機器人軟體的可重用性和可修改性 (延伸版)

Concepts de base

本文展示了基於流程控制架構風格和設計模式的微控制器單元軟體設計。設計包含133個模組,使用了8種設計模式解決了30個問題。這樣的設計產生了更可重用的元件,以及易於修改和擴展的程式。同時也提供了設計文檔。最後,實現(12 KLOC的C++代碼)的實證評估證明了設計並未產生低效的實現。

Résumé

本文介紹了機器人軟體的設計方法,重點在於使用架構風格和設計模式來實現可重用性、可修改性和可維護性等軟體品質屬性。

首先,作者分析了機器人軟體通常存在的問題,即代碼結構複雜,難以維護和修改。為了解決這些問題,作者提出了一種基於架構風格和設計模式的設計方法。

具體來說,作者選擇了流程控制架構風格作為機器人微控制器單元(MCU)軟體的架構,因為這種風格非常適合於處理傳感器輸入、執行器輸出以及控制算法的分離。在此基礎上,作者進一步應用了多種設計模式,如狀態模式、模板方法模式等,將架構進一步細化為多個協作的模組。

這種基於架構風格和設計模式的設計方法,使得軟體更加模塊化,各個模組之間的依賴關係更加清晰,從而大大提高了軟體的可修改性和可重用性。

最後,作者對實現的性能進行了評估,結果表明,即使使用了大量的設計模式,軟體的性能仍然能夠滿足實時控制的要求。

總之,本文展示了如何有效地將軟體工程的最佳實踐應用於機器人軟體設計,以實現可重用性、可修改性等重要的軟體品質屬性。

Stats

設計包含133個模組,使用了8種設計模式解決了30個問題。
實現為12 KLOC的C++代碼。
在100ms的控制週期內,軟體的平均執行時間在2.12ms到2.67ms之間,最大值為3.72ms。

Citations

"本文展示了基於流程控制架構風格和設計模式的微控制器單元軟體設計。設計包含133個模組,使用了8種設計模式解決了30個問題。這樣的設計產生了更可重用的元件,以及易於修改和擴展的程式。"
"即使使用了大量的設計模式,軟體的性能仍然能夠滿足實時控制的要求。"

Idées clés tirées de

Reusability and Modifiability in Robotics Software (Extended Version)

by Laur... à arxiv.org 09-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.07228.pdf

Questions plus approfondies

除了架構風格和設計模式,還有哪些軟體工程技術可以應用於機器人軟體設計,以進一步提高可重用性和可修改性?

在機器人軟體設計中，除了架構風格和設計模式，還有多種軟體工程技術可以進一步提高可重用性和可修改性。這些技術包括：

模組化設計：將系統分解為小的、獨立的模組，每個模組負責特定的功能。這樣的設計使得每個模組可以獨立開發、測試和維護，從而提高了可重用性。

接口設計：通過明確定義模組之間的接口，來隱藏內部實現細節。這樣可以在不影響其他模組的情況下，對某個模組進行修改或替換，從而提高可修改性。

版本控制：使用版本控制系統（如Git）來管理代碼的變更，這樣可以輕鬆追蹤和回滾變更，並促進團隊協作，從而提高軟體的可維護性。

測試驅動開發（TDD）：在開發過程中先編寫測試用例，然後再實現功能。這樣可以確保每個模組的功能在修改後仍然正常運行，從而提高可重用性和可修改性。

設計文檔：良好的設計文檔可以幫助開發者理解系統的結構和功能，從而在未來的修改中減少錯誤和重工，提高可維護性。

軟體產品線：通過建立一組共享的軟體資產來開發多個相似的系統，這樣可以在不同的機器人系統之間重用代碼和設計，從而提高可重用性。

這些技術的結合使用，可以有效提升機器人軟體的可重用性和可修改性，並促進軟體的長期維護和擴展。

如何在保證軟體性能的同時,最大化可重用性和可修改性?是否存在一些權衡或取捨?

在保證軟體性能的同時最大化可重用性和可修改性，確實存在一些權衡和取捨。以下是幾個關鍵點：

架構選擇：選擇合適的架構風格（如層次化架構或事件驅動架構）可以在一定程度上提高可重用性和可修改性，但可能會引入額外的延遲或複雜性，影響性能。因此，設計時需要考慮系統的具體需求，選擇最適合的架構。

抽象層次：高層次的抽象可以提高可重用性和可修改性，但過多的抽象層次可能會導致性能下降。開發者需要在抽象和性能之間找到平衡，確保系統在可維護性和性能之間達到最佳狀態。

設計模式的使用：雖然設計模式可以提高代碼的可重用性和可修改性，但某些模式（如裝飾者模式）可能會增加方法調用的層次，從而影響性能。因此，選擇合適的設計模式並合理使用是關鍵。

資源管理：在設計可重用和可修改的系統時，開發者需要考慮資源的有效管理。過度的資源分配可能會導致性能瓶頸，而不足的資源分配則可能影響系統的穩定性。

性能測試：在開發過程中進行性能測試，可以及早發現性能問題，並在不影響可重用性和可修改性的前提下進行優化。

總之，為了在保證性能的同時最大化可重用性和可修改性，開發者需要在設計過程中進行全面的考量，並根據具體情況進行適當的取捨。

機器人軟體設計中,除了可重用性和可修改性,還有哪些其他重要的軟體品質屬性需要考慮?它們之間又是如何平衡的?

在機器人軟體設計中，除了可重用性和可修改性，還有多個重要的軟體品質屬性需要考慮，包括：

可維護性：指系統在出現問題或需要更新時，能夠被輕鬆修復或修改的能力。可維護性與可重用性和可修改性密切相關，因為良好的模組化設計和清晰的接口可以提高系統的可維護性。

性能：系統的反應速度和資源使用效率。性能是機器人系統的關鍵品質屬性，特別是在實時控制和數據處理方面。性能和可重用性、可修改性之間存在取捨，因為過度的抽象和模組化可能會影響性能。

可靠性：系統在特定條件下持續運行的能力。可靠性是機器人系統的基本要求，特別是在安全關鍵的應用中。提高可靠性可能需要增加冗餘和檢查機制，這可能會影響系統的性能和可維護性。

可擴展性：系統在未來能夠輕鬆添加新功能或擴展現有功能的能力。可擴展性與可重用性密切相關，因為可重用的模組可以被用於擴展系統功能。

安全性：在機器人系統中，特別是在與人類互動的情況下，安全性是至關重要的。安全性措施可能會增加系統的複雜性，從而影響可維護性和性能。

這些品質屬性之間的平衡通常需要根據具體的應用場景和需求進行調整。例如，在一個需要高性能的實時控制系統中，可能需要在可重用性和可維護性上做出妥協，以確保系統的反應速度。而在一個需要頻繁更新和擴展的系統中，則可能會優先考慮可重用性和可修改性，儘管這可能會影響性能。因此，開發者需要根據具體情況進行綜合考量，以達到最佳的品質屬性平衡。