QT 中組合模式的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)QT 自定義窗體的“提升”功能。自定義窗體對(duì)應(yīng)組合模式中的部件或葉子?！疤嵘绷鞒倘鐖D4 所示。

圖4 “提升”流程圖Fig.4 “Promotion”flow chart

1）將一個(gè)窗體作為樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)

在這個(gè)窗體中，設(shè)計(jì)包含若干個(gè)部件（節(jié)點(diǎn)或葉子），其中每一個(gè)部件設(shè)計(jì)包含若干個(gè)子部件（節(jié)點(diǎn)或葉子）。

2）將自定義窗體作為樹(shù)的節(jié)點(diǎn)

使用QT 控件Widget 在根節(jié)點(diǎn)窗體中進(jìn)行“占位”。即將控件Widget 拖入界面設(shè)計(jì)好的位置。

在QT 中新建自定義窗體，使其大小與進(jìn)行“占位”的Widget 控件匹配。

在自定義窗體中，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)放置若干QT 控件并設(shè)計(jì)接口，實(shí)現(xiàn)自定義窗口數(shù)據(jù)更新及數(shù)據(jù)表現(xiàn)。

3）通過(guò)“提升”功能實(shí)現(xiàn)樹(shù)的構(gòu)造

使用QT 編程環(huán)境Creator 的“提升”功能，將自定義窗體與“占位”的模塊進(jìn)行結(jié)合，自定義窗體替換掉了原來(lái)界面的“占位”控件，就可以通過(guò)這個(gè)自定義窗體類(lèi)的指針，在根窗體中來(lái)訪問(wèn)這個(gè)窗體上的所有控件。

通過(guò)以上3 個(gè)步驟，利用QT 的“提升”功能，構(gòu)成了組合模式結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于每個(gè)窗體部件是單獨(dú)新建，因此，解耦了界面，降低了界面復(fù)雜性，使得各模塊易編碼易維護(hù)。

2.2 觀察者模式的應(yīng)用

根據(jù)2.1 節(jié)，對(duì)根節(jié)點(diǎn)窗體部件以及其包含的各個(gè)子部件應(yīng)用觀察者設(shè)計(jì)模式。根節(jié)點(diǎn)窗體部件作為主體即觀察的目標(biāo)，各子部件作為觀察者即觀察主體狀態(tài)變化的對(duì)象。觀察者設(shè)計(jì)模式應(yīng)用流程如圖5 所示。

圖5 觀察者模式應(yīng)用流程Fig.5 Application process of observer mode

1）注冊(cè)觀察者。在根節(jié)點(diǎn)窗體部件中注冊(cè)觀察者，即維護(hù)一個(gè)包含所有觀察者引用的列表。

2）當(dāng)有更新數(shù)據(jù)時(shí)，通知觀察者。當(dāng)根節(jié)點(diǎn)窗體得到更新數(shù)據(jù)時(shí)，通知各個(gè)觀察者，遍歷包含有觀察者引用的列表，各個(gè)觀察者調(diào)用各自實(shí)現(xiàn)的更新接口，獲取數(shù)據(jù)、更新?tīng)顟B(tài)。

3）使用推或拉模式更新觀察者。觀察者獲取數(shù)據(jù)有兩種方式，一種是拉模型，一種是推模型。所謂拉模式，指通過(guò)引用主體取得主體接口GetData 來(lái)獲取所關(guān)注的數(shù)據(jù)；所謂推模式，指主體直接將觀察者需要的數(shù)據(jù)作為接口Updata 參數(shù)，傳給觀察者。

通過(guò)以上3 個(gè)步驟，利用觀察者模式，將主體與觀察者解耦、降低各模塊間耦合、各模塊自動(dòng)更新，梳理了工作邏輯。

3 實(shí)例分析

以某型模擬器炮長(zhǎng)終端軟件作為實(shí)例，來(lái)詳述其技術(shù)方案。技術(shù)路線概要如圖6 所示。

圖6 技術(shù)路線Fig.6 Technology roadmap

3.1 界面分解

3.1.1 模塊劃分

按照實(shí)裝界面形式與功能，進(jìn)行界面的模塊劃分。

實(shí)裝的炮長(zhǎng)終端上部顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，下部顯示各個(gè)功能界面。按照界面形式與功能，進(jìn)行界面的模塊劃分［8］，可將界面初步劃分為上下兩個(gè)部分。

軟件上部為顯示狀態(tài)的區(qū)域，下部分為人機(jī)交互的區(qū)域（包括信息輸入和信息顯示）。下部分人機(jī)交互區(qū)域包括多個(gè)子功能區(qū)域，因此，進(jìn)行第2 層劃分，每個(gè)子功能區(qū)域?qū)?yīng)的劃分為一個(gè)界面模塊。這些子功能區(qū)域?qū)?yīng)的界面以一組標(biāo)簽頁(yè)進(jìn)行組織。

這樣界面劃分共分兩個(gè)層次，第1 個(gè)層次劃分為上下兩部分，第2 個(gè)層次，下部分再次劃分為若干個(gè)部分。

3.1.2 界面設(shè)計(jì)

使用Qt Creator 開(kāi)發(fā)環(huán)境，新建QT 工程，根據(jù)前述模塊劃分方案進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。

Step 1 使用QT 控件Widget 進(jìn)行“占位”

1）新建Application 項(xiàng)目，選擇Qt Widges Application，建立工程；

2）在工程中打開(kāi)ui 界面，按照劃分設(shè)計(jì)，在上部分拖動(dòng)放置一個(gè)QT 容器類(lèi)的控件Widget，作為狀態(tài)模塊；

3）在下半部分，拖動(dòng)放置一個(gè)QT 容器類(lèi)的控件Stacked Widge，作為功能模塊；選中此控件，通過(guò)右鍵菜中插入5 個(gè)Widget，這5 個(gè)Widget 分別對(duì)應(yīng)5 個(gè)功能界面。

Step 2 創(chuàng)建自定義窗體，根據(jù)前述的“占位”控件，新建窗體類(lèi)與占位控件對(duì)應(yīng)。

1）在Creator 中，通過(guò)工程中添加新文件，自定義一個(gè)派生于QWidget 類(lèi)，完成后工程中就添加了新類(lèi)和對(duì)應(yīng)的窗體；

2）在窗體中按照實(shí)裝界面進(jìn)添加需要的控件；

3）按照上述步驟，分別對(duì)劃分后的每一個(gè)模塊建立自定義窗體、添加控件使與實(shí)裝界面一致。

Step 3 提升窗體，將自定義窗體與“占位”的模塊進(jìn)行結(jié)合。

1）在ui 界面中，選中上半部分模塊（占位控件），進(jìn)行提升，提升后模塊的類(lèi)名變?yōu)樽远x窗體的類(lèi)名；

2）同樣，對(duì)所有劃分的區(qū)域（占位控件）進(jìn)行提升操作。

這樣就將自定義窗體替換掉了原來(lái)界面的“占位”控件。在占位控件所在的窗體中，就可以通過(guò)這個(gè)自定義窗體類(lèi)的指針來(lái)訪問(wèn)自定義窗體中的所有控件。

3.2 工作邏輯梳理

將3.1 節(jié)界面分解得到的多個(gè)模塊作為輸入，采用觀察者設(shè)計(jì)模式，對(duì)程序工作邏輯進(jìn)行梳理。

3.2.1 應(yīng)用觀察者模式

對(duì)前述界面劃分出的多個(gè)模塊應(yīng)用觀察者模式，結(jié)合本實(shí)例，觀察者模式結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。

圖7 觀察者模式結(jié)構(gòu)Fig.7 Observer mode structure

圖7 中，主體（被觀察的目標(biāo)）是通信類(lèi)（My-Communication）；觀察者是基類(lèi)，定義虛函數(shù)作為更新數(shù)據(jù)接口；所有具體的觀察者繼承這個(gè)基類(lèi)并各自實(shí)現(xiàn)更新數(shù)據(jù)的接口。

具體的觀察者分別是：狀態(tài)窗體、參數(shù)輸入窗體、自檢窗體、穩(wěn)像窗體、裝表窗體、校炮窗體。

觀察者所觀察的內(nèi)容為通信類(lèi)中得到的硬件實(shí)體按鍵、開(kāi)關(guān)消息，以及來(lái)自火控仿真軟件的系統(tǒng)狀態(tài)與諸元信息。

3.2.2 觀察者模式工作流程

Step 1 注冊(cè)觀察者：在通信類(lèi)中注冊(cè)各個(gè)觀察者，即維護(hù)一個(gè)包含所有觀察者引用的列表；

Step 2 當(dāng)有更新數(shù)據(jù)時(shí)，通知觀察者：通信類(lèi)得到更新數(shù)據(jù)時(shí)，通知各個(gè)觀察者，遍歷包含有觀察者引用的列表，各個(gè)觀察者調(diào)用各自實(shí)現(xiàn)的更新接口，獲取數(shù)據(jù)（實(shí)體按鍵、開(kāi)關(guān)消息，以及來(lái)自火控仿真軟件的系統(tǒng)狀態(tài)與諸元信息）；

Step 3 使用推或拉模式更新觀察者：觀察者獲取數(shù)據(jù)有兩種方式，一種是拉模型，另一種是推模型。

在本實(shí)例中，同時(shí)使用這兩種方式來(lái)獲取數(shù)據(jù)，如序列圖8、下頁(yè)圖9 所示。

圖8 數(shù)據(jù)拉模型Fig.8 Data pull model

圖9 數(shù)據(jù)推模式Fig.9 Data push modes

在本實(shí)例中，采用拉模式獲取火控仿真軟件狀態(tài)幀和諸元幀，采用推模式獲取按鍵信息。

4 結(jié)論

綜上所述，基于QT 編程環(huán)境，采用組合設(shè)計(jì)模式與觀察者模式進(jìn)行終端界面編程，是一種新的界面編程方法，其創(chuàng)新之處在于在采用組合設(shè)計(jì)模式之后，對(duì)樹(shù)形的各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用觀察者模式、組合模式的結(jié)果作為觀察者模式的輸入，前者解決界面解耦，后者解決邏輯梳理，不僅使程序開(kāi)發(fā)效率得到提升，而且程序的維護(hù)升級(jí)更為容易。利用本文方法，通過(guò)對(duì)某型模擬器炮長(zhǎng)終端軟件的實(shí)例，再次證明這一點(diǎn)。但本文中應(yīng)用的組合模式、觀察者模式都有一定的適用范圍，解決的問(wèn)題有一定的局限，如何應(yīng)用其他的設(shè)計(jì)模式解決更多的問(wèn)題，都有待進(jìn)一步分析、解決。