.NET初学者架构设计指南（三）设计模式
在上一篇里面，我们初步了解了OO设计，OO设计的最独特之处在于他看待需求的方式。用这样的方式，我们不需要急于确定软件需要实现哪些流程、设计哪些功能点、制作哪些画面，而是要关注需求中一些更加基本的概念。首先根据这些概念开发出一些零件，然后把这些零件组装起来实现需要的功能。用这样的方式，我们不需要一开始就去知道所有的业务需求，只需要知道一些比较重要的需求，就可以开始开发了。这样开发出来的程序不仅可以实现当前的需要，同时也是一个业务开发的平台，在这个平台上可以不断的开发新的功能。
这种设计思想有很多实际的例子，比如Microsoft Office。下面的图就展示了Excel里面最基本的几个对象：
Excel的各项功能都是建立在这个对象模型基础上的。比如要实现设置字体的功能，就可以这样编写：先打开一个字体对话框，使用者选择字型、字号，然后把这个字体设置到区域上：
Application.ActiveWorkbook.ActiveSheet.Range("A1").Font = font;
Excel还把这些对象的引用暴露给了脚本引擎，于是我们就可以使用VBA调用他们，实现我们自己想要的各种功能，这就是Office宏。我们可以编写一段VB脚本，把鼠标选中区域的单元格复制到另一个工作表中，然后把某一个的单元格的值赋值为一个公式，计算出我们需要的数值。Excel不仅本身是一个好用的制表工具，他更是一个强大、易用的开发平台。使用者可以随时根据自己的想法，开发出需要的功能。一些大型的软件系统都是具有这样的特点，一开始就明确所有的功能需求是不可能的，重要的是形成一个业务开发的平台，提供一些业务编程接口，在这个平台上就可以不断的开发出新的功能。这样的开发方式不使用OO设计是很难实现的。
软件的第一个维护者和第一个使用者就是开发者本人，因此，开发迅速、功能灵活、维护简单——这些特点在精心设计的软件中经常是同时具有的。
运用OO方法设计程序的时候会遇到的这样困难：我们从需求中发现了一些模糊的概念，但是怎样才能根据这些概念建立合理的对象模型呢，到底哪些概念应该是一个类，哪些概念只应该是一个方法和属性，这些类之间应该是什么样的关系？要解决这个问题，最根本的途径当然是尽量深入的了解需求（比如说翻翻会计原理，看看应收款未收和已收的时候应该如何记账，其中一个记账原则也许就是一个重要的对象；协助用户做一个供电方案，随手画出的草图，或者某个计算公式就是一个重要的对象）。在解决了一个个困难之后，有人总结了经验，形成了一些解决特定问题的固定套路，这样的套路就是设计模式。
有些设计模式和OO没有什么必然的关系，比如层次模式，消息模式。但是大部分设计模式都是在OO设计中形成的，这些模式可以帮助我们发现系统中的对象、设计对象之间的关系。了解这些模式可以帮助我们把软件设计的更加合理。并且，在探索需求的过程中，我们也可以从模式中得到一些启发，获得设计的灵感，发现需求的真实面貌。
在上一篇我们看见了“费用”这个类型：Fee，其实这就是一个简单的设计模式：组合模式（Composite）。这个类的结构如下：
Fee类型是他本身的一个聚合，可以使用GetChildren方法得到某个费用包含的其他费用。如果一个费用没有包含其他费用，他的金额就是由他自己确定的，否则就是由他包含的费用相加确定的，这两种情况对外界提供的都是相同的方法：GetValue。这样，我们想显示一个账单费用的时候，不用再去判断他是否包含了其他的费用，调用起来就简单了很多。组合模式很好的体现了账单费用的层次包含关系。
刚才的情况里面，聚合类和元素类都是同样的类型。也有些情况他们分别属于不同的类型。比如一个企业，他的营销网络是由下面一些元素组成的：公司，市场部，直销店，代理商，自由代理人，营业员。如同下面的情况：
公司按照行政区域建立了多个市场部，市场部建立了自己的直销店，同时也与很多代理商和独立代理人进行合作，直销店和代理商雇用了营业员。每天公司需要对每个销售网点的情况进行查询和分析，需要知道他们定下了多少订单、收了多少货款、发展了多少新的客户。
这是一个比较复杂的结构关系，网点类型比较多，他们的销售方式差异很大，各类数据统计的方式也不同。并且在统计一些数值的时候，需要把下属网点的数量加起来，再加上自身的数量。如果采用组合模式，就可以解决这种问题。
我们可以设计一个类，叫做销售单位（SaleUnit）。这个类是他本身的一个聚合，可以通过一个集合成员访问到他下属的单位。并且他的每一种下属单元也是SaleUnit的子类。各种销售网点统计数据的方式是不同的：有的数据保存在数据库表里面，经过一些统计运算可以得到；有的直接放在数据表的某个字段里面，直接查出来就可以了；还有的是每天发过来的一个Excel电子表格。对于每一种不同的销售网点，都可以使用一致的接口对他们进行访问，得到需要的数据。
组合模式可以很精确的反映销售网点间的聚合关系，并且对查询和统计提供了非常一致的接口，调用者不必区分具体的网点类型。类似这样的情况，当我们发现需求中一些对象具有聚合关系，并且我们希望对他们做一些共同的事情，就可以采用组合模式。
现在产生了一个严重的问题：是的，调用一个对象的确实没有必要去区分具体的网点类型了，但是他们是在哪里被创建的呢，创建的时候还是要区分网点的类型，复杂的代码只是从一个地方转移到另一个地方罢了，这样做有什么好处呢？为了解释这个疑问，下面会介绍另一个常见的模式：工厂模式（Factory）。
工厂模式用来彻底的断绝调用者和被调用的具体类型之间的关系，他使用一个工厂创建具体的类型，调用者从工厂中取得对象的实例。调用者既不需要知道对象是怎样被创建的，也不需要知道创建的是什么类型。下面通过一个例子说明一下工厂模式的用处。
这是一个电气设备监控系统，他的一个任务是从安装在各处的传感器上采集各种设备的运行数据，集中显示在监视器上。还可以在设备上定义告警条件，当采集到的数据满足告警条件的时候，向监控人员发出告警，监视器上显示告警标志。基本的情况是这样的：
一个设备上可以有多个信号，比如一个变压器，上面可以有电压、电流、冷却剂温度等各种信号，分别由不同的传感器采集。每个信号隔一段时间会采集到一个数据，有的数据是直接采集到的，另一些是根据多个信号的情况计算出来的（比如一个电网环路上有n个节点，我们已经知道了其中n-1个节点的电压，就可以计算出最后一个节点的电压），还有的数据是一个推测值（需要根据一些经验数据进行推测）。传感器采集到信号数据以后，程序要判断这个数据的值，有时还要结合其他的信号，判断是否满足告警的条件，发出告警。
数据采集是一项十分复杂的工作，需要监控的设备种类繁多，数据意义复杂，传感器的通信方式也不相同。好在用户已经建设了了一个综合采集系统，解决了设备的实时数据采集工作。综合采集系统与各种传感器进行通信，将采集到的实时数据不断的输入到一个数据表里面。下面就是这个表里面的一些数据：
有了这么一个系统，直接采集数据的问题算是解决了。但是不同的信号类型对这个数据的解释仍然是不同的，我们仍然要应付这个问题。粗略的划分一下，有下面三种信号：
1、模拟信号：从综合采集系统里面查到实时数据，然后加上一个单位（比如伏特、安培），就可以显示了；
2、状态信号：需要定义一个状态描述。比如一个开关，采集数据高于0的时候就是闭合，等于0的时候就是断开；
3、推测信号：一些信号的数据从综合采集系统里面是无法得到的，必须通过公式计算出来。计算出来数值之后，加上一个单位显示出来。
我们可以把信号的定义存储在数据库里面，数据如下：
TYPE字段表示这个信号的类型：A是模拟信号，S是状态信号，P是推测信号。根据这个字段建立对应的信号实例，不同类型信号的数据处理就由对应的子类去负责。模拟信号会把采集到的数据加上单位（UNIT）显示出来；状态信号会把采集到的数据根据状态描述（STATE_DESCRIPTION）的定义显示出来；推测信号会按照推测公式（PRESUME_FORMULE）的定义去计算信号的值，然后加上单位（UNIT）显示出来。
我们可以在设备中处理Signal子类的创建，这样也不是不可以。但是，如果我们采用一个工厂，由他来负责Signal对象的建立，这样就完全隔离了设备和信号的每个子类的关系。设备在调用信号对象的时候，完全不需要知道这个实例是属于哪个类型。工厂的代码如下：
{
public static Signal CreateSignal(string dev, string sig)
{
//获取信号的定义
string sql =
"SELECT * FROM SIG WHERE DEV='" + dev + "' AND SIG='" + sig + "'";
//
查数据库表//判断需要创建的类型
Signal signal = null;
if (type == 'A')
{
signal = new AnalogSignal();
}
else if (type == 'S')
{
signal = new StateSignal();
}
else if (type == 'P')
{
signal = new PresumeSignal();
}
else
{
return null;
}
//设置Signal的配置参数
signal.SetUnit(unit);
signal.SetStateDescription(state_description);
signal.SetPresumeFormule(presume_formule)
return signal;
}
}
如果我们需要显示设备上的某个信号，这样就可以了：
string s = sig.GetDisplayString();
其实，我们还可以采用一些小手段，比如利用反射的方式，彻底的把Signal的各个子类与其他的代码隔离开，甚至连SignalFactory都不需要和子类产生联系。我们可以把信号配置的数据修改一下：
TYPE字段原先设计的是一个标志（A、S和P），现在直接记录类型的命名空间和名称。SignalFactory在创建实例的时候，直接查出TYPE字段的内容，然后按照这个类的名称，就可以用反射的方式创建需要的实例。这样，无论是Signal的创建者，还是调用者，都不需要知道他们创建和调用的实际类型是哪一个，各种信号的数据和显示处理完全是由Signal的每个子类负责，程序就很好的符合了开放闭合原则。假如以后出现了一些很独特的信号采集和计算方式，甚至不得不采用硬编码的方式去实现，也不会对其他代码造成不良影响影响，维护起来非常的方便。
我们利用一个工厂解决了信号数据采集的问题，并且为下一步可能发生的变化留下了扩展的可能。下面看看告警应该怎样处理。我们先简单的考虑一下告警的形成：首先是在设备上采集到最新的实时数据，然后按照某个规则去判断这些数据是不是符合了告警的条件。在符合条件的情况下，在设备上面产生告警。在大部分情况下，一个告警只和一个设备有关，但是也有这样的情况：某个告警条件需要同时判断多个设备上的多个信号。于是我们设计出下面这样的结构：
告警的定义保存在告警定义数据表里面，如下：
表里面的CONDITIONA字段表示告警条件，这是一个公式，判断的时候把信号的数值代入，然后判断公式条件是否得到满足。如果满足条件，就产生一个告警。
程序的运行时序是这样：设备对象得到自己所包含的信号上的实时数据，然后找到与自己相关的每一个告警对象，依次调用他们的Judge方法。Judge方法根据告警条件公式判断是否有告警存在，如果存在的话，就把相关设备的HasAlarm属性设置为True。就这样，程序的主要功能实现了。
下面是这个程序的一个客户端界面：
界面的左侧是一个树，表示设备的分类关系，每个叶子表示一个设备；当鼠标在树上点击一个设备，右侧的列表视图上显示这个设备上的信号和采集数据；如果设备上有告警，对应的树节点要标示一个显著的颜色，并且状态栏上要显示最近的告警。
要实现界面的刷新，最简单的方式莫过于在窗体上设置一个定时器，每隔一段时间检查一下所有设备的HasAlarm属性，发现有告警的设备，就把这个设备在树上的图标换掉，然后再把告警的内容显示在状态栏上。但是这样做有一个缺点，定时器的时间间隔无论怎样设置都是不合适的，时间太长了，可能会有一些告警要很久才能显示出来；时间太短的话，可能很多次刷新都没有告警，白白的消耗资源。这种刷新的机制是不合理的。要解决这个问题，可以采用观察模式（Observer）。一个对象需要等待另一个对象发出一个消息，然后再采取响应措施，等待消息的对象不需要知道消息如何发生、何时发生，发出消息的对象也不需要知道谁会关注这个消息、如何响应。这种情况就可以采用观察模式。
使用C#实现观察模式有一种非常简单的方法，那就是事件。我们可以在设备上定义一个事件：告警。当设备的HasAlarm属性被设置的时候，他会检查参数，如果发现参数为True，就发出告警事件。设备的代码片段如下：
{
public event System.EventHandler Alarm;//定义告警事件
public Device()
{
this.Alarm += new System.EventHandler(this.Device_Alarm);
}
public void SetHasAlarm(bool has)
{
if (has == true)
{
Alarm(this, null);//发出告警事件
}
}
private void Device_Alarm(object sender, EventArgs e)
{
}
}
当设备上产生告警的时候，设备对象会发出Alarm事件。界面上的树视图可以捕获这个事件，将对应的树节点图标设为红色；状态栏也可以捕获这个事件，把设备上的告警显示出来。比起定时轮循，这是一种更加合理高效的方式。
对象设计是不是合理，所参照的标准是这个设计是不是反映了业务需求的实际概念。要做到真实的反映业务需求，最根本的方法是要深刻的去理解需求，深入的探索业务人员的工作和思想，甚至去留意他们自己都无法用语言表达的思维环节。在一个涉及者众多的企业支撑系统中，这种情况很常见的。有经验的业务人员肯定会积累很多这样的思想，体现了这些思想的对象模型才是最优秀的。要让软件系统来帮助业务人员进行工作，也就必然无法回避这样的问题。合理的使用设计模式可以最大限度的降低系统的复杂程度，但是归根到底，复杂程度是由业务需求所决定的。当对象设计基本清晰之后，设计模式可以帮助设计人员更好的处理对象之间的复杂关系，建立一个更加简单、稳定的对象模型。同时，设计人员也可以从设计模式中得到启发，去发现一些原本没有留意的细节。
