软件工程思想-第22部分

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　　为了编辑真实感属性，常需在对话框中绘制3D　图形。Microsoft的窗口系统不提供3D的对话窗口。使用Intra3D的Window3D构件可在对话框中创建多个3D视图，图5。11的材质对话和图5。12的材质库对话都使用了Window3D构件。颜色编辑是3D图形程序中最常用的交互，材质与光源的编辑实际上是通过改变颜色分量来实现的。需要进行颜色编辑的交互均涉及HSV与RGB模式的颜色转换。Intra3D的“绘制与交互层”实现了这些计算，并且提供彩色的滑动条用于鼠标交互。图5。13、图5。14分别为点光源对话和颜色对话。
　　图5。10　　用于直接操作的三维交互工具条
　　　　　　　　　　　　　　图5。11　　材质对话　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5。12　　材质库对话　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图5。13　点光源对话　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5。14　　颜色对话

5。5。3　支持协同工作的网络通讯开发系统　CNC　1。0
最简单的协同工作模式是让两个客户机直接通讯，可以用Socket编程实现。假设有　n　个客户机参加协同工作，每个客户机将与所有其它的客户机通讯。那么总共存在n（n…1）/2　个Socket直接通讯，并且每个客户机的变动将导致其它客户机的修改。这种Socket直接通讯使得协同工作的管理和客户机的程序设计变得非常困难。CNC系统提供了支持“发布—订阅（Publish…Subscribe）”与“组播（Multicast）”　模式的服务器与API，可以高效地管理多个组群的协同工作，并使得客户机的程序设计十分简单。CNC　1。0的系统结构如图5。15所示。
　　CNC　服务器将客户机分组管理。在“发布—订阅”模式中，将产生数据的进程称为生产者（Producer），将接受数据的进程称为消费者（Consumer）。生产者可以向服务器发布数据，服务器保存这些数据。消费者可以向服务器订阅数据。每个客户机可能是很多数据的生产者或消费者。同一时刻，CNC系统允许有任意多个生产者和消费者存在。CNC的“发布—订阅”　功能是用TCP协议实现的。
在“组播”　模式中，服务器动态地分配每个组的组播地址。客户机可以向服务器申请加入任意组，允许向任意组播放消息，服务器不保存这些组播消息。CNC的“组播”功能是用UDP协议实现的。

图5。15　　CNC　1。0　的系统结构

5。5。3。1　　CNC　客户机的API设计
类CNCClient客户机用来实现“发布—订阅”和“组播”功能，主要接口（公有函数）如下：
class　CNCClient
　　｛public：
BOOL　Connect（…）；//　连接服务器
BOOL　Disconnect（）；//　与服务器断开连接
BOOL　PublishData（…）；//　向服务器发布数据
BOOL　QueryData（…）；　//　向服务器查询数据
BOOL　SubscribeData（…）；//　向服务器订阅数据
GROUPIP　QueryGroupIP（…）；　//　向服务器查询组播地址
DWORD　MulticastMessage（…）；//　发送组播消息
virtual　void　MessageResponse（…）；//　响应组播消息
…
｝；
一、客户程序的“发布”协议
客户机向服务器发布的每个数据报均含有数据类型、工作组名称、数据名称、生命期和数据长度的信息。报文格式如图5。16所示，数据结构见　DataPublish　：
struct　DataPublish
　　｛
BYTE　iDataType；//　2　个字节数据类型，宏定义为DATA_PUBLISH
charstrGroupName＇16＇；//　16个字节的工作组名字
charstrDataName＇16＇；//　16个字节的数据名字
DWORDdwLifeTime；//　4　个字节的数据生命期，以秒为单位
DWORDdwLength；//　4　个字节的数据内容的长度
char*pchContent；//　数据内容
　　｝；

　　　　　2字节　　　　　　16字节　　　　　　　　　　16字节　　　　　　　　4字节　　　　　　4字节

图5。16　　用于发布的报文格式

二、客户程序的“订阅”协议
　　客户机向服务器订阅数据分两步实现：
（1）先调用函数QueryData向服务器发送一个　DataQuery格式的报文，用于查询要订阅的数据是否存在。
struct　DataQuery
　　｛
　　BYTEiDataType；//　2　个字节数据类型，宏定义为DATA_QUERY
char　strGroupName＇16＇；//　16个字节的工作组名字
　　char　strDataName＇16＇；　//　16个字节的数据名字
｝；
（2）服务器接收到查询时，按照　DataQuery结构中的strGroupName和strDataName进行搜索。如果该数据不存在，Server向Client发送一个FALSE标志。如果该数据存在，服务器先向客户机发送一个TRUE标志，之后立即再向客户机发送该数据（DataPublish格式）。　
　　如果客户机得到TRUE标志的查询结果，就调用函数SubscribeData来接收服务器发送过来的数据。

三、客户程序的“组播”协议
客户机先调用函数QueryGroupIP向服务器发送一个GroupAddress格式的报文，用于查询组播地址。服务器返回相应的十进制点分式的IP地址。
struct　GroupAddress
　　｛
　　BYTEiDataType；//　2　个字节数据类型，宏定义为GROUP_ADDRESS
char　strGroupName＇16＇；//　16个字节的工作组名字
｝；
　　客户机调用函数MulticastMessage向指定的组（根据组播地址）播放消息。组播的数据报结构　DataMulticast定义如下：
　　struct　DataMulticast
　　｛
DWORDdwContentType；//　组播的数据报类型，由用户定义
char*pchContent；//　组播的数据报内容，由用户定义
　　｝；
　　如果客户机接收到组播的消息，将自动调用函数MessageResponse来响应该消息。MessageResponse是虚函数，它将根据dwContentType信息决定如何处理到来的组播消息，具体功能由用户定义。

5。5。3。2　　CNC　服务器的设计
一、数据结构
CNC　服务器的数据结构主要由三部分组成：
（1）一张用于管理组播地址的链表。组播地址由服务器动态生成，客户机可以向服务器查询任意组的组播地址。
（2）一张用于管理线程指针的链表。服务器采用多线程并发处理技术，使客户机获得最快的响应。
（3）每个组都有一张用于管理“发布—订阅”的数据的Hash表。由于同一时刻，系统可能存在多个生产者与消费者，数据的存入、取出速度成为服务器性能的重要指标。Hash表可以提供比链表更快的数据检索速度。Hash表中的数据项结构见DataElement　：
struct　DataElement
　　｛
charstrGroupName＇16＇；//　工作组的名称
charstrDataName＇16＇；//　数据的名称
BYTEiStorageType；//　存储类型：　STORAGE_FILE　或　STORAGE_MEMORY
ColeDateTimeTimeToDie；//　作废时刻
BOOLbLock；//　锁定标志：　TRUE　或　FALSE
DWORDdwLength；//　数据的长度
char*pchContent；//　数据内容
　　｝；

存储类型（iStorageType）的用途：把数据全部保存在内存中将非常消耗服务器的内存资源，在很多情况下是没有必要的。为了提高内存的使用效率，服务器仅把生命期较短或者长度较短的数据保存在内存中（即为STORAGE_MEMORY类型），而把生命期较长或者长度较长的数据保存在文件中（即为STORAGE_FILE类型）。
作废时刻（TimeToDie）的用途：客户机发布的数据均指定了生命期，服务器在接收到数据时即可计算出作废时刻。服务器将定期扫描Hash表，若发现有数据超出作废时刻（并且没有被锁定），即可删除此数据。
锁定标志（bLock）的用途：很多客户机可能同时订阅某个数据，而该数据可能已超出作废时刻即将被删除。为避免冲突，规定只要有客户机订阅数据，就用iLock标志来锁定此数据，直到订阅完成后才消除锁定。

二、多线程并发技术
服务器有一个主线程和多个子线程。主线程负责客户机的入连接请求，然后创建一个子线程来处理这个TCP连接。每个子线程按照CNC　API的协议与客户机通讯。由于有多个子线程共享服务器中的数据，多线程对共享资源的同步访问成为实现的难点。CNC　主要采用了关键区、互斥对象等同步手段解决这个问题。

三、Winsock的使用
CNC　1。0运行于Windows　9x/NT系统下，底层的网络通讯程序用Winsock编写。Winsock有两种工作方式：阻塞方式和非阻塞方式。阻塞方式的优点是编程简单，可靠性好。缺点是容易使应用程序阻塞住，不能处理其它事务。非阻塞方式是利用Windows　消息机制实现的。优点是在数据到来的时候，系统向应用程序窗口发送消息，使得应用程序不必总在等待数据，提高了工作效率。缺点是在发送和接收数据时，应用程序并不将事情做完（不阻塞），以至于应用程序要维护复杂的状态机。
鉴于阻塞方式和非阻塞方式各有优缺点，CNC　服务器采用了混合方式。主线程采用非阻塞的消息驱动方式，可以快速响应客户机的入连接。在子线程中，仍采用非阻塞的消息驱动方式接受客户机的请求，只有在响应请求时，采用阻塞的方式一次性地完成数据的发送或接收。

5。5。4　应用示例
图5。17、图5。18是参加协同工作的两个客户程序示例，这两个程序均用Intra3D　2。0　和CNC　1。0开发。图5。17的客户程序向CNC　服务器订阅　。3ds和　。obj格式的多边形模型数据并执行交互式绘制。图5。18的客户程序向CNC　服务器订阅商业统计图形数据并执行交互式绘制。另有一个客户机（数据源）向CNC　服务器发布各种数据，并用组播来通知各个客户机当前发布了什么数据（短消息）。
　　Intra3D　2。0和CNC　1。0目前已经可以实用，请与作者联系，免费索取软件。

5。6　　小　结

让我们用著名3D游戏软件Quake的设计师Michael　Abrash　的话总结本章：“所有真正杰出的设计一旦被设计好，看起来都是那么的简单和显而易见。但是在获得杰出设计的过程中，需要付出令人难以置信的努力。”＇Abrash　1998＇

图5。17　　绘制。3ds和。obj模型的客户程序

图5。18　　绘制商业统计图形的客户程序

第六章　　C＋＋面向对象程序设计

　　六年前，我刚热恋“面向对象”（Object…Oriented）时，一口气记住了近十个定义。六年后，我从几十万行程序中滚爬出来准备写点心得体会时，却无法解释什么是“面向对象”，就象说不清楚什么是数学那样。
　　软件工程中的时髦术语“面向对象分析”和“面向对象设计”，通常是针对“需求分析”和“系统设计”环节的。“面向对象”有几大学派，就象如来佛、上帝和真主用各自的方式定义了这个世界，并留下一堆经书来解释这个世界。
　　有些学者建议这样找“对象”：分析一个句子的语法，找出名词和动词，名词就是对象，动词则是对象的方法（即函数）。
　　当年国民党的文人为了对抗毛泽东的《沁园春·雪》，特意请清朝遗老们写了一些对仗工整的诗，请蒋介石过目。老蒋看了气得大骂：“娘希匹，全都有一股棺材里腐尸的气味。”
　　我看了几千页的软件工程资料，终于发现自己有些“弱智”，无法理解“面向对象”的理论，同时醒悟到“编程是硬道理。”
　　面向对象程序设计语言很多，如Smalltalk、Ada、Eiffel、Object　Pascal、Visual　Basic、C＋＋等等。C＋＋语言最讨人喜欢，因为它兼容C语言，并且具备C语言的性能。近几年，一种叫Java的纯面向对象语言红极一时，不少人叫喊着要用Java革C＋＋的命。我认为Java好比是C＋＋的外甥，虽然不是直接遗传的，但也几分象样。外甥在舅舅身上玩耍时洒了一泡尿，俩人不该为此而争吵。
　　关于C＋＋程序设计的书藉非常多，本章不讲C＋＋的语法，只讲一些小小的编程道理。如果我能早几年明白这些小道理，就可以大大改善数十万行程序的质量了。

6。1　　C＋＋面向对象程序设计的重要概念

　　早期革命影片里有这样一个角色，他说：“我是党代表，我代表党，我就是党。”后来他给同志们带来了灾难。
　　会用C＋＋的程序员一定懂得面向对象程序设计吗？
　　不会用C＋＋的程序员一定不懂得面向对象程序设计吗？
　　两者都未必。就象坏蛋入党后未必能成为好人，好人不入党未必变成坏蛋那样。
　　我不怕触犯众怒地说句大话：“C＋＋没有高手，C语言才有高手。”在用C和C＋＋编程8年之后，我深深地遗憾自己不是C语言的高手，更遗憾没有人点拨我如何进行面向对象程序设计。我和很多C＋＋程序员一样，在享用到C＋＋语法的好处时便以为自己已经明白了面向对象程序设计。就象挤掉牙膏卖牙膏皮那样，真是暴殄天物呀。
　　人们不懂拼音也会讲普通话，如果懂得拼音则会把普通话讲得更好。不懂面向对象程序设计也可以用C＋＋编程，如果懂得面向对象程序设计则会把C＋＋程序编得更好。本节讲述三个非常基础的概念：“类与对象”、“继承与组合”、“虚函数与多态”。理解这些概念，有助于提高程序的质量，特别是提高“可复用性”与“可扩充性”。

6。1。1　类与对象
　　对象（Object）是类（Class）的一个实例（Instance）。如果将对象比作房子，那么类就是房子的设计图纸。所以面向对象程序设计的重点是类的设计，而不是对象的设计。
　　类可以将数据和函数封装在一起，其中函数表示了类的行为（或称服务）。类提供关键字public、protected和private用于声明哪些数据和函数是公有的、受保护的或者是私有的。这样可以达到信息隐藏的目的，即让类仅仅公开必须要让外界知道的内容，而隐藏其它一切内容（参见5。2。1节“信息隐藏”）。我们不可以滥用类的封装功能，不要把它当成火锅，什么东西都往里扔。
　　类的设计是以数据为中心，还是以行为为中心？
　　主张“以数据为中心”的那一派人关注类的内部数据结构，他们习惯上将private类型的数据写在前面，而将public类型的函数写在后面，如表8。1（a）所示。
　　主张“以行为为中心”的那一派人关注类应该提供什么样的服务和接口，他们习惯上将public类型的函数写在前面，而将private类型的数据写在后面，如表8。1（b）所示。

Class　A
｛
　　private：
　　int　　　　i；　j；
　　float　　x；　y；
　　　　…
　　public：
　　void　Func1（void）；
　　void　Func2（void）；
　　…
｝
class　A
｛
　　public：
　　void　Func1（void）；
　　void　Func2（void）；
　　…
　　private：
　　int　　　　i；　j；
　　float　　x；　y；
　　　　…
｝
表8。1（a）　以数据为中心的书写风格　　　　　　　　　　　　　表8。1（b）以行为为中心的书写风格

　　很多C＋＋教课书主张在设计类时“以数据为中心”。我坚持并且建议读者在设计类时“以行为为中心”，即首先考虑类应该提供什么样的函数。Microsoft　公司的规范的核心是接口设计，的接口就相当于类的公有函数＇Rogerson　1999＇。在程序设计方面，咱们不要怀疑Microsoft公司的风格。
　　设计孤立的类是比较容易的，难的是正确设计基类及其派生类。因为有些程序员搞不清楚“继承”（Inheritance）、“组合”（position）、“多态”（　Polymorphism）这些概念。

6。1。2　继承与组合
　　如果A是基类，B是A的派生类，那么B将继承A的数据和函数。示例程序如下：