摘 要：随着软件任务的不断增多，传统的软件设计开发和维护模式已无法满足日益增长的任务要求，亟待进一步提高软件的复用程度。针对惯导系统软件接口设计，提出了一种基于适配器模式的惯导软件设计方法。该方法采用动多态适配器和静多态适配器技术，提高了软件开发效率，接口的定义灵活可靠，解决了软件开发过程中面临的可扩展性差、可重用性差、难于维护等问题。
关键词：适配器设计模式；惯导软件
0 引言
软件业的发展不仅要求软件有更高的生产率和可靠性，而且对软件的可重用性和可维护性也提出了更高的要求。设计模式主要用于解决软件开发过程中重复发生的问题，每一个设计模式都可以被应用于任何系统，因为它集中于一个特定的面向对象设计问题或设计要点，描述了什么时候使用它，以及使用的效果和如何取舍等，是软件设计过程中的设计经验。
设计模式主要分3个类型：结构型(Structural)，创建型(Creational)和行为型(Behavioral)。其中，结构型模式主要用于如何组合已有的类和对象而获得的结构，一般借鉴封装、代理、多继承等概念，将一个或多个类或对象进行封装以提供统一的外部视图或新的功能。常见的有适配器模式(Adapter)、合式模式(Composite)、桥接模式(Bridge)、装饰模式(Decorator)等。
相对于其他模式，适配器模式主要是为了解决2个已有接口之间不匹配的问题。该模式不考虑这些接口是怎样实现的，也不考虑各自可能会如何演化，从而不需要对2个独立设计的类中的任意一个进行重新设计，就能够使它们协同工作。
适配器模式将一个接口转换成另外的接口，使原本因为接口不兼容而不能一起工作的接口实现在一起工作。适配器模式分为类适配器和对象适配器两种方式，其中类适配器使用多重继承对一个接口和另一个接口进行匹配，如图1所示；对象适配器依赖于对象组合，如图2所示。
图1 类适配器说明
Fig.1 Class adapter illustration
图2 对象适配器说明
Fig.2 Object adapter illustration
图1、图2中，Target为定义Client使用的与特定领域相关的接口，是已发布的接口；Client使用已发布接口的部件与Target接口的对象协同；Adaptee为定义一个已经存在的接口新增加的功能，这个接口需要适配，Adapter对Adaptee的接口与Target接口进行适配。Client在Adapter实例上调用一些操作，接着适配器调用Adaptee的操作实现这个请求。
1 问题描述
以典型的捷联惯导系统为例，惯导系统软件典型外部接口如图3所示。惯导系统与陀螺、控制电路、卫星接收机、测试设备的通信接口为RS-422接口、惯导系统与制导计算机的接口为1553B接口，惯导系统与温度传感器的接口为I/O接口。惯导系统软件如何设计通用接口以满足外部接口的多样性，是惯导系统软件设计亟待解决的问题。
图3 惯导系统软件外部接口示意图
Fig.3 Schematic diagram of inertial navigation software external interface
在面向对象技术中，对象通过接口与外部交流，对象接口与其功能实现是分离的，不同对象可以对请求做不同的实现，相同的接口也可以有完全不同的实现。由于惯导系统软件的接口类型较多，硬件设备提供的设备驱动软件接口定义不一致，因此，使用适配器模式适配各种驱动接口，可以隔离硬件驱动的内部变化，使惯导系统软件具备可靠的移植能力，高效的复用性及可扩展性。
2 基于适配器模式的惯导软件设计实例
2.1 适配器设计模式下的惯导软件设计实现
当前惯导系统导航计算机在硬件接口层中，多数项目将相关的硬件协议及软件协议层等通过相关的FPGA进行实现，即已经具备相应的各类硬件接口的实现。惯导系统软件只需要完成数据的交互及状态判断等设计。经过分析，只需对软件数据交互接口进行相关分析及设计，其中包括I/O接口、内存接口等数据交互。因此通过使用适配器模式设计通用接口适配相应的各类硬件接口，从而完成接口的设计与实现。
下面以实例形式分别实现适配器模式中的类适配器和对象适配器。其中，通过继承和虚函数(动多态，dynamic polymorphism)来实现类适配器。通过模板的泛型标记，可关联不同的特定行为(静多态，static polymorphism)来实现对象适配器。通过比较说明和分析实现各自的特点，并提出组合实现方案。
2.1.1 类适配器的动多态实现
类适配器的设计思想是对几个相关对象的类型，确定相关的共同功能集，然后在基类中，把这些共同的功能声明为多个虚函数接口。该方法的特点是能够处理异类集合，可执行代码大小相对较小。类适配器的动多态说明图如图4所示。
图4 类适配器的动多态说明
Fig.4 Dynamic polymorphic illustration of Class adapter
系统接口动多态设计示意图如图5所示。
图5 系统接口动多态设计示意图
Fig.5 Sketch map of system interface dynamic polymorphic design
2.1.2 对象适配器的静多态实现
模板用于实现多态时，相关函数必须具有相同的名称。虽然不能透明地处理异类集合，但能够在性能和类型安全方面带来显著的好处。该方法的特点是容易实现内建类型的集合，可不需要公共基类来表达接口的共同性，生成的代码效率比较高；可以只提供部分接口的具体实现，不必提供全面的接口实现。
对象适配器的静多态说明图如图6所示。
图6 对象适配器的静多态说明
Fig.6 Dynamic polymorphic illustration of object adapter
系统接口静多态设计示意图如图7所示。
2.1.3 组合这两种实现方式
通过上面两种多态实现接口的方法，可以看出动多态是绑定并且动态的，静多态则是非绑定并且静态的。将这两种方法组合起来可以发挥各自特点。图8所示为代码实例。
图7 系统接口静多态设计示意图
Fig.7 Sketch map of system interface static polymorphic design
图8 系统接口静多态设计示意图
Fig.8 Sketch map of system interface static polymorphic design
两种方法的组合依赖于奇异的递归模板模式(Curiously Recurring Template Pattern, CRTP)，该模式代表类实现技术中一种通用模式，即派生类将本身作为模板参数传递给基类。这样可以从公共基类派生出不同种类的接口类，从而可以处理属于异类集合的不同接口对象，同时仍然可以使用模板编写针对某种接口对象的代码。
通过上述实例可见，适配器将一个类的接口转换成用户希望的另外一个接口，使得原本接口不兼容的几个类能一起工作，从而提高了软件的扩展性和通用性。
2.2 效果分析
原来用过程语言实现的接口主要是使用低层次的驱动代码，接口复杂不统一，无法有效复用，但这种设计能够有效保证接口的效率。通过上述惯导软件设计实例可以看出，按照设计模式中适配器模式进行设计和实现接口，可以有效降低数据交互的复杂性，提高代码编写的效率，保证了接口设计简单，层次清晰，接口灵活可靠，并且可以复用。
当惯导系统的硬件执行速度较快时，可以考虑使用动多态类适配器的方法，实现接口标准化，可扩展性强。如果惯导系统的硬件内存空间较大时，可以通过静多态对象适配器的实现方法，提高软件运行速度，接口的定义灵活可靠。当分析惯导系统硬件及系统要求可以接受的环境下，结合这两种接口特点组合进行运用，可以充分发挥类适配器与对象适配器的优点，保证软件设计可靠性及软件设计的可复用性。
适配器模式具有很好的复用性和可扩展性。如果功能是已经存在的，只是接口不兼容，那么通过适配器模式可以让这些功能得到更好的复用。在实现适配器功能的时候，可以调用自己开发的功能，从而自然的扩展系统的功能。
3 结论
本文设计了一种基于适配器模式的惯导软件设计方法，适配器模式虽然是一个很常用，也比较简单的模式，但通过适配器模式能够从接口的角度来考虑设计问题，集中体现了面向对象设计的原则之一：针对接口编程，而不是针对实现编程。同时适配器模式也是对“开-闭”原则(即对扩展的开发，对修改的关闭)的具体实现。利用动多态适配器和静多态适配器技术提高了软件运行速度，并提高了软件的可扩展性、可重用性以及维护性。
