设计原则

软件开发是始于面向过程的


软件开发是始于面向过程的,因为面向过程地解决问题更直接,软件本身就是一个解决问题的过程;面向过程的最大问题就是不容易把问题进行分解,再大的问题都要在一个过程里面解决,从第一步直到最后一步;最多是把一个大过程分解成几个顺序执行的小过程,开发出的软件不容易维护、重用和扩展。面象对象的方法没那么直接,需要有一个抽象的过程,要把问题抽象成一个个对象,每个对象解决一个小问题,不同对象的组合就可解决不同的大问题;而且把对象跟日常的事物联系起来,产生了属性、事件、方法这样的概念,增加了对象的直观性。

面向对象开发(OOP)是基础


OOP是以对象模型反应领域内的实体之间的关系,其本质是接近于人类认知事物所采用的哲学观的计算模型;在OOP中,对象作为计算主体,拥有自己的名称,状态及接受外界消息的接口。在对象模型中,产生新对象,销毁旧对象,发送消息,响应消息,这就构成了OOP计算模型的根本。

OOP强调封装、继承、多态、抽象

“坏设计”的定义


•改变起来很难,因为每种变化都会影响系统的太多其他部分。(Rigidity刚性、僵硬)。

•当你作了一个变动时,系统中意想不到的部分会出错。(Fragility、易碎性)

•它难以在另一个应用程序中复用,由于它不能脱离当前应用。(Immobility、固定、无移植性)

是什么导致设计刚性(rigid)、脆弱(fragile)和不易移植(immobile)的呢?它(原因)就是该设计中模块的相互依赖(interdependence)。这个设计就是刚性的,如果它不能容易地被改变,这样的刚性是因为这一事实——对于严重相互依赖的软件,单个变化引起了依赖模块中的级联变化(a cascade of changes、连锁反应)。一旦级联变化的范围不能被设计者或者维护者预先知道,变化的影响就不能被估计。这导致变化的开销不可能被预言。管理层面对如此不可预测性,变得不愿意批准变动。因此,设计就官方上(正式、officially)地成为刚性。

脆弱性(易碎性)是一种单个变化发生时,程序在很多地方中断的趋势。经常的,新问题出现在与被改变的领域没有概念上的关系的地方。这样的易碎性极大降低了设计的可信性和可维护性。用户和管理者不能预言他们的产品的质量。应用的某个部分的简单变化导致在看起来完全无关的其他部分出现失败。

解决那些问题导致甚至更多的问题,而维护工作开始(变得)像一条狗追赶它尾巴。

设计是不易移植的,是说设计中想要的部分高度地依赖于不太想要的细节。一些设计者被分配的任务是研究(调查)设计,看看它能否在不同的应用中复用,他们会惊叹于该设计能够那么好的复用于新的应用中然而,如果一个设计是高度互相依赖的,他们就会非常的苦恼,把该设计中想要的部分与该设计中不想要的部分分开,有大量的工作必须做。多数情况下,这样的设计是不被复用的,因为分离的费用被认为要高于重新设计的费用。

设计原则


•软件开发唯一永恒真理“需求永远在改变”

•面向软件设计OOD目的,解决软件系统的可维护性、可扩展性、可复用性

软件开发唯一真理“需求永远在改变”,因为软件解决的是现实生活中的业务问题,而业务流程总是在不停的变化。

OOP是软件开发的基础,OOD是软件开发的整体规划,在设计软件时,代码要求面相对象、模块化、可复用、能以最小代价满足变化、不用改变现有代码满足扩展

设计模式就是在这个过程中不断总结出来的优秀设计方案,在此基础之上再次提炼才形成了我们今天要讲的设计原则

OOD最基本的设计原则


•单一职责原则SRP  Single Responsibility Principle

•开闭原则OCP  Opened Closed Principle

•里氏替换原则LSP  Liscov Substitution Principle

•接口隔离原则ISP  Interface Segregation Principle

•依赖倒置原则DIP  Dependency Inversion Principle

单一职责原则



并不是因为你能,你就应该做

”并不是因为你能,你就应该做”。为什么?因为长远来看它会带来很多管理问题。

从面向对象角度解释为:”引起类变化的因素永远不要多于一个。“

或者说”一个类有且只有一个职责”。这个原则是说,如果你的类有多于一个原因会导致它变化(或者多于一个职责),你需要依据它们的职责把这个类拆分为多个类。

●每个职责是轴向变化的;

●如果类包含多个职责,代码会变得耦合;

•单一职责原则是最简单的面向对象设计原则,它用于控制类的粒度大小。单一职责原则定义如下:单一职责原则(Single Responsibility Principle, SRP):一个类只负责一个功能领域中的相应职责,或者可以定义为:就一个类而言,应该只有一个引起它变化的原因。

•单一职责原则是实现高内聚、低耦合的指导方针,它是最简单但又最难运用的原则

单一职责原则告诉我们:一个类不能太“累”!在软件系统中,一个类(大到模块,小到方法)承担的职责越多,它被复用的可能性就越小,而且一个类承担的职责过多,就相当于将这些职责耦合在一起,当其中一个职责变化时,可能会影响其他职责的运作,因此要将这些职责进行分离,将不同的职责封装在不同的类中,即将不同的变化原因封装在不同的类中,如果多个职责总是同时发生改变则可将它们封装在同一类中。

某软件公司开发出CRM系统,其中客户信息图形统计模块设计方案如下图

不符合单一职责原则的类图

在图中,CustomerDataChart类中的方法说明如下:getConnection()方法用于连接数据库,findCustomers()用于查询所有的客户信息,createChart()用于创建图表,displayChart()用于显示图表。

CustomerDataChart类承担了太多的职责,既包含与数据库相关的方法,又包含与图表生成和显示相关的方法。如果在其他类中也需要连接数据库或者使用findCustomers()方法查询客户信息,则难以实现代码的重用。无论是修改数据库连接方式还是修改图表显示方式都需要修改该类,它不止一个引起它变化的原因,违背了单一职责原则。

根据单一职责原则修改后

符合单一职责原则的类图

(1) DBUtil:负责连接数据库,包含数据库连接方法getConnection();

(2) CustomerDAO:负责操作数据库中的Customer表,包含对Customer表的增删改查等方法,如findCustomers();

(3) CustomerDataChart:负责图表的生成和显示,包含方法createChart()和displayChart()。

符合开闭原则的设计


•开闭原则是面向对象的可复用设计的第一块基石,它是最重要的面向对象设计原则。其定义如下:开闭原则(Open-Closed Principle, OCP):一个软件实体应当对扩展开放,对修改关闭。即软件实体应尽量在不修改原有代码的情况下进行扩展。

•为了满足开闭原则,需要对系统进行抽象化设计,抽象化是开闭原则的关键。

任何软件都需要面临一个很重要的问题,即它们的需求会随时间的推移而发生变化。当软件系统需要面对新的需求时,我们应该尽量保证系统的设计框架是稳定的。如果一个软件设计符合开闭原则,那么可以非常方便地对系统进行扩展,而且在扩展时无须修改现有代码,使得软件系统在拥有适应性和灵活性的同时具备较好的稳定性和延续性。随着软件规模越来越大,软件寿命越来越长,软件维护成本越来越高,设计满足开闭原则的软件系统也变得越来越重要。

为了满足开闭原则,需要对系统进行抽象化设计,抽象化是开闭原则的关键。在Java、C#等编程语言中,可以为系统定义一个相对稳定的抽象层,而将不同的实现行为移至具体的实现层中完成。在很多面向对象编程语言中都提供了接口、抽象类等机制,可以通过它们定义系统的抽象层,再通过具体类来进行扩展。如果需要修改系统的行为,无须对抽象层进行任何改动,只需要增加新的具体类来实现新的业务功能即可,实现在不修改已有代码的基础上扩展系统的功能,达到开闭原则的要求。

某软件公司开发的CRM系统可以显示各种类型的图表,如饼状图和柱状图等

不符合开闭原则的类图

在该代码中,如果需要增加一个新的图表类,如折线图LineChart,则需要修改ChartDisplay类的display()方法的源代码,增加新的判断逻辑,违反了开闭原则。

在本实例中,由于在ChartDisplay类的display()方法中针对每一个图表类编程,因此增加新的图表类不得不修改源代码。可以通过抽象化的方式对系统进行重构,使之增加新的图表类时无须修改源代码,满足开闭原则

(1) 增加一个抽象图表类AbstractChart,将各种具体图表类作为其子类;

(2)  ChartDisplay类针对抽象图表类进行编程,由客户端来决定使用哪种具体图表。

符合开闭原则的类图

在图中,我们引入了抽象图表类AbstractChart,且ChartDisplay针对抽象图表类进行编程,并通过setChart()方法由客户端来设置实例化的具体图表对象,在ChartDisplay的display()方法中调用chart对象的display()方法显示图表。如果需要增加一种新的图表,如折线图LineChart,只需要将LineChart也作为AbstractChart的子类,在客户端向ChartDisplay中注入一个LineChart对象即可,无须修改现有类库的源代码。     

里氏代换原则


•里氏代换原则由2008年图灵奖得主、美国第一位计算机科学女博士Barbara Liskov教授和卡内基·梅隆大学Jeannette

Wing教授于1994年提出。其表述如下:里氏代换原则(Liskov Substitution Principle, LSP):所有引用基类(父类)的地方必须能透明地使用其子类的对象。

•里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一,由于使用基类对象的地方都可以使用子类对象,因此在程序中尽量使用基类类型来对对象进行定义,而在运行时再确定其子类类型,用子类对象来替换父类对象。

里氏代换原则告诉我们,在软件中将一个基类对象替换成它的子类对象,程序将不会产生任何错误和异常,反过来则不成立,如果一个软件实体使用的是一个子类对象的话,那么它不一定能够使用基类对象。例如:我喜欢动物,那我一定喜欢狗,因为狗是动物的子类;但是我喜欢狗,不能据此断定我喜欢动物,因为我并不喜欢老鼠,虽然它也是动物。

在使用里氏代换原则时需要注意如下几个问题:

(1)子类的所有方法必须在父类中声明,或子类必须实现父类中声明的所有方法。根据里氏代换原则,为了保证系统的扩展性,在程序中通常使用父类来进行定义,如果一个方法只存在子类中,在父类中不提供相应的声明,则无法在以父类定义的对象中使用该方法。

(2)  我们在运用里氏代换原则时,尽量把父类设计为抽象类或者接口,让子类继承父类或实现父接口,并实现在父类中声明的方法,运行时,子类实例替换父类实例,我们可以很方便地扩展系统的功能,同时无须修改原有子类的代码,增加新的功能可以通过增加一个新的子类来实现。里氏代换原则是开闭原则的具体实现手段之一。

(3) Java语言中,在编译阶段,Java编译器会检查一个程序是否符合里氏代换原则,这是一个与实现无关的、纯语法意义上的检查,但Java编译器的检查是有局限的。

某软件公司开发的CRM系统中,系统需要提供一个发送Email的功能,原始设计方案如图1所示:

不符合里氏替换原则的设计

在对系统进行进一步分析后发现,无论是普通客户还是VIP客户,发送邮件的过程都是相同的,也就是说两个send()方法中的代码重复,而且在本系统中还将增加新类型的客户。为了让系统具有更好的扩展性,同时减少代码重复,使用里氏代换原则对其进行重构。


符合里氏替换原则的设计

在本实例中,可以考虑增加一个新的抽象客户类Customer,而将CommonCustomer和VIPCustomer类作为其子类,邮件发送类EmailSender类针对抽象客户类Customer编程,根据里氏代换原则,能够接受基类对象的地方必然能够接受子类对象,因此将EmailSender中的send()方法的参数类型改为Customer,如果需要增加新类型的客户,只需将其作为Customer类的子类即可。重构后的结构如图2所示:

里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一。在本实例中,在传递参数时使用基类对象,除此以外,在定义成员变量、定义局部变量、确定方法返回类型时都可使用里氏代换原则。针对基类编程,在程序运行时再确定具体子类。

依赖倒转原则

•如果说开闭原则是面向对象设计的目标的话,那么依赖倒转原则就是面向对象设计的主要实现机制之一,它是系统抽象化的具体实现。依赖倒转原则(Dependency Inversion  Principle,

DIP):抽象不应该依赖于细节,细节应当依赖于抽象。换言之,要针对接口编程,而不是针对实现编程。 

•在实现依赖倒转原则时,我们需要针对抽象层编程,而将具体类的对象通过依赖注入(DependencyInjection, DI)的方式注入到其他对象中。常用的注入方式有三种,分别是:构造注入,设值注入(Setter注入)和接口注入。

依赖倒转原则要求我们在程序代码中传递参数时或在关联关系中,尽量引用层次高的抽象层类,即使用接口和抽象类进行变量类型声明、参数类型声明、方法返回类型声明,以及数据类型的转换等,而不要用具体类来做这些事情。为了确保该原则的应用,一个具体类应当只实现接口或抽象类中声明过的方法,而不要给出多余的方法,否则将无法调用到在子类中增加的新方法。

在引入抽象层后,系统将具有很好的灵活性,在程序中尽量使用抽象层进行编程,而将具体类写在配置文件中,这样一来,如果系统行为发生变化,只需要对抽象层进行扩展,并修改配置文件,而无须修改原有系统的源代码,在不修改的情况下来扩展系统的功能,满足开闭原则的要求。

在实现依赖倒转原则时,我们需要针对抽象层编程,而将具体类的对象通过依赖注入(DependencyInjection, DI)的方式注入到其他对象中,依赖注入是指当一个对象要与其他对象发生依赖关系时,通过抽象来注入所依赖的对象。常用的注入方式有三种,分别是:构造注入,设值注入(Setter注入)和接口注入。构造注入是指通过构造函数来传入具体类的对象,设值注入是指通过Setter方法来传入具体类的对象,而接口注入是指通过在接口中声明的业务方法来传入具体类的对象。这些方法在定义时使用的是抽象类型,在运行时再传入具体类型的对象,由子类对象来覆盖父类对象。

讲了这么多,估计大家对“倒置”这个词还是有点不理解,那到底什么是“倒置”呢?我们先说“正置”是什么意思,依赖正置就是类间的依赖是实实在在的实现类间的依赖,也就是面向实现编程,这也是正常人的思维方式,我要开奔驰车就依赖奔驰车,我要使用笔记本电脑就直接依赖笔记本电脑,而编写程序需要的是对现实世界的事物进行抽象,抽象的结果就是有了抽象类和接口,然后我们根据系统设计的需要产生了抽象间的依赖,代替了人们传统思维中的事物间的依赖,“倒置”就是从这里产生的。

软件公司开发人员在开发某CRM系统时发现:该系统经常需要将文件中的客户信息转存到数据库中

不符合依赖倒置原则的设计

在编码实现图1所示结构时,Sunny软件公司开发人员发现该设计方案存在一个非常严重的问题,由于每次转换数据时数据来源不一定相同,因此需要更换数据转换类,如有时候需要将TXTDataConvertor改为ExcelDataConvertor,此时,需要修改CustomerDAO的源代码,而且在引入并使用新的数据转换类时也不得不修改CustomerDAO的源代码,系统扩展性较差,违反了开闭原则,现需要对该方案进行重构。

符合依赖倒置原则的设计

由于CustomerDAO针对具体数据转换类编程,因此在增加新的数据转换类或者更换数据转换类时都不得不修改CustomerDAO的源代码。我们可以通过引入抽象数据转换类解决该问题,在引入抽象数据转换类DataConvertor之后,CustomerDAO针对抽象类DataConvertor编程,而将具体数据转换类名存储在配置文件中,符合依赖倒转原则。根据里氏代换原则,程序运行时,具体数据转换类对象将替换DataConvertor类型的对象,程序不会出现任何问题。更换具体数据转换类时无须修改源代码,只需要修改配置文件;如果需要增加新的具体数据转换类,只要将新增数据转换类作为DataConvertor的子类并修改配置文件即可,原有代码无须做任何修改,满足开闭原则。

在上述重构过程中,我们使用了开闭原则、里氏代换原则和依赖倒转原则,在大多数情况下,这三个设计原则会同时出现,开闭原则是目标,里氏代换原则是基础,依赖倒转原则是手段,它们相辅相成,相互补充,目标一致,只是分析问题时所站角度不同而已。

接口隔离原则


•接口隔离原则(Interface  SegregationPrinciple, ISP):使用多个专门的接口,而不使用单一的总接口,即客户端不应该依赖那些它不需要的接口。

根据接口隔离原则,当一个接口太大时,我们需要将它分割成一些更细小的接口,使用该接口的客户端仅需知道与之相关的方法即可。每一个接口应该承担一种相对独立的角色,不干不该干的事,该干的事都要干。这里的“接口”往往有两种不同的含义:一种是指一个类型所具有的方法特征的集合,仅仅是一种逻辑上的抽象;另外一种是指某种语言具体的“接口”定义,有严格的定义和结构,比如Java语言中的interface。对于这两种不同的含义,ISP的表达方式以及含义都有所不同:

(1) 当把“接口”理解成一个类型所提供的所有方法特征的集合的时候,这就是一种逻辑上的概念,接口的划分将直接带来类型的划分。可以把接口理解成角色,一个接口只能代表一个角色,每个角色都有它特定的一个接口,此时,这个原则可以叫做“角色隔离原则”。

(2) 如果把“接口”理解成狭义的特定语言的接口,那么ISP表达的意思是指接口仅仅提供客户端需要的行为,客户端不需要的行为则隐藏起来,应当为客户端提供尽可能小的单独的接口,而不要提供大的总接口。在面向对象编程语言中,实现一个接口就需要实现该接口中定义的所有方法,因此大的总接口使用起来不一定很方便,为了使接口的职责单一,需要将大接口中的方法根据其职责不同分别放在不同的小接口中,以确保每个接口使用起来都较为方便,并都承担某一单一角色。接口应该尽量细化,同时接口中的方法应该尽量少,每个接口中只包含一个客户端(如子模块或业务逻辑类)所需的方法即可,这种机制也称为“定制服务”,即为不同的客户端提供宽窄不同的接口。

软件公司开发人员针对某CRM系统的客户数据显示模块设计了如图1所示接口

不符合接口隔离原则的设计

其中方法dataRead()用于从文件中读取数据,方法transformToXML()用于将数据转换成XML格式,方法createChart()用于创建图表,方法displayChart()用于显示图表,方法createReport()用于创建文字报表,方法displayReport()用于显示文字报表。

在实际使用过程中发现该接口很不灵活,例如如果一个具体的数据显示类无须进行数据转换(源文件本身就是XML格式),但由于实现了该接口,将不得不实现其中声明的transformToXML()方法(至少需要提供一个空实现);如果需要创建和显示图表,除了需实现与图表相关的方法外,还需要实现创建和显示文字报表的方法,否则程序编译时将报错。

使用接口隔离原则后的设计

在图中,由于在接口CustomerDataDisplay中定义了太多方法,即该接口承担了太多职责,一方面导致该接口的实现类很庞大,在不同的实现类中都不得不实现接口中定义的所有方法,灵活性较差,如果出现大量的空方法,将导致系统中产生大量的无用代码,影响代码质量;另一方面由于客户端针对大接口编程,将在一定程序上破坏程序的封装性,客户端看到了不应该看到的方法,没有为客户端定制接口。因此需要将该接口按照接口隔离原则和单一职责原则进行重构,将其中的一些方法封装在不同的小接口中,确保每一个接口使用起来都较为方便,并都承担某一单一角色,每个接口中只包含一个客户端(如模块或类)所需的方法即可。

在使用接口隔离原则时,我们需要注意控制接口的粒度,接口不能太小,如果太小会导致系统中接口泛滥,不利于维护;接口也不能太大,太大的接口将违背接口隔离原则,灵活性较差,使用起来很不方便。一般而言,接口中仅包含为某一类用户定制的方法即可,不应该强迫客户依赖于那些它们不用的方法。

其他设计原则

•迪米特法则(Law of  Demeter, LoD):一个软件实体应当尽可能少地与其他实体发生相互作用。

•合成/聚合复用原则(Composite/Aggregate Reuse Principle,CARP)

•You Ain’t Gonna Need It (YAGNI)

迪米特法则还有几种定义形式,包括:不要和“陌生人”说话、只与你的直接朋友通信等,在迪米特法则中,对于一个对象,其朋友包括以下几类:

(1) 当前对象本身(this);

(2) 以参数形式传入到当前对象方法中的对象;

(3) 当前对象的成员对象;

(4) 如果当前对象的成员对象是一个集合,那么集合中的元素也都是朋友;

(5) 当前对象所创建的对象。

任何一个对象,如果满足上面的条件之一,就是当前对象的“朋友”,否则就是“陌生人”。在应用迪米特法则时,一个对象只能与直接朋友发生交互,不要与“陌生人”发生直接交互,这样做可以降低系统的耦合度,一个对象的改变不会给太多其他对象带来影响。

迪米特法则要求我们在设计系统时,应该尽量减少对象之间的交互,如果两个对象之间不必彼此直接通信,那么这两个对象就不应当发生任何直接的相互作用,如果其中的一个对象需要调用另一个对象的某一个方法的话,可以通过第三者转发这个调用。简言之,就是通过引入一个合理的第三者来降低现有对象之间的耦合度。

在将迪米特法则运用到系统设计中时,要注意下面的几点:在类的划分上,应当尽量创建松耦合的类,类之间的耦合度越低,就越有利于复用,一个处在松耦合中的类一旦被修改,不会对关联的类造成太大波及;在类的结构设计上,每一个类都应当尽量降低其成员变量和成员函数的访问权限;在类的设计上,只要有可能,一个类型应当设计成不变类;在对其他类的引用上,一个对象对其他对象的引用应当降到最低。

在一个新的对象里面使用一些已有的对象,使之成为新对象的一部分;新的对象通过这些向对象的委派达到复用已有功能的目的.这个设计原则有另一个简短的表述:要尽量使用合成/聚合,尽量不要使用继承.

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