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软件架构设计的七大原则

2020-02-02 20:44 537 查看

1.开闭原则

开闭原则是指一个软件实体如类,模块和函数应该对扩展开放,对修改关闭,所谓的开闭,也正是对扩展和修改两个行为的一个原则。强调 的是用抽象构建框架,用实现扩展细节。可以提高软件系统的可复用性及可维护性。开 闭原则,是面向对象设计中最基础的设计原则。
实现开闭原则的核心思想就是面向抽象编程,接下来我们来看一段代码: 以学校的课程体系为例,首先创建一个课程接口

ICourse:
public interface ICourse {
Integer getId();
String getName();
Double getPrice();
}

整个课程生态有 Java 架构、大数据、人工智能、前端、软件测试等,我们来创建一个 Java 架构课程的类 JavaCourse:

public class JavaCourse implements ICourse{
private Integer Id;
private String name;
private Double price;
public JavaCourse(Integer id, String name, Double price) {
this.Id = id;
this.name = name;
this.price = price;
}
public Integer getId() {
return this.Id;
}
public String getName() {
return this.name;
}
public Double getPrice() {
return this.price;
}
}

现在我们要给 Java 架构课程做活动,价格优惠。如果修改 JavaCourse 中的 getPrice() 方法,则会存在一定的风险,可能影响其他地方的调用结果。我们如何在不修改原有代 码前提前下,实现价格优惠这个功能呢?现在,我们再写一个处理优惠逻辑的类, JavaDiscountCourse 类 ( 思 考 一 下 为 什 么 要 叫 JavaDiscountCourse , 而 不 叫 DiscountCourse):

public class JavaDiscountCourse extends JavaCourse {
public JavaDiscountCourse(Integer id, String name, Double price) {
super(id, name, price);
}
public Double getOriginPrice(){
return super.getPrice();
}
public Double getPrice(){
return super.getPrice() * 0.61;
}
}

2.依赖倒置原则

依赖倒置原则是指设计代码结构时,高层模块不应该依赖底层模块,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。通过依赖倒置,可以减少类与类之间的耦合性,提高系统的稳定性,提高代码的 可读性和可维护性,并能够降低修改程序所造成的风险。接下来看一个案例,还是以课 程为例,先来创建一个类 Tom:

public class Tom {
public void studyJavaCourse(){
System.out.println("Tom 在学习 Java 的课程");
}
public void studyPythonCourse(){
System.out.println("Tom 在学习 Python 的课程");
}
}

来调用一下:

public static void main(String[] args) {
Tom tom = new Tom();
tom.studyJavaCourse();
tom.studyPythonCourse();
}

Tom 热爱学习,目前正在学习 Java 课程和 Python 课程。大家都知道,学习也是会上瘾 的。随着学习兴趣的暴涨,现在 Tom 还想学习 AI 人工智能的课程。这个时候,业务扩 展,我们的代码要从底层到高层(调用层)一次修改代码。在 Tom 类中增加 studyAICourse()的方法,在高层也要追加调用。如此一来,系统发布以后,实际上是非 常不稳定的,在修改代码的同时也会带来意想不到的风险。接下来我们优化代码,创建 一个课程的抽象 ICourse 接口:

public interface ICourse {
void study();
}

然后写 JavaCourse 类:

public class JavaCourse implements ICourse {
@Override
public void study() {
System.out.println("Tom 在学习 Java 课程");
}
}

再实现 PythonCourse 类:

public class PythonCourse implements ICourse {
@Override
public void study() {
System.out.println("Tom 在学习 Python 课程");
}
}

修改 Tom 类:

public class Tom {
public void study(ICourse course){
course.study();
}
}

来看调用:

public static void main(String[] args) {
Tom tom = new Tom();
tom.study(new JavaCourse());
tom.study(new PythonCourse());
}

我们这时候再看来代码,Tom 的兴趣无论怎么暴涨,对于新的课程,我只需要新建一个 类,通过传参的方式告诉 Tom,而不需要修改底层代码。实际上这是一种大家非常熟悉 的方式,叫依赖注入。注入的方式还有构造器方式和 setter 方式。我们来看构造器注入 方式:

public class Tom {
private ICourse course;
public Tom(ICourse course){
this.course = course;
}
public void study(){
course.study();
}
}

看调用代码:

public static void main(String[] args) {
Tom tom = new Tom(new JavaCourse());
tom.study();
}

根据构造器方式注入,在调用时,每次都要创建实例。那么,如果 Tom 是全局单例,则 我们就只能选择用 Setter 方式来注入,继续修改 Tom 类的代码:

public class Tom {
private ICourse course;
public void setCourse(ICourse course) {
this.course = course;
}
public void study(){
course.study();
}
}

看调用代码:

public static void main(String[] args) {
Tom tom = new Tom();
tom.setCourse(new JavaCourse());
tom.study();
tom.setCourse(new PythonCourse());
tom.study();
}

3.单一职责原则

单一指责原则是指不要存在多于一个导致类变更的原因。假设我们有一个Class负责两个职责,一旦发生需求变更,修改其中一个职责的逻辑代码,有可能使另一个指责的功能发生故障。这样一来,这个Class存在两个导致类变更的原因。如何解决这个问题呢?我们就要给两个职责分别用两个 Class 来实现, 进行解耦。后期需求变更维护互不影响。这样的设计,可以降低类的复杂度,提高类的 可 读 性 , 提 高 系 统 的 可 维 护 性 , 降 低 变 更 引 起 的 风 险 。 总 体 来 说 就 是 一 个 Class/Interface/Method 只负责一项职责。
举例说明,用一个类描述动物呼吸这个场景:

class Animal{
public void breathe(String animal){
System.out.println(animal+"呼吸空气");
}
}
public class Client{
public static void main(String[] args){
Animal animal = new Animal();
animal.breathe("牛");
animal.breathe("羊");
animal.breathe("猪");
}
}

运行结果:

牛呼吸空气
羊呼吸空气
猪呼吸空气

程序上线后,发现问题了,并不是所有的动物都呼吸空气的,比如鱼就是呼吸水的。修改时如果遵循单一职责原则,需要将Animal类细分为陆生动物类Terrestrial,水生动物Aquatic,代码如下:

c

lass Terrestrial{
public void breathe(String animal){
System.out.println(animal+"呼吸空气");
}
}
class Aquatic{
public void breathe(String animal){
System.out.println(animal+"呼吸水");
}
}

public class Client{
public static void main(String[] args){
Terrestrial terrestrial = new Terrestrial();
terrestrial.breathe("牛");
terrestrial.breathe("羊");
terrestrial.breathe("猪");

Aquatic aquatic = new Aquatic();
aquatic.breathe("鱼");
}
}

运行结果:

牛呼吸空气
羊呼吸空气
猪呼吸空气鱼呼吸水

我们会发现如果这样修改花销是很大的,除了将原来的类分解之外,还需要修改客户端。而直接修改类Animal来达成目的虽然违背了单一职责原则,但花销却小的多,代码如下:

class Animal{
public void breathe(String animal){
if("鱼".equals(animal)){
System.out.println(animal+"呼吸水");
}else{
System.out.println(animal+"呼吸空气");
}
}
}

public class Client{
public static void main(String[] args){
Animal animal = new Animal();
animal.breathe("牛");
animal.breathe("羊");
animal.breathe("猪");
animal.breathe("鱼");
}
}

可以看到,这种修改方式要简单的多。但是却存在着隐患:有一天需要将鱼分为呼吸淡水的鱼和呼吸海水的鱼,则又需要修改Animal类的breathe方法,而对原有代码的修改会对调用“猪”“牛”“羊”等相关功能带来风险,也许某一天你会发现程序运行的结果变为“牛呼吸水”了。这种修改方式直接在代码级别上违背了单一职责原则,虽然修改起来最简单,但隐患却是最大的。还有一种修改方式:

class Animal{
public void breathe(String animal){
System.out.println(animal+"呼吸空气");
}

public void breathe2(String animal){
System.out.println(animal+"呼吸水");
}
}

public class Client{
public static void main(String[] args){
Animal animal = new Animal();
animal.breathe("牛");
animal.breathe("羊");
animal.breathe("猪");
animal.breathe2("鱼");
}
}

可以看到,这种修改方式没有改动原来的方法,而是在类中新加了一个方法,这样虽然也违背了单一职责原则,但在方法级别上却是符合单一职责原则的,因为它并没有动原来方法的代码。这三种方式各有优缺点,那么在实际编程中,采用哪一中呢?其实这真的比较难说,需要根据实际情况来确定。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;
例如本文所举的这个例子,它太简单了,它只有一个方法,所以,无论是在代码级别上违反单一职责原则,还是在方法级别上违反,都不会造成太大的影响。实际应用中的类都要复杂的多,一旦发生职责扩散而需要修改类时,除非这个类本身非常简单,否则还是遵循单一职责原则的好。

遵循单一职责原的优点有:

可以降低类的复杂度,一个类只负责一项职责,其逻辑肯定要比负责多项职责简单的多;
提高类的可读性,提高系统的可维护性;
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。
需要说明的一点是单一职责原则不只是面向对象编程思想所特有的,只要是模块化的程序设计,都适用单一职责原则。

4.接口隔离原则

接口隔离原则是指用多个专门的接口,而不使用但一总接口,客户端不应该依赖他不需要的接口。这个设计原则指导我们设计接口时应当注意以下几点:
1.一个类对一类的依赖应该建立在最小的接口之上
2.建立单一的接口,不要建立庞大臃肿的接口
3.尽量细化接口,接口中的方法尽量少(不是越少越好,一定要适度)。
接口隔离原则符合我们常说的高内聚低耦合的设计思想,从而使得类具有很好的可读性、 可扩展性和可维护性。我们在设计接口的时候,要多花时间去思考,要考虑业务模型, 包括以后有可能发生变更的地方还要做一些预判。所以,对于抽象,对业务模型的理解 是非常重要的。下面我们来看一段代码,写一个动物行为的抽象:

IAnimal 接口:
public interface IAnimal {
void eat();
void fly();
void swim();
}

Bird 类实现:
public class Bird implements IAnimal {
@Override
public void eat() {}
@Override
public void fly() {}
@Override 、
public void swim() {}
}

Dog 类实现:
public class Dog implements IAnimal {
@Override
public void eat() {}
@Override
public void fly() {}
@Override
public void swim() {}
}

可以看出,Bird 的 swim()方法可能只能空着,Dog 的 fly()方法显然不可能的。这时候, 我们针对不同动物行为来设计不同的接口,分别设计 IEatAnimal,IFlyAnimal 和 ISwimAnimal 接口,来看代码:

IEatAnimal 接口:
public interface IEatAnimal {
void eat();
}

IFlyAnimal 接口:
public interface IFlyAnimal {
void fly();
}

ISwimAnimal 接口:
public interface ISwimAnimal {
void swim();
}

Dog 只实现 IEatAnimal 和 ISwimAnimal 接口:
public class Dog implements ISwimAnimal,IEatAnimal {
@Override
public void eat() {}
@Override
public void swim() {}
}

5.迪米特法则

迪米特原则是指一个对象应该对其他对象保持最少的了解,又叫最少知道原则,尽量降低类与类之间的耦合。迪米特原则主要强调只和朋友交流,不和陌生人说话。出现在成员变量、方法的输入、输 出参数中的类都可以称之为成员朋友类,而出现在方法体内部的类不属于朋友类。
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。

//总公司员工
class Employee{
private String id;
public void setId(String id){
this.id = id;
}
public String getId(){
return id;
}
}

//分公司员工
class SubEmployee{
private String id;
public void setId(String id){
this.id = id;
}
public String getId(){
return id;
}
}

class SubCompanyManager{
public List<SubEmployee> getAllEmployee(){
List<SubEmployee> list = new ArrayList<SubEmployee>();
for(int i=0; i<100; i++){
SubEmployee emp = new SubEmployee();
//为分公司人员按顺序分配一个ID
emp.setId("分公司"+i);
list.add(emp);
}
return list;
}
}

class CompanyManager{

public List<Employee> getAllEmployee(){
List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();
for(int i=0; i<30; i++){
Employee emp = new Employee();
//为总公司人员按顺序分配一个ID
emp.setId("总公司"+i);
list.add(emp);
}
return list;
}

public void printAllEmployee(SubCompanyManager sub){
List<SubEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();
for(SubEmployee e:list1){
System.out.println(e.getId());
}

List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
for(Employee e:list2){
System.out.println(e.getId());
}
}
}

public class Client{
public static void main(String[] args){
CompanyManager e = new CompanyManager();
e.printAllEmployee(new SubCompanyManager());
}
}

现在这个设计的主要问题出在CompanyManager中,根据迪米特法则,只与直接的朋友发生通信,而SubEmployee类并不是CompanyManager类的直接朋友(以局部变量出现的耦合不属于直接朋友),从逻辑上讲总公司只与他的分公司耦合就行了,与分公司的员工并没有任何联系,这样设计显然是增加了不必要的耦合。按照迪米特法则,应该避免类中出现这样非直接朋友关系的耦合。修改后的代码如下:

class SubCompanyManager{
public List<SubEmployee> getAllEmployee(){
List<SubEmployee> list = new ArrayList<SubEmployee>();
for(int i=0; i<100; i++){
SubEmployee emp = new SubEmployee();
//为分公司人员按顺序分配一个ID
emp.setId("分公司"+i);
list.add(emp);
}
return list;
}
public void printEmployee(){
List<SubEmployee> list = this.getAllEmployee();
for(SubEmployee e:list){
System.out.println(e.getId());
}
}
}

class CompanyManager{
public List<Employee> getAllEmployee(){
List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();
for(int i=0; i<30; i++){
Employee emp = new Employee();
//为总公司人员按顺序分配一个ID
emp.setId("总公司"+i);
list.add(emp);
}
return list;
}

public void printAllEmployee(SubCompanyManager sub){
sub.printEmployee();
List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
for(Employee e:list2){
System.out.println(e.getId());
}
}
}

修改后,为分公司增加了打印人员ID的方法,总公司直接调用来打印,从而避免了与分公司的员工发生耦合。

迪米特法则的初衷是降低类之间的耦合,由于每个类都减少了不必要的依赖,因此的确可以降低耦合关系。但是凡事都有度,虽然可以避免与非直接的类通信,但是要通信,必然会通过一个“中介”来发生联系,例如本例中,总公司就是通过分公司这个“中介”来与分公司的员工发生联系的。过分的使用迪米特原则,会产生大量这样的中介和传递类,导致系统复杂度变大。所以在采用迪米特法则时要反复权衡,既做到结构清晰,又要高内聚低耦合。

6.里氏替换原则

里氏替换原则是指如果对每一个类型为 T1 的对 象 o1,都有类型为 T2 的对象 o2,使得以 T1 定义的所有程序 P 在所有的对象 o1 都替换成 o2 时,程序 P 的行为没有发生变化,那么类型 T2 是类型 T1 的子类型。
定义看上去还是比较抽象,我们重新理解一下,可以理解为一个软件实体如果适用一个父类的话,那一定适用其子类,所有引用父类的地方必须能透明的使用其子类的对象,子类对象能替换父类对象,而程序逻辑不变。
引申含义:子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。
1、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。
2、子类中可以增加自己特有的方法。
3、当子类的方法重载父类的方法时,方法的前置条件(即方法的输入/入参)要比父类 方法的输入参数更宽松。
4、当子类的方法实现父类的方法时(重写/重载或实现抽象方法),方法的后置条件(即 方法的输出/返回值)要比父类更严格或相等。
在前面讲开闭原则的时候埋下了一个伏笔,我们记得在获取折后时重写覆盖了父类的 getPrice()方法,增加了一个获取源码的方法 getOriginPrice(),显然就违背了里氏替换 原则。我们修改一下代码,不应该覆盖 getPrice()方法,增加 getDiscountPrice ()方法:

public class JavaDiscountCourse extends JavaCourse {
public JavaDiscountCourse(Integer id, String name, Double price) {
super(id, name, price);
}
public Double getDiscountPrice(){
return super.getPrice() * 0.61;
}
}

使用里氏替换原则有以下优点:
1、约束继承泛滥,开闭原则的一种体现。
2、加强程序的健壮性,同时变更时也可以做到非常好的兼容性,提高程序的维护性、扩 展性。降低需求变更时引入的风险。
覆盖或实现父类的方法时输出结果可以被缩小
父类的一个方法的返回值是一个类型T,子类的相同方法的返回值为S,那么里氏替换原则就要求S必须小于等于T
采用里氏替换原则的目的就是增强程序的健壮性,版本升级时也可以保持非常好的兼容性。即使增加子类,原有的子类还可以继续运行。在实际项目中,每个子类对应不同的业务含义,使用父类作为参数,传递不同的子类完成不同的业务逻辑,非常完美。
里氏替换原则经验
在项目中,采用里氏替换原则时,尽量避免子类的“个性”,一旦子类有了“个性”,这个子类和父类之间的关系就难调和,把子类当做父类使用,子类的“个性”被抺杀了,把子类单独作为一个业务来使用,则会让代码间的耦合关系变得扑朔迷离–缺乏类替换的标准。

7.合成复用原则

· 合成复用原则是指尽量使用对象组合/聚合,而不是继承关系达到软件复用的目的。可以使系统更加灵活,降低类与类之间的耦合度,一个类的变化对其他类造成的影响相对较少
继承我们叫做白箱复用,相当于把所有的实现细节暴露给子类。组合/聚合也称之为黑箱 复用,对类以外的对象是无法获取到实现细节的。要根据具体的业务场景来做代码设计, 其实也都需要遵循 OOP 模型。还是以数据库操作为例,先来创建 DBConnection 类:

public class DBConnection {
public String getConnection(){
return "MySQL 数据库连接";
}
}

创建 ProductDao 类:

public class ProductDao{
private DBConnection dbConnection;
public void setDbConnection(DBConnection dbConnection) {
this.dbConnection = dbConnection;
}
public void addProduct(){
String conn = dbConnection.getConnection();
System.out.println("使用"+conn+"增加产品");
}
}

这就是一种非常典型的合成复用原则应用场景。但是,目前的设计来说,DBConnection 还不是一种抽象,不便于系统扩展。目前的系统支持 MySQL 数据库连接,假设业务发生 变化,数据库操作层要支持 Oracle 数据库。当然,我们可以在 DBConnection 中增加对 Oracle 数据库支持的方法。但是违背了开闭原则。其实,我们可以不必修改 Dao 的代码, 将 DBConnection 修改为 abstract,来看代码:

public abstract class DBConnection {
public abstract String getConnection();
}

然后,将 MySQL 的逻辑抽离:

public class MySQLConnection extends DBConnection {
@Override public
String getConnection() {
return "MySQL 数据库连接";
}
}

再创建 Oracle 支持的逻辑:

public class OracleConnection extends DBConnection {
@Override
public String getConnection() {
return "Oracle 数据库连接";
}
}
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