系统设计模式几大原则

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做后台产品的时候,为了避免设计地凌乱,想了解一些系统设计模式思想,于是找高内聚低耦合相关的文章。这篇文章是摘自网友的。


总体来说设计模式分为三大类:

创建型模式,共五种:工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。 结构型模式,共七种:适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。 行为型模式,共十一种:策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

六大原则

单一职责原则Single Responsibility Principle

定义:一个类或者一个接口,最好只负责一项职责

问题由来:类T负责两个不同的职责P1和P2。由于职责P1需要发生改变而需要修改T类时,有可能导致原来运行正常的职责P2功能发生故障。

解决方法:遵循单一职责原则。分别建立两个类T1和T2,使类T1负责职责P1,类T2负责职责P2。这样,当修改类T1也不会影响职责P2;同理,当修改类T2时不会影响职责P1。

有时候也会有违背这一原则的代码存在。因为有职责扩散,就是因为某种原因,职责P被分化为粒度更细的职责P1和P2。比如:类T只负责一个职责P,这样设计是符合单一职责原则的。后来由于某种原因,也许是需求变更了,也许是程序的设计者境界提高了,需要将职责P细分为粒度更细的职责P1,P2,这时如果要使程序遵循单一职责原则,需要将类T也分解为两个类T1和T2,分别负责P1、P2两个职责。但是在程序已经写好的情况下,这样做简直太费时间了。所以,简单的修改类T,用它来负责两个职责是一个比较不错的选择,虽然这样做有悖于单一职责原则。这样做的风险在于职责扩散的不确定性,因为我们不会想到这个职责P,在未来可能会扩散为P1,P2,P3,P4,Pn。所以记住,在职责扩散到我们无法控制的程度之前,立刻对代码进行重构。

我的原则是:只有逻辑足够简单,才可以在代码级别上违反单一职责原则;只有类中方法数量足够少,才可以在方法级别上违反单一职责原则

遵循单一职责原的优点有:类的复杂性将降低,简单明细的代码将使可读性将大大提高,自然而然可维护性亦将同步提高。变更引起的风险降低,变更是必然的,如果单一职责原则遵守的好,当修改一个功能时,可以显著降低对其他功能的影响。

里氏替换原则Liskov Substitution Principle

肯定有不少人跟我刚看到这项原则的时候一样,对这个原则的名字充满疑惑。其实原因就是这项原则最早是在1988年,由麻省理工学院的一位姓里的女士(Barbara Liskov)提出来的。

里氏替换原则的核心精神是:在使用基类的的地方可以任意使用其子类,能保证子类完美替换基类;这一精神其实是对继承机制约束规范的体现。在父类和子类的具体实现中,严格控制继承层次中的关系特征,以保证用子类替换基类时,程序行为不发生问题,且能正常进行下去。

里氏替换原则主要发力点是继承基础上的抽象和多态,具体就是子类必须实现父类的方法,是重写;这里要注意重写(Override)与重载(Overload)的区分,即使参数的数据范围发生变化,也能将重写变成重载!而你原本只是想把所继承的方法完善的具体点儿!如果是这样的话绝对会引起以后业务逻辑的混乱。

里氏替换原则是关于继承机制的设计原则,违反里氏替换原则将会使继承变的一塌糊涂;而遵循里氏替换原则能够保证系统具有良好的的拓展性,我们可以随时根据需要增改不同的子类,这将大大增强程序的健壮性,让版本的升级可以做到非常好的兼容;同时基于多态的抽象机制,能够很好的减少代码冗余,避免运行期的类型判别等;而在项目的实施中不同的子类对应着不同的业务,使用父类做参数,不同子类可以轮番上阵,必然强大!

定义2:所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。

问题由来:有一功能P1,由类A完成。现需要将功能P1进行扩展,扩展后的功能为P,其中P由原有功能P1与新功能P2组成。新功能P由类A的子类B来完成,则子类B在完成新功能P2的同时,有可能会导致原有功能P1发生故障。

解决方案:当使用继承时,遵循里氏替换原则。类B继承类A时,除添加新的方法完成新增功能P2外,尽量不要重写父类A的方法,也尽量不要重载父类A的方法

继承包含这样一层含义:父类中凡是已经实现好的方法(相对于抽象方法而言),实际上是在设定一系列的规范和契约,虽然它不强制要求所有的子类必须遵从这些契约,但是如果子类对这些非抽象方法任意修改,就会对整个继承体系造成破坏。而里氏替换原则就是表达了这一层含义。

继承作为面向对象三大特性之一,在给程序设计带来巨大便利的同时,也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性,程序的可移植性降低,增加了对象间的耦合性,如果一个类被其他的类所继承,则当这个类需要修改时,必须考虑到所有的子类,并且父类修改后,所有涉及到子类的功能都有可能会产生故障。

如果非要重写父类的方法,比较通用的做法是:原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类,原有的继承关系去掉,采用依赖、聚合,组合等关系代替。

里氏替换原则通俗的来讲就是:子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。它包含以下4层含义:

子类可以实现父类的抽象方法,但不能覆盖父类的非抽象方法。 子类中可以增加自己特有的方法。 当子类的方法重载父类的方法时,方法的前置条件(即方法的形参)要比父类方法的输入参数更宽松。 当子类的方法实现父类的抽象方法时,方法的后置条件(即方法的返回值)要比父类更严格。

看上去很不可思议,因为我们会发现在自己编程中常常会违反里氏替换原则,程序照样跑的好好的。所以大家都会产生这样的疑问,假如我非要不遵循里氏替换原则,你写的代码出问题的几率将会大大增加。

依赖倒置原则Dependence Inversion Principle

定义:高层模块不应该依赖低层模块,二者都应该依赖其抽象;抽象不应该依赖细节;细节应该依赖抽象。其核心思想是:依赖于抽象。

问题由来:类A直接依赖类B,假如要将类A改为依赖类C,则必须通过修改类A的代码来达成。这种场景下,类A一般是高层模块,负责复杂的业务逻辑;类B和类C是低层模块,负责基本的原子操作;假如修改类A,会给程序带来不必要的风险。

解决方案:将类A修改为依赖接口I,类B和类C各自实现接口I,类A通过接口I间接与类B或者类C发生联系,则会大大降低修改类A的几率。

依赖倒置原则基于这样一个事实:相对于细节的多变性,抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建起来的架构比以细节为基础搭建起来的架构要稳定的多。

在java中,抽象指的是接口或者抽象类,细节就是具体的实现类,使用接口或者抽象类的目的是制定好规范和契约,而不去涉及任何具体的操作,把展现细节的任务交给他们的实现类去完成。

依赖倒置原则的核心思想是面向接口编程,我们依旧用一个例子来说明面向接口编程比相对于面向实现编程好在什么地方。场景是这样的,母亲给孩子讲故事,只要给她一本书,她就可以照着书给孩子讲故事了。

传递依赖关系有三种方式,以上的例子中使用的方法是接口传递,另外还有两种传递方式:构造方法传递和setter方法传递,相信用过Spring框架的,对依赖的传递方式一定不会陌生。

在实际编程中,我们一般需要做到如下3点:

低层模块尽量都要有抽象类或接口,或者两者都有。 变量的声明类型尽量是抽象类或接口。 使用继承时遵循里氏替换原则。

依赖倒置原则的核心就是要我们面向接口编程,理解了面向接口编程,也就理解了依赖倒置。

接口隔离原则

定义:客户端不应该依赖它不需要的接口;一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。 否则将会造成接口污染。类A通过接口I依赖类B,类C通过接口I依赖类D,如果接口I对于类A和类B来说不是最小接口,则类B和类D必须去实现他们不需要的方法。

解决方案:将臃肿的接口I拆分为独立的几个接口,类A和类C分别与他们需要的接口建立依赖关系。也就是采用接口隔离原则。

接口隔离原则的含义是:建立单一接口,不要建立庞大臃肿的接口,尽量细化接口,接口中的方法尽量少。也就是说,我们要为各个类建立专用的接口,而不要试图去建立一个很庞大的接口供所有依赖它的类去调用。本文例子中,将一个庞大的接口变更为3个专用的接口所采用的就是接口隔离原则。在程序设计中,依赖几个专用的接口要比依赖一个综合的接口更灵活。接口是设计时对外部设定的契约,通过分散定义多个接口,可以预防外来变更的扩散,提高系统的灵活性和可维护性。

说到这里,很多人会觉的接口隔离原则跟之前的单一职责原则很相似,其实不然。其一,单一职责原则原注重的是职责;而接口隔离原则注重对接口依赖的隔离。其二,单一职责原则主要是约束类,其次才是接口和方法,它针对的是程序中的实现和细节;而接口隔离原则主要约束接口,主要针对抽象,针对程序整体框架的构建。

采用接口隔离原则对接口进行约束时,要注意以下几点:

接口尽量小,但是要有限度。对接口进行细化可以提高程序设计灵活性是不挣的事实,但是如果过小,则会造成接口数量过多,使设计复杂化。所以一定要适度。为依赖接口的类定制服务,只暴露给调用的类它需要的方法,它不需要的方法则隐藏起来。只有专注地为一个模块提供定制服务,才能建立最小的依赖关系。提高内聚,减少对外交互。使接口用最少的方法去完成最多的事情。

运用接口隔离原则,一定要适度,接口设计的过大或过小都不好。设计接口的时候,只有多花些时间去思考和筹划,才能准确地实践这一原则。

现实中,如何把握接口越小越好,这个度很难界定,颗粒度小固然灵活,但同时会造成结构的复杂化,以下有几个把握规则可以参考:

一个接口只服务于一个子模块或业务逻辑,服务定制; 通过业务逻辑压缩接口中的public方法,让接口看起来精悍; 已经被污染了的接口,尽量修改,如果变更风险太大,则用适配器模式进行转化处理; 根据具体的业务,深入了解逻辑,用心感知去控制设计思路。

具体如何实施接口隔离,主要有两种方法:

1. 委托分离,通过增加一个新的接口类型来委托客户的请求,隔离客户和接口的直接依赖,注意这同时也会增加系统的开销;

2. 多重继承分离,通过接口的多重继承来实现客户的需求,这种方式相对较好。具体的使用,视情况而定。


迪米特法则Demeter Principle

定义:一个对象应该对其他对象保持最少的了解。其核心精神是:不和陌生人说话,通俗之意是一个对象对自己需要耦合关联调用的类应该知道的更少。这样会导致类之间的耦合度降低,每个类都尽量减少对其他类的依赖,因此,这也很容易使得系统的功能模块相互独立,之间不存在很强的依赖关系。

问题由来:类与类之间的关系越密切,耦合度越大,当一个类发生改变时,对另一个类的影响也越大。

解决方案:尽量降低类与类之间的耦合。

自从我们接触编程开始,就知道了软件编程的总的原则:低耦合,高内聚。无论是面向过程编程还是面向对象编程,只有使各个模块之间的耦合尽量的低,才能提高代码的复用率。低耦合的优点不言而喻,但是怎么样编程才能做到低耦合呢?那正是迪米特法则要去完成的。迪米特法则又叫最少知道原则,最早是在1987年由美国Northeastern University的Ian Holland提出。通俗的来讲,就是一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说,对于被依赖的类来说,无论逻辑多么复杂,都尽量地的将逻辑封装在类的内部,对外除了提供的public方法,不对外泄漏任何信息。迪米特法则还有一个更简单的定义:只与直接的朋友通信。首先来解释一下什么是直接的朋友:每个对象都会与其他对象有耦合关系,只要两个对象之间有耦合关系,我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多,依赖、关联、组合、聚合等。其中,我们称出现成员变量、方法参数、方法返回值中的类为直接的朋友,而出现在局部变量中的类则不是直接的朋友。也就是说,陌生的类最好不要作为局部变量的形式出现在类的内部。

举一个例子:有一个集团公司,下属单位有分公司和直属部门,现在要求打印出所有下属单位的员工ID。先来看一下违反迪米特法则的设计。

开闭原则Open Close Principle

定义:一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放,对修改关闭。

开闭原则无非就是想表达这样一层意思:用抽象构建框架,用实现扩展细节。因为抽象灵活性好,适应性广,只要抽象的合理,可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节,我们用从抽象派生的实现类来进行扩展,当软件需要发生变化时,我们只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了。当然前提是我们的抽象要合理,要对需求的变更有前瞻性和预见性才行。

说到这里,再回想一下前面说的5项原则,恰恰是告诉我们用抽象构建框架,用实现扩展细节的注意事项而已:

单一职责原则告诉我们实现类要职责单一; 里氏替换原则告诉我们不要破坏继承体系; 依赖倒置原则告诉我们要面向接口编程; 接口隔离原则告诉我们在设计接口的时候要精简单一; 迪米特法则告诉我们要降低耦合。 而开闭原则是总纲,他告诉我们要对扩展开放,对修改关闭。

最后说明一下如何去遵守这六个原则。对这六个原则的遵守并不是是和否的问题,而是多和少的问题,也就是说,我们一般不会说有没有遵守,而是说遵守程度的多少。任何事都是过犹不及,设计模式的六个设计原则也是一样,制定这六个原则的目的并不是要我们刻板的遵守他们,而需要根据实际情况灵活运用。对他们的遵守程度只要在一个合理的范围内,就算是良好的设计。

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