嵌入式軟件設(shè)計(jì)模式手冊(cè)嵌入式軟件設(shè)計(jì)模式手冊(cè)

一、概述

嵌入式軟件設(shè)計(jì)模式是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題的解決方案，旨在提高代碼的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和可靠性。本手冊(cè)將介紹幾種常用的嵌入式軟件設(shè)計(jì)模式，并提供實(shí)際應(yīng)用指導(dǎo)。

嵌入式系統(tǒng)通常具有資源受限、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)模式的選擇和應(yīng)用尤為重要。通過(guò)合理運(yùn)用設(shè)計(jì)模式，可以有效解決資源分配、任務(wù)調(diào)度、模塊間通信等問(wèn)題。

二、常用設(shè)計(jì)模式

（一）單例模式

單例模式確保一個(gè)類(lèi)只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)全局訪問(wèn)點(diǎn)。

(1)應(yīng)用場(chǎng)景

-系統(tǒng)配置管理

-設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理

-資源池管理

(2)實(shí)現(xiàn)步驟

1.將構(gòu)造函數(shù)聲明為私有，防止外部直接創(chuàng)建實(shí)例

2.創(chuàng)建一個(gè)靜態(tài)方法，用于返回唯一實(shí)例

3.在靜態(tài)方法中實(shí)現(xiàn)實(shí)例的懶加載

(3)示例代碼

typedefstruct{

//靜態(tài)變量存儲(chǔ)實(shí)例

statictypeof(this)instance;

//其他成員變量

intvalue;

}MyClass;

MyClassMyClass::instance=NULL;

MyClassMyClass::getInstance(){

if(instance==NULL){

instance=newMyClass();

}

returninstance;

}

（二）觀察者模式

觀察者模式定義了對(duì)象間的一對(duì)多依賴(lài)關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象狀態(tài)改變時(shí)，所有依賴(lài)它的對(duì)象都會(huì)收到通知并自動(dòng)更新。

(1)應(yīng)用場(chǎng)景

-事件處理系統(tǒng)

-數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用

-設(shè)備狀態(tài)通知

(2)實(shí)現(xiàn)步驟

1.創(chuàng)建主題（Subject）接口，包含注冊(cè)、移除、通知觀察者等方法

2.創(chuàng)建觀察者（Observer）接口，包含更新方法

3.主題存儲(chǔ)觀察者列表，實(shí)現(xiàn)通知機(jī)制

(3)示例代碼

//觀察者接口

typedefvoid(ObserverCallback)(voidcontext);

//觀察者結(jié)構(gòu)

typedefstruct{

ObserverCallbackcallback;

voidcontext;

}Observer;

//主題接口

typedefstruct{

Observerobservers;

intobserver_count;

voidcontext;

}Subject;

voidSubjectRegister(Subjectsubject,Observerobserver){

//注冊(cè)觀察者

}

voidSubjectNotify(Subjectsubject){

//通知所有觀察者

}

（三）工廠模式

工廠模式定義一個(gè)創(chuàng)建對(duì)象的接口，讓子類(lèi)決定實(shí)例化哪一個(gè)類(lèi)。

(1)應(yīng)用場(chǎng)景

-設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理

-數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

-資源對(duì)象創(chuàng)建

(2)實(shí)現(xiàn)步驟

1.創(chuàng)建產(chǎn)品（Product）接口或抽象類(lèi)

2.創(chuàng)建具體產(chǎn)品類(lèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品接口

3.創(chuàng)建工廠（Factory）類(lèi)，包含創(chuàng)建產(chǎn)品的靜態(tài)方法

(3)示例代碼

//產(chǎn)品接口

typedefstruct{

void(initialize)(void);

void(terminate)(void);

}Product;

//具體產(chǎn)品

typedefstruct{

Productbase;

//其他成員

}ConcreteProduct;

//工廠方法

ProductCreateProduct(){

ConcreteProductproduct=newConcreteProduct();

product->base.initialize=ConcreteProductInitialize;

product->base.terminate=ConcreteProductTerminate;

return&product->base;

}

voidConcreteProductInitialize(){

//初始化代碼

}

（四）適配器模式

適配器模式將一個(gè)類(lèi)的接口轉(zhuǎn)換成客戶(hù)希望的另一個(gè)接口。

(1)應(yīng)用場(chǎng)景

-老舊設(shè)備接口兼容

-第三方庫(kù)集成

-數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

(2)實(shí)現(xiàn)步驟

1.創(chuàng)建目標(biāo)（Target）接口

2.創(chuàng)建適配器（Adapter）類(lèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)接口

3.適配器內(nèi)部包含被適配（Adaptee）對(duì)象，實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換

(3)示例代碼

//目標(biāo)接口

typedefstruct{

void(operation)(void);

}Target;

//被適配類(lèi)

typedefstruct{

void(specificOperation)(void);

}Adaptee;

//適配器

typedefstruct{

Targettarget;

Adapteeadaptee;

}Adapter;

voidAdapterOperation(){

//調(diào)用被適配類(lèi)方法

adaptee.specificOperation();

}

三、設(shè)計(jì)模式應(yīng)用建議

（一）選擇合適的設(shè)計(jì)模式

根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇最合適的設(shè)計(jì)模式，避免過(guò)度設(shè)計(jì)。例如：

-對(duì)于需要全局訪問(wèn)的對(duì)象，單例模式是最佳選擇

-對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，觀察者模式更為合適

-當(dāng)需要整合不同接口時(shí)，適配器模式更為有效

（二）保持模式簡(jiǎn)潔

嵌入式系統(tǒng)資源有限，設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)潔，避免增加不必要的開(kāi)銷(xiāo)。例如：

-單例模式應(yīng)使用懶加載方式

-觀察者模式的通知機(jī)制應(yīng)高效

-工廠方法應(yīng)避免復(fù)雜的創(chuàng)建邏輯

（三）文檔化設(shè)計(jì)決策

對(duì)所有設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用進(jìn)行文檔化，記錄設(shè)計(jì)理由和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，便于后續(xù)維護(hù)。建議包括：

-模式應(yīng)用場(chǎng)景描述

-類(lèi)圖關(guān)系說(shuō)明

-關(guān)鍵代碼解釋

-性能分析數(shù)據(jù)

（四）測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)所有設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用進(jìn)行充分測(cè)試，確保其滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。測(cè)試內(nèi)容應(yīng)包括：

-功能測(cè)試

-性能測(cè)試

-資源占用測(cè)試

-實(shí)時(shí)性測(cè)試

三、設(shè)計(jì)模式應(yīng)用建議（續(xù)）

（五）模式組合使用

在實(shí)際項(xiàng)目中，單一設(shè)計(jì)模式往往無(wú)法完全解決問(wèn)題，需要將多個(gè)設(shè)計(jì)模式組合使用。例如：

1.單例模式+工廠模式：系統(tǒng)中的核心資源管理器（如內(nèi)存池）使用單例模式確保全局唯一，而資源對(duì)象的創(chuàng)建通過(guò)工廠模式進(jìn)行管理。

-步驟：

(1)定義資源管理器單例類(lèi)，包含資源池?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

(2)在單例類(lèi)中實(shí)現(xiàn)工廠方法，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理資源對(duì)象。

(3)提供全局訪問(wèn)點(diǎn)獲取單例實(shí)例，通過(guò)工廠方法創(chuàng)建資源。

2.觀察者模式+適配器模式：當(dāng)系統(tǒng)需要監(jiān)控外部設(shè)備狀態(tài)，并將狀態(tài)變化通知到系統(tǒng)內(nèi)部模塊時(shí)，可以組合使用這兩種模式。

-步驟：

(1)定義設(shè)備狀態(tài)通知接口（目標(biāo)接口）。

(2)外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)該接口（適配器）。

(3)系統(tǒng)內(nèi)部模塊作為觀察者注冊(cè)到通知接口。

(4)設(shè)備狀態(tài)變化時(shí)，通過(guò)通知接口觸發(fā)觀察者更新。

（六）考慮實(shí)時(shí)性要求

嵌入式系統(tǒng)通常具有實(shí)時(shí)性要求，設(shè)計(jì)模式的選擇和應(yīng)用需要考慮實(shí)時(shí)性因素：

1.最小化上下文切換：避免頻繁的觀察者通知導(dǎo)致上下文切換，可以采用批處理通知方式。

-方法：

(1)觀察者注冊(cè)時(shí)指定優(yōu)先級(jí)。

(2)主題按優(yōu)先級(jí)合并通知事件。

(3)觀察者接收合并后的事件序列。

2.預(yù)分配資源：對(duì)于需要?jiǎng)討B(tài)創(chuàng)建的對(duì)象，應(yīng)預(yù)先分配資源并緩存，避免運(yùn)行時(shí)分配導(dǎo)致延遲。

-步驟：

(1)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載估算對(duì)象數(shù)量。

(2)在系統(tǒng)初始化時(shí)預(yù)創(chuàng)建對(duì)象并存儲(chǔ)到對(duì)象池。

(3)需要時(shí)從對(duì)象池獲取，使用完畢后返回池中。

（七）設(shè)計(jì)模式的權(quán)衡

每種設(shè)計(jì)模式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)需要權(quán)衡：

1.單例模式的權(quán)衡：

-優(yōu)點(diǎn)：確保全局唯一訪問(wèn)點(diǎn)，方便資源管理。

-缺點(diǎn)：可能導(dǎo)致資源競(jìng)爭(zhēng)，不適合多線程環(huán)境。

-解決方案：使用線程安全的單例實(shí)現(xiàn)，如雙重檢查鎖定。

2.觀察者模式的權(quán)衡：

-優(yōu)點(diǎn)：解耦主題和觀察者，易于擴(kuò)展。

-缺點(diǎn)：可能導(dǎo)致事件風(fēng)暴，需要合理控制通知范圍。

-解決方案：實(shí)現(xiàn)事件過(guò)濾機(jī)制，限制通知的觀察者數(shù)量。

（八）嵌入式特定考慮

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要考慮硬件資源限制，設(shè)計(jì)模式應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意：

1.內(nèi)存管理：

-使用對(duì)象池模式管理內(nèi)存分配，減少內(nèi)存碎片。

-避免動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，優(yōu)先使用靜態(tài)分配。

2.功耗管理：

-對(duì)于低功耗設(shè)備，觀察者模式應(yīng)實(shí)現(xiàn)休眠機(jī)制。

-使用事件觸發(fā)而非輪詢(xún)方式。

3.硬件交互：

-設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常使用適配器模式與不同硬件交互。

-驅(qū)動(dòng)程序接口應(yīng)封裝硬件細(xì)節(jié)，提供統(tǒng)一的操作接口。

（九）最佳實(shí)踐清單

1.初始化階段：

-單例對(duì)象應(yīng)在系統(tǒng)初始化時(shí)創(chuàng)建和配置

-工廠方法應(yīng)預(yù)先創(chuàng)建常用對(duì)象實(shí)例

-觀察者應(yīng)注冊(cè)到主題前完成初始化

2.運(yùn)行時(shí)管理：

-資源對(duì)象應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)釋放機(jī)制

-事件通知應(yīng)支持中斷處理

-狀態(tài)變化應(yīng)提供原子操作接口

3.維護(hù)階段：

-設(shè)計(jì)模式應(yīng)用應(yīng)有文檔記錄

-類(lèi)圖應(yīng)清晰展示模式關(guān)系

-代碼應(yīng)添加模式相關(guān)的注釋

4.性能優(yōu)化：

-避免不必要的模式嵌套

-優(yōu)化模式實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵路徑

-使用分析工具評(píng)估模式開(kāi)銷(xiāo)

嵌入式軟件設(shè)計(jì)模式手冊(cè)

一、概述

嵌入式軟件設(shè)計(jì)模式是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題的解決方案，旨在提高代碼的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和可靠性。本手冊(cè)將介紹幾種常用的嵌入式軟件設(shè)計(jì)模式，并提供實(shí)際應(yīng)用指導(dǎo)。

嵌入式系統(tǒng)通常具有資源受限、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)模式的選擇和應(yīng)用尤為重要。通過(guò)合理運(yùn)用設(shè)計(jì)模式，可以有效解決資源分配、任務(wù)調(diào)度、模塊間通信等問(wèn)題。

二、常用設(shè)計(jì)模式

（一）單例模式

單例模式確保一個(gè)類(lèi)只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)全局訪問(wèn)點(diǎn)。

(1)應(yīng)用場(chǎng)景

-系統(tǒng)配置管理

-設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理

-資源池管理

(2)實(shí)現(xiàn)步驟

1.將構(gòu)造函數(shù)聲明為私有，防止外部直接創(chuàng)建實(shí)例

2.創(chuàng)建一個(gè)靜態(tài)方法，用于返回唯一實(shí)例

3.在靜態(tài)方法中實(shí)現(xiàn)實(shí)例的懶加載

(3)示例代碼

typedefstruct{

//靜態(tài)變量存儲(chǔ)實(shí)例

statictypeof(this)instance;

//其他成員變量

intvalue;

}MyClass;

MyClassMyClass::instance=NULL;

MyClassMyClass::getInstance(){

if(instance==NULL){

instance=newMyClass();

}

returninstance;

}

（二）觀察者模式

觀察者模式定義了對(duì)象間的一對(duì)多依賴(lài)關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象狀態(tài)改變時(shí)，所有依賴(lài)它的對(duì)象都會(huì)收到通知并自動(dòng)更新。

(1)應(yīng)用場(chǎng)景

-事件處理系統(tǒng)

-數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用

-設(shè)備狀態(tài)通知

(2)實(shí)現(xiàn)步驟

1.創(chuàng)建主題（Subject）接口，包含注冊(cè)、移除、通知觀察者等方法

2.創(chuàng)建觀察者（Observer）接口，包含更新方法

3.主題存儲(chǔ)觀察者列表，實(shí)現(xiàn)通知機(jī)制

(3)示例代碼

//觀察者接口

typedefvoid(ObserverCallback)(voidcontext);

//觀察者結(jié)構(gòu)

typedefstruct{

ObserverCallbackcallback;

voidcontext;

}Observer;

//主題接口

typedefstruct{

Observerobservers;

intobserver_count;

voidcontext;

}Subject;

voidSubjectRegister(Subjectsubject,Observerobserver){

//注冊(cè)觀察者

}

voidSubjectNotify(Subjectsubject){

//通知所有觀察者

}

（三）工廠模式

工廠模式定義一個(gè)創(chuàng)建對(duì)象的接口，讓子類(lèi)決定實(shí)例化哪一個(gè)類(lèi)。

(1)應(yīng)用場(chǎng)景

-設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理

-數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

-資源對(duì)象創(chuàng)建

(2)實(shí)現(xiàn)步驟

1.創(chuàng)建產(chǎn)品（Product）接口或抽象類(lèi)

2.創(chuàng)建具體產(chǎn)品類(lèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品接口

3.創(chuàng)建工廠（Factory）類(lèi)，包含創(chuàng)建產(chǎn)品的靜態(tài)方法

(3)示例代碼

//產(chǎn)品接口

typedefstruct{

void(initialize)(void);

void(terminate)(void);

}Product;

//具體產(chǎn)品

typedefstruct{

Productbase;

//其他成員

}ConcreteProduct;

//工廠方法

ProductCreateProduct(){

ConcreteProductproduct=newConcreteProduct();

product->base.initialize=ConcreteProductInitialize;

product->base.terminate=ConcreteProductTerminate;

return&product->base;

}

voidConcreteProductInitialize(){

//初始化代碼

}

（四）適配器模式

適配器模式將一個(gè)類(lèi)的接口轉(zhuǎn)換成客戶(hù)希望的另一個(gè)接口。

(1)應(yīng)用場(chǎng)景

-老舊設(shè)備接口兼容

-第三方庫(kù)集成

-數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

(2)實(shí)現(xiàn)步驟

1.創(chuàng)建目標(biāo)（Target）接口

2.創(chuàng)建適配器（Adapter）類(lèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)接口

3.適配器內(nèi)部包含被適配（Adaptee）對(duì)象，實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換

(3)示例代碼

//目標(biāo)接口

typedefstruct{

void(operation)(void);

}Target;

//被適配類(lèi)

typedefstruct{

void(specificOperation)(void);

}Adaptee;

//適配器

typedefstruct{

Targettarget;

Adapteeadaptee;

}Adapter;

voidAdapterOperation(){

//調(diào)用被適配類(lèi)方法

adaptee.specificOperation();

}

三、設(shè)計(jì)模式應(yīng)用建議

（一）選擇合適的設(shè)計(jì)模式

根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇最合適的設(shè)計(jì)模式，避免過(guò)度設(shè)計(jì)。例如：

-對(duì)于需要全局訪問(wèn)的對(duì)象，單例模式是最佳選擇

-對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，觀察者模式更為合適

-當(dāng)需要整合不同接口時(shí)，適配器模式更為有效

（二）保持模式簡(jiǎn)潔

嵌入式系統(tǒng)資源有限，設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)潔，避免增加不必要的開(kāi)銷(xiāo)。例如：

-單例模式應(yīng)使用懶加載方式

-觀察者模式的通知機(jī)制應(yīng)高效

-工廠方法應(yīng)避免復(fù)雜的創(chuàng)建邏輯

（三）文檔化設(shè)計(jì)決策

對(duì)所有設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用進(jìn)行文檔化，記錄設(shè)計(jì)理由和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，便于后續(xù)維護(hù)。建議包括：

-模式應(yīng)用場(chǎng)景描述

-類(lèi)圖關(guān)系說(shuō)明

-關(guān)鍵代碼解釋

-性能分析數(shù)據(jù)

（四）測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)所有設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用進(jìn)行充分測(cè)試，確保其滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。測(cè)試內(nèi)容應(yīng)包括：

-功能測(cè)試

-性能測(cè)試

-資源占用測(cè)試

-實(shí)時(shí)性測(cè)試

三、設(shè)計(jì)模式應(yīng)用建議（續(xù)）

（五）模式組合使用

在實(shí)際項(xiàng)目中，單一設(shè)計(jì)模式往往無(wú)法完全解決問(wèn)題，需要將多個(gè)設(shè)計(jì)模式組合使用。例如：

1.單例模式+工廠模式：系統(tǒng)中的核心資源管理器（如內(nèi)存池）使用單例模式確保全局唯一，而資源對(duì)象的創(chuàng)建通過(guò)工廠模式進(jìn)行管理。

-步驟：

(1)定義資源管理器單例類(lèi)，包含資源池?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

(2)在單例類(lèi)中實(shí)現(xiàn)工廠方法，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理資源對(duì)象。

(3)提供全局訪問(wèn)點(diǎn)獲取單例實(shí)例，通過(guò)工廠方法創(chuàng)建資源。

2.觀察者模式+適配器模式：當(dāng)系統(tǒng)需要監(jiān)控外部設(shè)備狀態(tài)，并將狀態(tài)變化通知到系統(tǒng)內(nèi)部模塊時(shí)，可以組合使用這兩種模式。

-步驟：

(1)定義設(shè)備狀態(tài)通知接口（目標(biāo)接口）。

(2)外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)該接口（適配器）。

(3)系統(tǒng)內(nèi)部模塊作為觀察者注冊(cè)到通知接口。

(4)設(shè)備狀態(tài)變化時(shí)，通過(guò)通知接口觸發(fā)觀察者更新。

（六）考慮實(shí)時(shí)性要求

嵌入式系統(tǒng)通常具有實(shí)時(shí)性要求，設(shè)計(jì)模式的選擇和應(yīng)用需要考慮實(shí)時(shí)性因素：

1.最小化上下文切換：避免頻繁的觀察者通知導(dǎo)致上下文切換，可以采用批處理通知方式。

-方法：

(1)觀察者注冊(cè)時(shí)指定優(yōu)先級(jí)。

(2)主題按優(yōu)先級(jí)合并通知事件。

(3)觀察者接