本节书摘来自华章出版社《信息物理融合系统（CPS）设计、建模与仿真——基于 Ptolemy II 平台》一书中的第2章，第2.6节，作者：［美］爱德华·阿什福德·李（Edward Ashford Lee），更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看

2.6　类和继承

Ptolemy II可以定义面向角色的类（actor-oriented class）（Lee et al.， 2009a）。这些类被定义后可以用于实例（instance）和子类（subclass）的创建，它们都使用了类继承（inheritance）的概念。类为角色提供通用的定义（或模板）。实例是类的一个单独的、特定的实现，一个子类源于父类——它包含和父类相同的结构，但可能有一些修改。这种方法提高了设计的模块化，详见下面的例子。
例2.1　结合在2.3节中开发的模型，如图2-29所示。假设希望创建信道角色的多个实例，如图2-30所示。在图2-30中，正弦波信号通过5个不同的信道（注意正弦波和信道之间的黑色菱形关系符号，它表示将相同的信号分别广播到5个信道）。信道的输出被叠加在一起并以图形显示。结果是一条明显比单信道输出正弦波清晰的正弦波。（在通信系统中，这种技术称为分集系统。信道的多个副本（每个副本都携带独立噪声）用于实现可靠通信。）

    ![3](https://yqfile.alicdn.com/a7faf99403d7e87a018be9cb48b275103455b3e2.png)

尽管上述方法有效，但依然是个糟糕的设计，原因有两点。首先在模型中，5个信道是通过硬连接实现的（将在下一节解释这个问题）。其次，每个信道都是图2-29中复合角色的副本。因此，如果信道的设计需要改变，所有5个副本都必须改变。因此这种方法使得模型难以维护或修改。
使用类和实例的一个小的优势就是，模型的XML文件表示会更小，因为类的设计只给出一次，而不是多次。
一个更好的方法是定义一个Channel类，然后用这个类的实例来实现分集系统。为了实现这种修改，从图2-29中的设计开始，将连向信道的连接删去，如图2-31所示。然后单击并选择Convert to Class。（注意，如果第一步没有将那些连接删去，那么当进行试图转化时会出现错误提示）角色图标会获得一个蓝色边框，它是一个视觉上的提示，提示这是一个类而不是一个普通的角色（它是实例）。

图2-31　创建并使用一个信道（Channel）类
类在模型执行中不起任何作用，它只是必须被实例化组件的定义而已。按照惯例，将类置于模型的顶部，挨着指示器，因为它们都是表示声明。
还请注意，除了使用Convert to Class外，还可以从Utilities库里拖拽一个Composite ClassDe?nition的实例，然后选择Open Actor并填入类定义。然后给这个类定义起一个具体的名字，比如Channel。
当已经定义了一个类时，可以通过右击然后选择Create instance或者按Control+N键来创建一个实例。如此重复5次，创建5个实例，如图2-31所示。虽然这和图2-30的设计看起来很相似，但是实际上这是一个更好的设计，原因前文已经讲过。试着对这个类进行一些改变，比如说，为它创建一个自定义图标，如图2-32所示，可见类的变化将传播到类的每个实例。

如果在图2-32的任一个实例（或类）上调用Open Actor，就会看到相同的信通（Channel）模型。实际是类的定义。在这个层次化模型内所做的任何改变都会自动地传递到所有的实例。比如，用户可以试着修改noisePower参数的值并观察结果。
如果想查看实例而不是类定义，可以在一个实例上选择Open Instance。打开的窗口只显示该实例。从类定义继承的每个子组件都由粉红色虚线框高亮显示。
2.6.1　实例中参数值的重写
默认情况下，图2-32中的所有Channel类的实例都有相同的图标和相同的参数值。然而，每个实例都可以通过重写这些值进行定制。比如说，在图2-33中，对自定义图标进行了修改以获得不同的颜色，且第5个实例有了一个额外的图形元素。这些修改是由右击实例图标并选择Edit Custom Icon来实现的。若实例中类的参数进行了重写，那么更新类不会影响该实例，只会影响没有重写的实例。

2.6.2　子类和继承
假设需要对一些信道进行修改，用另一种形式的正弦波向其添加干扰。一种不错的方法是创建Channel类的一个子类，如图2-34所示。创建方法是右击类的图标，并选择Create Subclass。产生的子类图标出现在父类图标的上方，用户可自行移动。

图2-34　图2-33的模型，有一个还未被重写的Channel的子类
子类包含父类的所有元素，但子类的图标被一个粉红色的虚线框环绕。这些元素都是继承而来的，并不能从子类中删除（若试图这样做将出现错误提示）。但是，你可以改变参数值并添加额外的元素。如图2-35所示的设计，它额外增加了一对名为interferenceAmplitude和interferenceFrequency的参数如一对实现干扰（interference）的角色。

图2-35　图2-34的子类，被重写过，加入了正弦干扰
图2-36中的模型将最后的信道替换为子类的一个实例，并用图显示正弦干扰。
类的实例有两种位置：第一，类的实例位于这个类本身所在的复合角色中；第二，类的实例位于一个复合角色中，且这个复合角色本身以及类本身都包含在一个模型中（就是说，类的实例位于子模型中）。为子模型添加一个实例，只需简单地从包含这个类的复合模型中复制（或剪切），然后将它粘贴到子模型中。

图2-36　使用图2-35中子类的模型和执行图
2.6.3　模型间类的共享
通过将类的定义保存在独立文件中，一个类可以被多个模型共享。我们将用Channel类来说明这种技术。首先，在Channel类上右击并调用Open Actor，然后在File菜单上选择Save As。出现如图2-37所示的对话框。标记为Save submodel only的方框是默认未选中的。如果复选框未被选中，那么整个模型会被保存。在我们的例子中，我们想只保存信道子模型，所以需要选中复选框。
把类定义保存在一个模型可以访问到的地方是很重要的。一般地，Ptolemy II搜索与类路径（classpath）相关的类定义，类路径由一个名为CLASSPATH的环境变量给出。原则上，你可以设置这个环境变量使它包括你想要搜索的任何目录。然而，在实际中，改变CLASSPATH可能会导致其他程序出问题，所以我们建议将文件存储在PtolemyII安装目录或根目录下名为“.ptolemyII”的目录中。在这两种情况下，Ptolemy会发现存储在这些目录中的类文件。
如果将Channel类保存在名为Channel.xml且位于目录$PTII/myActors下的文件中，这里$PTII表示Ptolemy II的安装位置。该类定义可以用在任何模型里，如下方式：打开模型并在Graph菜单中选择Instantiate Entity，如图2-38所示。在类路径中输入与$PTII相关的类的全名，在本例中是myActors.Channel。
当拥有一个定义在文件中的Channel类的实例时，可将其添加到UserLibrary。UserLibrary在Vergil库浏览窗口的左侧，如图2-39所示。右击实例并选择Save Actor in Library。如图2-39所示，这使得另一个窗口被打开并显示用户库。用户库本身就是一个存储在XML文件中的Ptolemy II模型。当你保存库模型时，对于任何Vergil窗口（对于同一用户），类实例在UserLibrary窗口就变成可用的。注意，在用户库中保存类定义本身（相对于类的一个实例）结果会不同。在这种情况下，用户库将提供一个新的类定义而不是类的实例。

图2-37　一个类可以单独保存在一个文件中，然后在多个模型中共享。如图所示，在某些平台上，显示有Save submodel only复选框的对话框会独立出现。在其他平台上，复选框被整合到一个整体对话框中。对于其他平台，复选框将集成在一个单独的对话框中

图2-38　在文件中定义的类，可以在Graph菜单中使用Instantiate Entity来创建

图2-39　类的实例在自己的文件中定义，可以在UserLibrary（用户库）中找到