设计模式/软件设计模式Oesign pattern)是软件设计过程中的经验总结。可 以让程序代码易重用、易理解、更稳定。目前总结出来的模式有23种之多，文中主要涉及 “工厂模式”在多串口通信软件开发中的应用。作者针对衡器称重系统中常用的仪表、一机一
秤、一机多秤等应用场景，提出相应的解决方案。
1.引言
在软件开发过程中，常常会碰到相似问题， 做重复的工作。如何提高效率，保证代码的可靠 性，可重用性昵？前人总结出了很多软件开发模 式，来解决相应的问题。文中将针对“软件设计 模式”一“工厂模式”在多串口通信软件开发中 的应用展开描述。
2.设计模式简介
设计模式（Oesign patten）是一套被反复使用 的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计 经验的总结。使用设计模式是为了重用代码、让 代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。最早 提出设计模式思想是在1994年，由Erich Gamma 等人，在其所著的《面象对象的可复用元素》一 书中提出的。总结出三大类别创建型模式、结 构型模式、行为型模式,六大原则（开闭原则、 里氏原则、依赖倒置原则、接口隔离原则、迪米 特法则、合成复用原则,23种设计模式俱体内 容请参看相关书籍。本文将重点介绍：工厂设计 模式。它属于“创建型模式”，即在创建对象的过 程中，隐藏创建逻辑，这使得程序在创建给定实 例对象时，可以提供灵活的判断。
3.衡器软件中的问题
作者长期从事衡器称重软件的设计。在长期 的工作经历中，参与了很多项目，其中多数都会 用到串口通信。会遇到以下几种典型的应用问题：
（1）在使用衡器仪表时，串口是常见的对外通 信方式。称重仪表厂家多，型号不一，通信格式 各不相同。能不能使用统一的开发模式，进行管 理，减少重复性的工作昵？
（2）地磅称重管理中，有“一机一秤”，也有 机多秤”的模式。在多秤同时使用时，仪表型 号可能相同，也可能不同，有没有简洁、高效的 扩展软件代码的方法昵？
4.工厂设计模式
针对上述问题，作者通过实践和总结，觉得软件开发模式的中的“工厂模式”比较适合解决 这类问题。
什么是“工厂模式”？顾名思义，就是客户提 交“订单”，交给“工厂”生产，最后得到“产 品”。“工厂模式”模拟了这个过程。“工厂模 式”分为三种子类别：简单工厂、工厂方法、抽 象工厂。这三种方法，本质相同，但各有其应用 场景，简单来说，如下：
（1）简单工厂：一个工厂生产多种不同产品。
（2）工厂方法：多个工厂，每个工厂生产一种 产品。是对“简单工厂”的改进，因为“简单工 厂”不符合“开闭原则”。
（3）抽象工厂：多个工厂，每个工厂生产一种 或多种产品。可以根据“订单”需求，生产“产 品”。“订单”中可能存在多种不同的“产品”需 求，可以交给不同的“工厂”来“生产”。
这三种模式都能解决衡器软件中的仪表串口 通信问题。文中重点讲解“简单工厂”和“抽象 工厂”这两种模式，这两种模式比较容易理解， 其它的模式也可依此类推。
5.面向对象的实现过程
设计模式的运用与编程语言无关。作者以常 用的C++语言为例，说明面向对象的封装过程。
首先，作者封装了一组串口通信类，将串口 通信过程中，常用的的方法，封装在一个类族里， 为后期模式设计提供基础如图1所示。
串口类库可根据需要不断扩展，封装好后， 与下文的设计模式类隔离，减少代码耦合。这个 类族中的底层子类，相当于“工厂”里生产的产品
（1）简单工厂的实现过程
简单工厂模式如图2所示，将“产品”实例的创建放到工厂方法中完成，从而为“产品”的选择提供灵活性。这里的“产品”就是仪表型号，工厂就是 TMeterFactory 类，其方法 CreateMeter 可以创建各种仪表的实例。
主要部分的伪代码如下：
#include
classTM eterfactory//仪表工厂类
{
Private:
m ap
TM eterfactory0;
ICommO bject*C reateM eter (char*strM eter- Name);//创建仪表实例方法
~TM eterFactoryO;//销毁仪表类实例
}；
ICommObject*TM eterFactory::CreateM eter (char*strM eterN am e)
{ //检查仪表实例是否存在 ifm _m eter.end )!=m _m eter.find (strM eterN am e)) return m_m eter.find strM eterN am e)->second; //创建新的仪表实例 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;
...//继续添加代码，创建其他仪表型号 m_meter.insert std ^：pa ir
}
客户端调用代码如下： charweight[10]={0};
TMeterFactory*pFactory=new TMeterFactory;
ICommObject*pMeter=pFactory->CreateMe-
ter(“XK3190A9”);
strcpy(weight,pMeter->read());// 读取重量，中间省略 open,write,close 等方法代码
上述过程中，可以看到：在使用简单工厂模式 （或其它模式） 时，并不一定能减少代码量，但是易于后期扩展和理解。从客户端的调用代码可以看出：模式提供了统一的接口，调用者只要给出仪表型号，就能得到相应的类实例。实例创建过程封装到其他代码块中，只要那部分代码没有问题，调用者就能得到正确的结果，相当于黑盒操作。这种方式，适合多人分工合作，共同开发软件。
（2） 抽象工厂的实现过程
“简单工厂”模式适合“一机一秤”的称重软件开发。“抽象工厂”模式适合解决“一机多秤”的称重模式。他将仪表实例创建过程推迟到子类中完成，从而为“订单”中的多种“产品”组合提供机会。以下是“一机一秤”和“一机两秤”类图如图 3 所示。
由上图可以看出，每一个“工厂”代表一种称重模式，可以从“一机一秤”，扩展到“一机 n 秤”。而每一种称重模式中，可以用同一种型号的仪表，也可以用不同种型号的仪表组成系统。具
体实施时，可根据需求选择。C++ 伪代码如下： class ICommObject;
class IFactory // 抽象工厂
{
public:
virtual ICommObject * CreateMeter1()=0; // 创建仪表 1，此处为纯虚方法
virtual ICommObject * CreateMeter2 ()=0; // 创建仪表 2
// 可以继续添加 protected:
IFactroy();
};
Class TOne_pc_and_one_scale:public IFactory// 具体工厂：实现一机一秤功能
{
public:
ICommObject * CreateMeter1 () {return new TXK3190A9;}
};
Class TOne_pc_and_two_scale:public IFactroy// 具体工厂：实现一机两秤功能
{
public:
ICommObject * CreateMeter1(){return new
T8142pro;}
ICommObject * CreateMeter2(){return new
XK3180;}
};
客户端调用代码如下： // 一机一秤调用方法
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());// 读取重量到 weight
中，中间省略 open,write,close 等方法代码
// 一机两秤调用方法 char weight_8142[10]={0},weight_3180[10]={0};//
重量字符串
IFactory * pScale=new TOne_pc_and_two_scale; // 创建工厂实例
ICommObject * p3180=pScale->CreateMeter1(); ICommObject * p8142=pScale->CreateMeter2(); strcpy (weight_3180,p3180->read ());// 读取重量
到 weight_A9 中，中间省略 open,write,close 等方法代码
strcpy (weight_8142,p8142->read ()); // 读取重量到 weight_814 中
使用“抽象工厂”模式，在添加新的“工厂”时，并不影响已有的“工厂”代码，已有的代码基本不需改动，提高了程序的稳定性，符合“开
闭原则”，因此成为 23 种软件设计模式之一。
6.工厂模式在称重传感器温度测试软件中的应用
作者在编写 《传感器温度测试软件》 的过程中，使用了数据采集板，每个板上有一个串口，多块板同时向上位机发送传感器的实时温度测量数据。利用“抽象工厂设计”模式，很好的完成了软件编写。原来在其他软件中的通信代码 （即图 1），移植过来使用，进行部分扩展，实现了代码重用。软件可以对每一个串口的通信数据和通信参数，进行单独的管理。如下图：
7.相关问题讨论
在 Windows 系统中，某个“串口”设备，在某一时刻，只能被一个软件使用 （虚拟串口设备除外）。多个进程或线程同时使用，会产生冲突。冲突的情况分为三种：
（1） 两个 （或两个以上） 不同的软件，同时打开同一个串口
（2） 同一个软件，运行两次实例 （或两次以上） 在内存中，同时打开同一个串口
（3） 同一个软件，运行一次，但在软件内部两次（或两次以上） 打开同一个串口
①、②两种情况涉及不同进程之间的资源抢占的冲突，可以考虑用进程互斥的方法解决，不属于软件模式的解决范畴。
对于第③种情况，可用“单例模式”解决软件内部多次、同时读、写同一个串口冲突的问题。
“单例模式”的目标就是：每个类只能创建一个实例。类的“构造函数”和“拷贝构造函数”设为“私有”或“保护”权限，类实例由其静态成员函数创建。
文中的“工厂模式”也涉及到串口的调用，因此可能有人会问：“工厂模式”能否结合“单例模式”同时使用呢？答案是否定的。“单例模式”封装的对象是“串口”硬件实体。本文中的“工厂模式”是以“称重仪表”为对象，进行封装。两者的出发点和角度不同，虽然都用到了串口通信，但是功能需求不同。物理串口，同一时刻，只能被一个实例使用，因此用“单例模式”比较合理。而“称重仪表”类，则存在多台相同型号的仪表同时使用的情况，所以需要创建同一个类的多个实例。这些属于面对的编程思想，需要结合实践去体会他们的异同。
8.总结
在软件设计过程中，不仅衡器称重软件“一机多秤”（即一台上位机，多台称重仪表同时工作），可以使用“工厂模式”来设计，其它类似的—涉及多台仪表，多个串口同时工作的软件，都可参考这种模式。软件模式的使用，使代码易于阅读，管理，能提高代码的重用效率。实际软件开发中，具体使用哪种模式，是一种模式，还是多种模式混合使用？对于开发者来说，需要有一定行业经验，总结出用户的需求，整理出规律性的内容，再选择合适开发模式，才能找到一条正确的道路。
