設(shè)計(jì)模式在三維地形環(huán)境仿真平臺中的應(yīng)用

杜 瑩，龔桂榮，陳 剛

（信息工程大學(xué) 測繪學(xué)院，河南 鄭州 450052）

三維地形環(huán)境仿真系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)從僅支持簡單的局部地形瀏覽，演進(jìn)到支持面向全球的多源異構(gòu)、多時相數(shù)據(jù)，甚至可以作為一種基礎(chǔ)平臺，在其上搭建以空間和時間為基準(zhǔn)的各種仿真應(yīng)用系統(tǒng)。但是，如果基礎(chǔ)平臺的架構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，各模塊間耦合度高，就極有可能給軟件開發(fā)帶來諸多不便甚至危害。因此，需要在平臺設(shè)計(jì)過程中充分考慮此類問題，這樣才能得到一個高效、高質(zhì)的仿真平臺。而解決上述問題的一個有效辦法，就是設(shè)計(jì)模式。

設(shè)計(jì)模式是軟件復(fù)用技術(shù)中的一個重要概念。它為開發(fā)者提供了一種考慮問題、解決問題的方式，其目的是將軟件開發(fā)中成功的經(jīng)驗(yàn)予以總結(jié)并推廣，以求在相同的問題領(lǐng)域中，能夠使其他設(shè)計(jì)人員從中得到啟發(fā)和幫助［1］。

隨著技術(shù)的不斷完善，設(shè)計(jì)模式的種類日益增多，相對于Gang of Four（GOF）1995年提出的23種通用的設(shè)計(jì)模式，數(shù)量已經(jīng)大大增加了。要從如此多的模式中選擇適合自己系統(tǒng)的模式并非易事，選擇正確、恰當(dāng)?shù)哪Ｊ匠蔀樵O(shè)計(jì)模式的使用瓶頸［2］。因此，必須先認(rèn)真分析系統(tǒng)本身的特點(diǎn)和需求，總結(jié)需要解決的問題，有的放矢地尋找若干簡單有效的設(shè)計(jì)模式，避免出現(xiàn)“反模式”和“錯誤模式”。

1 問題分析

基于松耦合的設(shè)計(jì)原則，本文為三維地形環(huán)境仿真平臺設(shè)計(jì)了組件化的體系架構(gòu)（見圖1），其基本思想是“分治法”，即將系統(tǒng)分解成可獨(dú)立開發(fā)的松耦合組件，使其在可靠性、重用性和可擴(kuò)展性等非功能性問題上有良好表現(xiàn)［5］。

圖1 三維地形環(huán)境仿真平臺的體系架構(gòu)

其中，主控層負(fù)責(zé)內(nèi)部的各種交互與控制，疏通仿真平臺與各功能組件的通道，同時松散各組件之間的耦合度；功能組件層以接口形式為平臺提供各種功能，其相互間的交互通過主控層完成；數(shù)據(jù)訪問組件作為一個特殊的組件，負(fù)責(zé)完成地形數(shù)據(jù)的調(diào)度與存取。

這種層次化、組件化的體系架構(gòu)清晰明了，非常便于分工合作。但要真正把這種體系架構(gòu)落實(shí)到應(yīng)用，還有幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)需要設(shè)計(jì)好，這也是本文著重要解決的幾個問題。

問題1：主控與各個功能組件之間如何進(jìn)行通信。主控與各個功能組件之間是一對多的關(guān)系，所有的消息、命令和交互等都要通過主控分發(fā)到相關(guān)組件，并由組件做出響應(yīng)?？紤]到三維地形環(huán)境仿真系統(tǒng)實(shí)時性、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，這種分發(fā)和響應(yīng)工作會非常頻繁，處理不好就會制約后續(xù)事件分發(fā)和響應(yīng)的進(jìn)程。

問題2：各個功能組件如何通過地形訪問組件獲取數(shù)據(jù)。在圖1所示的體系架構(gòu)中，很多組件都需要與地形數(shù)據(jù)發(fā)生交互，如三維地形組件需要調(diào)度地形數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，三維分析組件需要獲取高程數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度、通視等分析，三維相機(jī)組件需要獲取當(dāng)前視場范圍內(nèi)的最大高程值，以便進(jìn)行碰撞檢測，等等。如果這些組件都直接去訪問地形數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件，不僅會造成大量的代碼冗余，一旦數(shù)據(jù)格式發(fā)生改變，還會引發(fā)多個組件的多處改動。這就是圖1中地形訪問組件的設(shè)計(jì)初衷，即通過統(tǒng)一的渠道訪問地形數(shù)據(jù)。

問題3：如何應(yīng)對多源異構(gòu)的地形數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)獲取手段的豐富，地形數(shù)據(jù)尤其是地形紋理數(shù)據(jù)趨于多樣化，可能來源不同，如來源于不同的傳感器、不同的拍攝日期、不同的分辨率等；也可能存儲方式不同，如存儲于本地文件、本地數(shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程服務(wù)器等。諸多不同導(dǎo)致地形訪問組件面臨巨大的考驗(yàn)，如何才能做到“以不變應(yīng)萬變”，不隨數(shù)據(jù)源的改變而顛覆以往的設(shè)計(jì)和接口。

2 設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用

上述3個問題雖然側(cè)重點(diǎn)不同，但它們有著一個共同特點(diǎn)，即都屬于非功能性問題，都涉及到軟件的靈活性和可擴(kuò)展性。顯然，設(shè)計(jì)模式是解決該類問題的不二選擇。

然而，設(shè)計(jì)模式的描述主要是以自然語言結(jié)合OO框圖的描述方法，一些語言描述有一定的歧義性，使設(shè)計(jì)者在為特定問題選擇設(shè)計(jì)模式時往往會猶豫不決。雖然設(shè)計(jì)模式有許多優(yōu)點(diǎn)，但是仍然需要人們掌握它的本質(zhì)并學(xué)會正確的使用方法，才能夠正確應(yīng)用并真正發(fā)揮它的優(yōu)勢，同時應(yīng)該避免濫用帶來的軟件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和冗余，不能為了使用模式而使用［2］。

鑒于設(shè)計(jì)模式的復(fù)雜性，作者對第2節(jié)中提出的3個問題進(jìn)行了抽象，并按照設(shè)計(jì)模式的分類方式進(jìn)行了歸類和匹配，從而提出分別用職責(zé)鏈模式、代理模式和橋接模式解決這3個問題。

2.1 職責(zé)鏈模式

三維地形環(huán)境仿真系統(tǒng)具有實(shí)時性、交互性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，如用戶在場景中的鼠標(biāo)操作需要由主控分發(fā)到多個組件，場景的相機(jī)位置發(fā)生改變需要通知到多個組件，等等。如何處理好主控與各個功能組件之間這種復(fù)雜的請求與反饋關(guān)系呢？作者經(jīng)過分析，選擇了“職責(zé)鏈模式”來解決這個問題。

職責(zé)鏈模式（Chain of Responsibility Pattern），是指使多個對象都有機(jī)會處理請求，同時避免請求的發(fā)送者和接收者之間的耦合關(guān)系。將這些對象連成一條鏈，并沿著這條鏈傳遞該請求，直到有一個對象處理它為止［3］。這種模式應(yīng)用很廣，它的最大優(yōu)勢是接收者和發(fā)送者都不需要對方的明確信息，即可完成請求的發(fā)送和處理。如圖2所示，為職責(zé)鏈模式的UML圖。

然而，圖2只是職責(zé)鏈的標(biāo)準(zhǔn)模式，它雖然具有很好的擴(kuò)展性，可以使軟件具有動態(tài)增加請求處理者的能力，但卻存在著兩個很現(xiàn)實(shí)的問題：

圖2 職責(zé)鏈模式的UML圖

1）每次請求最多只有一個Handler能接受處理，其它Handler都是無用實(shí)例，如果一個請求到鏈的末端都得不到處理，或者因?yàn)闆]有正確配置而得不到處理，就會導(dǎo)致所有Handler都成無用實(shí)例。

2）在某些特殊情況下，可能有多個Handler需要接受處理，也有可能某些Handler允許或不允許其后繼者繼續(xù)處理請求（如在響應(yīng)鍵盤事件時，某些組件試圖鎖定某些熱鍵，不允許其后繼組件使用，但并非鎖定所有按鍵），圖2中的標(biāo)準(zhǔn)模式是無法解決這個問題的。

針對這兩個問題，作者對圖2中職責(zé)鏈的標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后職責(zé)鏈模式的UML圖

圖3主要做了如下兩點(diǎn)改進(jìn)：

1）針對問題1，使用發(fā)布－訂購（Publish/Subscribe）模式，只讓對相關(guān)請求“感興趣”的組件并實(shí)例化，這些組件需要預(yù)先訂購這些請求，本文將其由“Handler”更名為“Subscriber”（訂購者）。這樣，在發(fā)送請求時，3D主控只需要面向訂購了該請求的組件，也就不會出現(xiàn)無用的Handler了。

2）針對問題2，為Subscriber的接口函數(shù)HandleRequest（）增加一個bool型參數(shù)lock，表示當(dāng)前處理者是否允許其后繼者繼續(xù)處理該請求，如果lock為true，表示當(dāng)前組件鎖定該請求，職責(zé)鏈不再向下傳遞請求；否則，請求繼續(xù)傳遞，直到lock再次為true或職責(zé)鏈走到末端。這樣就解決了多個Handler需要處理請求或鎖定請求的問題。

2.2 代理模式

在三維地形環(huán)境基礎(chǔ)平臺中，很多組件都需要與地形數(shù)據(jù)發(fā)生交互，如果這些組件都直接去訪問地形數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件，不僅會造成大量的代碼冗余，一旦數(shù)據(jù)格式發(fā)生改變，還會引發(fā)多個組件的多處改動。如何確保各個組件能通過統(tǒng)一的渠道訪問到地形數(shù)據(jù)呢？作者經(jīng)過分析，選擇了“代理模式”來解決這個問題。

代理模式（Proxy Pattern），是指為其它對象提供一種代理，以控制對這個對象的訪問［3］。如圖4所示，為代理模式的UML圖。

圖4 代理模式的UML圖

DBProxy接口：定義了DB（數(shù)據(jù)庫）和DBProxy（數(shù)據(jù)庫代理）的共用接口，這樣在任何需要使用地形數(shù)據(jù)（即需要調(diào)用DB）的地方都可以使用DBProxy，所有需要與地形數(shù)據(jù)交互的組件只需要通過統(tǒng)一的DBProxy接口即可，而無需了解DB本身的格式或格式是否發(fā)生了變化；

DB類：定義DBProxy類所代表的真實(shí)實(shí)體；

DBProxy類：保存一個引用使得代理可以訪問實(shí)體，并提供一個與DBProxy的接口相同的接口，這樣代理就可以用來代替實(shí)體。

與2.1節(jié)中討論的職責(zé)鏈模式相比，代理模式的思路和實(shí)現(xiàn)方法都比較簡單，唯一需要注意的是，由于需要確保通過統(tǒng)一的接口訪問地形數(shù)據(jù)，因此，必須結(jié)合“單實(shí)例模式”，確保整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中無論有多少客戶端，DBProxy都只能有一個。

單實(shí)例模式（Singleton Pattern），是指保證一個類僅有一個實(shí)例，并提供一個訪問它的全局訪問點(diǎn)［3］。其核心思想是讓類自身負(fù)責(zé)保存它的唯一實(shí)例，這個類可以保證沒有其它實(shí)例可以被創(chuàng)建，并且它可以提供一個訪問該實(shí)例的方法。圖5為作者結(jié)合單實(shí)例模式后的代理模式。

圖5 改進(jìn)后代理模式的UML圖

2.3 橋接模式

一個具有很好通用性的三維地形環(huán)境基礎(chǔ)平臺，需要能支持多源異構(gòu)的地形數(shù)據(jù)，而僅僅依靠代理模式是不夠的。因?yàn)樵撃Ｊ街皇墙鉀Q了如何通過統(tǒng)一接口訪問地形數(shù)據(jù)的問題，至于數(shù)據(jù)庫代理（DBProxy）如何取到這些數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是什么結(jié)構(gòu)，存儲于什么位置，這不是數(shù)據(jù)庫代理能夠解決的問題，也并非其職責(zé)所在。作者經(jīng)過分析，選擇了“橋接模式”來解決這個問題。

橋接模式（Bridge Pattern），是指將抽象部分與它的實(shí)現(xiàn)部分分離，使它們都可以獨(dú)立地變化［3］。當(dāng)一個抽象可能有多個實(shí)現(xiàn)時，通常用繼承類協(xié)調(diào)它們，從而將抽象部分與其實(shí)現(xiàn)部分緊緊耦合在一起，難以對抽象部分和它的實(shí)現(xiàn)部分獨(dú)立地進(jìn)行修改和擴(kuò)充。而橋接模式則通過將接口和實(shí)現(xiàn)部分分離，提高了可擴(kuò)充性，同時還可以將實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)對用戶透明［4］。如圖6所示，為橋接模式的UML圖。

圖6 橋接模式的UML圖

其中：Abstraction接口表示抽象部分，Implementor接口表示實(shí)現(xiàn)部分；RefindedAbstraction類表示被提煉的抽象，ConcreteImplementorA和ConcreteImplementorB表示具體的實(shí)現(xiàn)。

利用橋接模式的優(yōu)勢，作者設(shè)計(jì)了一種基于橋接模式和交換模型的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)獲取方式（見圖7所示），基本思路如下：

1）定義一個數(shù)據(jù)提供者接口（DataProvider），為數(shù)據(jù)庫代理組件（DBProxy）提供各種來源的地形數(shù)據(jù)。通過這種方式，在DBProxy和各個異構(gòu)數(shù)據(jù)源（如圖7中的DataProvider1和DataProvider2）之間架起了一座“橋梁”，從而避免了數(shù)據(jù)庫代理直接訪問各個數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)了代理與數(shù)據(jù)源的松耦合，這就是橋接模式的主旨所在。

2）定義交換數(shù)據(jù)模型。如圖7中的TransModelDem和TransModelImg，分別表示交換模型中的Dem數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)交換數(shù)據(jù)模型的目的，是為了使各個DataProvider能在根據(jù)指定的參數(shù)（如地理范圍、分辨率等）獲取到自己內(nèi)部格式的數(shù)據(jù)模型后，將內(nèi)部格式轉(zhuǎn)換為一種統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)模型，返回給數(shù)據(jù)庫代理。這種統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)格式，就是作者所設(shè)計(jì)的交換數(shù)據(jù)模型。它實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫代理組件與各異構(gòu)數(shù)據(jù)源之間的松耦合，達(dá)到了減小組件粒度，提高重用性的目的。

圖7 基于橋接模式的數(shù)據(jù)獲取結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)模式是軟件工程中的重要研究方向，它能有效解決軟件設(shè)計(jì)中的可復(fù)用性和可擴(kuò)展性等問題［6］。本文首先分析了三維地形環(huán)境仿真平臺的特點(diǎn)，然后將設(shè)計(jì)模式引入平臺的設(shè)計(jì)，分別用職責(zé)鏈模式、代理模式和橋接模式解決了平臺設(shè)計(jì)中存在的3個主要問題。實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)模式可以有效提高軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

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