張德明

（中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，北京100081）

模塊化是軟件設(shè)計(jì)中需要達(dá)到的主要目標(biāo)之一。相對于傳統(tǒng)的面向過程的語言將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分開的方式，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法將相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法作為一個(gè)對象進(jìn)行封裝，形成一個(gè)擁有自己狀態(tài)以及行為的整體。在設(shè)計(jì)對象時(shí)，通過有效地將相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與行為進(jìn)行封裝，而向外只提供必要的接口，從而達(dá)到強(qiáng)內(nèi)聚松藕合的效果，也就達(dá)到了模塊化的目標(biāo)。

在單線程環(huán)境下，采用對象的方式確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的封裝。然而，當(dāng)軟件在多線程環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，對象在封裝上則會遇到并發(fā)范圍的問題。

圖1 對象交互的圖示

圖1展示了一個(gè)簡單多線程環(huán)境。其中，有A，B，C3個(gè)以面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行封裝的對象，另外有兩個(gè)環(huán)境線程。系統(tǒng)期望兩個(gè)線程能夠在3個(gè)對象的并發(fā)運(yùn)行中，完成系統(tǒng)的功能。我們可以看到，對象B雖然作為一個(gè)獨(dú)立的對象，封裝了自己的結(jié)構(gòu)和行為。但是，由于它同時(shí)被兩個(gè)線程訪問，這樣，在對象C和A與B進(jìn)行交互時(shí)，必須要考慮許多線程同步的因素，造成對象間訪問時(shí)接口復(fù)雜，也就是增強(qiáng)了對象間的耦合性。當(dāng)系統(tǒng)的對象更多，并發(fā)線程更多時(shí)，對象間的耦合將會成倍增加，軟件的模塊化目標(biāo)將遇到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

1 車次追蹤系統(tǒng)

車次追蹤系統(tǒng)是調(diào)度監(jiān)督以及調(diào)度集中系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，車次追蹤系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場采集的站場表示信息，無線車次號信息，行調(diào)臺下達(dá)的計(jì)劃信息，以及人工車次修改等信息，通過綜合運(yùn)算，對追蹤區(qū)段的列車進(jìn)行識別、跟蹤和校核，并在此基礎(chǔ)上提供自動(dòng)報(bào)點(diǎn)，列車位置報(bào)告等信息。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，車次追蹤系統(tǒng)作為調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器中的一個(gè)模塊。作為整體的應(yīng)用服務(wù)器，除了提供車次信息相關(guān)運(yùn)算和服務(wù)外，還要提供通信信息轉(zhuǎn)發(fā)、表示信息處理和進(jìn)路信息處理等功能。

當(dāng)把應(yīng)用服務(wù)器作為系統(tǒng)的環(huán)境，而將通信轉(zhuǎn)發(fā)、車次追蹤和進(jìn)路控制分別作為一個(gè)重量級的對象時(shí)，將得到一個(gè)類似圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)環(huán)境，見圖2。

圖2 車次追蹤的應(yīng)用服務(wù)器環(huán)境框圖

在圖2的應(yīng)用服務(wù)環(huán)境中，系統(tǒng)要求應(yīng)用服務(wù)器所提供的各個(gè)功能，包括車次追蹤，通信轉(zhuǎn)發(fā)，以及進(jìn)路控制等都能夠并行運(yùn)行，因此，系統(tǒng)中必須引入多個(gè)線程。 同時(shí)，由于各個(gè)服務(wù)模塊之間需要交互，以傳統(tǒng)面向?qū)ο竽Ｊ竭M(jìn)行設(shè)計(jì)，必然將多個(gè)線程引入對象中，造成同步的困難，增強(qiáng)了系統(tǒng)的藕合性。如何保證車次追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊化，同時(shí)又保證模塊的并行性，如前面引用中提到的，是對系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的一個(gè)挑戰(zhàn)。

2 主動(dòng)對象模型

我們以圖3來說明主動(dòng)對象模型。

圖3 主動(dòng)對象模型

圖3中的對象分為兩種，其中A，B，C同以前的對象一樣，只能被別的線程被動(dòng)調(diào)用，稱之為被動(dòng)對象。另外一種對象，作為A，B，C3個(gè)對象的運(yùn)行環(huán)境，它將系統(tǒng)的線程進(jìn)行了封裝，并提供了對外接口的郵箱，稱之為主動(dòng)對象。

系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程如下：當(dāng)外界有任務(wù)或者指令要主動(dòng)對象來完成時(shí)，外界系統(tǒng)將任務(wù)以消息形式發(fā)送到主動(dòng)對象的郵箱隊(duì)列中，主動(dòng)對象的封裝線程則一直對其郵箱隊(duì)列進(jìn)行監(jiān)視，一旦發(fā)覺郵箱中有消息，將取出消息進(jìn)行處理。當(dāng)任務(wù)比較復(fù)雜時(shí)，主動(dòng)對象將消息分發(fā)給相關(guān)的被動(dòng)對象，讓其進(jìn)行相應(yīng)處理。

可以看出，在主動(dòng)對象模型中，因?yàn)橐肓酥鲃?dòng)對象，對任務(wù)線程進(jìn)行了封裝，這樣就給其它被動(dòng)對象提供了一個(gè)單線程的環(huán)境。在對A，B，C等各個(gè)被動(dòng)對象進(jìn)行算法設(shè)計(jì)時(shí)，只需要考慮基本的業(yè)務(wù)邏輯，而不需要考慮系統(tǒng)的并發(fā)性問題，有效地降低了系統(tǒng)的耦合性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的模塊化。

3 具體實(shí)現(xiàn)

圖4給出基于主動(dòng)對象模型車次追蹤模塊的主框架結(jié)構(gòu)。其中主要包含4個(gè)部分：接口，隊(duì)列，線程以及處理。

圖4 車次追蹤主框架結(jié)構(gòu)

3.1 接口部分

接口部分將所有輸入輸出進(jìn)行封裝，其中CallIn供其它系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，將表示信息，計(jì)劃信息等輸入到車次追蹤系統(tǒng)，CallIn的處理就是將這些調(diào)用以消息的形式存放到消息隊(duì)列中。

CallOut封裝了車次追蹤模塊的輸出部分，外界系統(tǒng)通過重載CallOut方法，從而實(shí)現(xiàn)對車次號和報(bào)點(diǎn)等信息的獲取。

3.2 隊(duì)列部分

隊(duì)列部分完成主動(dòng)對象模型中的郵箱功能。所有外界的信息要傳遞到車次追蹤系統(tǒng)，均需要以消息形式壓入隊(duì)列。同時(shí)，封裝線程部分對隊(duì)列進(jìn)行不間斷監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)隊(duì)列中有數(shù)據(jù)，將以先進(jìn)現(xiàn)出的方式從中取出。

由于隊(duì)列部分同時(shí)要被外部線程和模塊內(nèi)部線程訪問，因此，在隊(duì)列訪問時(shí)設(shè)置同步機(jī)制。

3.3 線程部分

系統(tǒng)通過將操作系統(tǒng)提供的線程進(jìn)行封裝，從而形成只在車次追蹤模塊內(nèi)部運(yùn)行的線程，當(dāng)對象生成時(shí)，生成并啟動(dòng)線程，當(dāng)對象消亡時(shí)，終止并結(jié)束線程。

系統(tǒng)線程在對象生存期不間斷地運(yùn)轉(zhuǎn)，給車次追蹤的業(yè)務(wù)邏輯處理對象提供運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)從消息隊(duì)列中獲取消息，并將這些消息分發(fā)給實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行具體處理。

3.4 處理部分

處理部分是車次追蹤算法的核心，包含大量站場相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和處理類。這些處理類由封裝線程進(jìn)行調(diào)用，對接收到的表示信息、無線車次號信息以及計(jì)劃信息等進(jìn)行綜合分析，運(yùn)算得出列車車次號位置信息以及報(bào)點(diǎn)等信息，將這些信息通過CallBack函數(shù)回調(diào)輸出。

4 結(jié)束語

本文引入主動(dòng)對象模型，將車次追蹤的具體實(shí)現(xiàn)與并發(fā)處理分開，允許在進(jìn)行算法設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮系統(tǒng)的并行性，有效地降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性特征的情況下，保證了系統(tǒng)的獨(dú)立性和模塊化。

[1] 朱冰，梅宏，楊芙清. 基于事件驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)對象模型[J] . 軟件學(xué)報(bào)，1996（3）.

[2] F.Buschmann, K.Henney, D.C.Schmidt. Patten-Oriented Software Architecture, Volume 4: A Pattern Language for Distributed Computing[M] . John Wiley & Sons, 2007: 365-367.