[01][01][01] 七大软件设计原则

10/18 12:55
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1. 七大软件设计原则

  • 单一职责原则
  • 里氏替换原则
  • 依赖倒置原则
  • 接口隔离原则
  • 合成复用原则
  • 开闭原则
  • 迪米特法则

快速记忆口诀:单一的里氏依赖接口合成开闭的迪米特法则

2. 开闭原则

开闭原则(Open-ClosedPrinciple,OCP)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.它指导我们如何建立稳定灵活的系统,例如:我们版本更新,我尽可能不修改源代码,但是可以增加新功能.

在现实生活中对于开闭原则也有体现.比如,很多互联网公司都实行弹性制作息时间,规定每天工作8小时.意思就是说,对于每天工作8小时这个规定是关闭的,但是你什么时候来,什么时候走是开放的.早来早走,晚来晚走.

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:以咕泡学院的课程体系为例,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;
    }
}

回顾一下,简单一下类结构图:

3. 依赖倒置原则

依赖倒置原则(DependenceInversionPrinciple,DIP)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();
}

现在我们再来看最终的类图:

大家要切记:以抽象为基准比以细节为基准搭建起来的架构要稳定得多,因此大家在拿到需求之后,要面向接口编程,先顶层再细节来设计代码结构

4. 单一职责原则

单一职责(SimpleResponsibilityPinciple,SRP)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,有可能会导致另一个职责的功能发生故障.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

接下来,我们来看代码实例,还是用课程举例,我们的课程有直播课和录播课.直播课不能快进和快退,录播可以可以任意的反复观看,功能职责不一样.还是先创建一个 Course 类:

public class Course {
    public void study(String courseName) {
        if ("直播课".equals(courseName)) {
            System.out.println("不能快进");
        } else {
            System.out.println("可以任意的来回播放");
        }
    }
}

看代码调用:

public static void main(String[] args) {
    Course course = new Course();
    course.study("直播课");
    course.study("录播课");
}

从上面代码来看,Course 类承担了两种处理逻辑.假如,现在要对课程进行加密,那么直播课和录播课的加密逻辑都不一样,必须要修改代码.而修改代码逻辑势必会相互影响容易造成不可控的风险.我们对职责进行分离解耦,来看代码,分别创建两个类 ReplayCourse 和 LiveCourse:
LiveCourse 类:

public class LiveCourse {
    public void study(String courseName) {
        System.out.println(courseName + "不能快进看");
    }
}

ReplayCourse 类:

public class ReplayCourse {
    public void study(String courseName) {
        System.out.println("可以任意的来回播放");
    }
}

调用代码:

public static void main(String[] args) {
    LiveCourse liveCourse = new LiveCourse();
    liveCourse.study("直播课");
    ReplayCourse replayCourse = new ReplayCourse();
    replayCourse.study("录播课");
}

业务继续发展,课程要做权限.没有付费的学员可以获取课程基本信息,已经付费的学员可以获得视频流,即学习权限.那么对于控制课程层面上至少有两个职责.我们可以把展示职责和管理职责分离开来,都实现同一个抽象依赖.设计一个顶层接口,创建 ICourse 接口:

public interface ICourse {
    //获得基本信息
    String getCourseName();
    //获得视频流
    byte[] getCourseVideo();
    //学习课程
    void studyCourse();
    //退款
    void refundCourse();
}

我们可以把这个接口拆成两个接口,创建一个接口 ICourseInfo 和 ICourseManager:
ICourseInfo 接口:

public interface ICourseInfo {
    String getCourseName();
    byte[] getCourseVideo();
}

ICourseManager 接口:

public interface ICourseManager {
    void studyCourse(); void refundCourse();
}

来看一下类图:

下面我们来看一下方法层面的单一职责设计.有时候,我们为了偷懒,通常会把一个方法写成下面这样:

private void modifyUserInfo(String userName,String address) {
    userName = "Tom";
    address = "Changsha";
}

还可能写成这样:

private void modifyUserInfo(String userName,String... fileds) {
    userName = "Tom";
    // address = "Changsha";
}

private void modifyUserInfo(String userName,String address,boolean bool) {
    if (bool) {

    } else{

    }
    userName = "Tom";
    address = "Changsha";
}

显然,上面的 modifyUserInfo()方法中都承担了多个职责,既可以修改 userName,也可以修改 address,甚至更多,明显不符合单一职责.那么我们做如下修改,把这个方法拆成两个:

private void modifyUserName(String userName){
    userName = "Tom";
}

private void modifyAddress(String address){
    address = "Changsha";
}

这修改之后,开发起来简单,维护起来也容易.但是,我们在实际开发中会项目依赖,组合,聚合这些关系,还有还有项目的规模,周期,技术人员的水平,对进度的把控,很多类都不符合单一职责.但是,我们在编写代码的过程,尽可能地让接口和方法保持单一职责,对我们项目后期的维护是有很大帮助的

5. 接口隔离原则

接口隔离原则(InterfaceSegregationPrinciple,ISP)是指用多个专门的接口,而不使用单一的总接口,客户端不应该依赖它不需要的接口.这个原则指导我们在设计接口时应当注意一下几点:

  • 一个类对一类的依赖应该建立在最小的接口之上
  • 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(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() {}
}

来看下两种类图的对比,还是非常清晰明了的:

6. 迪米特法则

迪米特原则(LawofDemeterLoD)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(LeastKnowledgePrinciple,LKP),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.

现在来设计一个权限系统,TeamLeader 需要查看目前发布到线上的课程数量.这时候,TeamLeader 要找到员工 Employee 去进行统计,Employee 再把统计结果告诉 TeamLeader.接下来我们还是来看代码:

Course 类:

public class Course {
}

Employee 类:

public class Employee{
    public void checkNumberOfCourses(List<Course> courseList){
        System.out.println("目前已发布的课程数量是:" + courseList.size());
    }
}

TeamLeader 类:

public class TeamLeader{
    public void commandCheckNumber(Employee employee){
        List<Course> courseList = new ArrayList<Course>();
        for (int i= 0; i < 20 ;i ++){
            courseList.add(new Course());
        }
        employee.checkNumberOfCourses(courseList);
    }
}

测试代码:

public static void main(String[] args) {
    TeamLeader teamLeader = new TeamLeader();
    Employee employee = new Employee();
    teamLeader.commandCheckNumber(employee);
}

写到这里,其实功能已经都已经实现,代码看上去也没什么问题.根据迪米特原则,TeamLeader 只想要结果,不需要跟 Course 产生直接的交流.而 Employee 统计需要引用 Course 对象.TeamLeader 和 Course 并不是朋友,从下面的类图就可以看出来:

下面来对代码进行改造:
Employee 类:

public class Employee {
public void checkNumberOfCourses(){
    List<Course> courseList = new ArrayList<Course>();
        for (int i= 0; i < 20 ;i ++){
            courseList.add(new Course());
        }
        System.out.println("目前已发布的课程数量是:"+courseList.size());
    }
}

TeamLeader 类:

public class TeamLeader {
    public void commandCheckNumber(Employee employee){
        employee.checkNumberOfCourses();
    }
}

再来看下面的类图,Course 和 TeamLeader 已经没有关联了.

学习软件设计原则,千万不能形成强迫症.碰到业务复杂的场景,我们需要随机应变

7. 里氏替换原则

里氏替换原则(LiskovSubstitutionPrinciple,LSP)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,那一定是适用于其子类,所有引用父类的地方必须能透明地使用其子类的对象,子类对象能够替换父类对象,而程序逻辑不变.根据这个理解,我们总结一下:

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.

  • 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(即方法的输入/入参)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:

  • 约束继承泛滥,开闭原则的一种体现
  • 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.现在来描述一个经典的业务场景,用正方形,矩形和四边形的关系说明里氏替换原则,我们都知道正方形是一个特殊的长方形,那么就可以创建一个长方形父类 Rectangle 类:

    public class Rectangle {
    private long height;
    private long width;
    public long getHeight() {
    return height;
    }
    public void setHeight(long height) {
    this.height = height;
    }
    public long getWidth() {
    return width;
    }
    public void setWidth(long width) {
    this.width = width;
    }
    }













创建正方形 Square 类继承长方形:


public class Square extends Rectangle {
    private long length;

    public long getLength() {
        return length;
    }

    public void setLength(long length) {
        this.length = length;
    }

    @Override
    public long getHeight() {
        return getLength();
    }

    @Override
    public void setHeight(long height) {
        setLength(height);
    }

    @Override
    public long getWidth() {
        return getLength();
    }

    @Override
    public void setWidth(long width) {
        setLength(width);
    }
}

在测试类中创建 resize()方法,根据逻辑长方形的宽应该大于等于高,我们让高一直自增,知道高等于宽变成正方形:

public static void resize(Rectangle rectangle){

    while (rectangle.getWidth() >= rectangle.getHeight()){
        rectangle.setHeight(rectangle.getHeight() + 1);
        System.out.println("Width:" +rectangle.getWidth() +",Height:" + rectangle.getHeight());
    }

    System.out.println("Resize End,Width:" +rectangle.getWidth() +",Height:" + rectangle.getHeight());
}

测试代码:

public static void main(String[] args) {
    Rectangle rectangle = new Rectangle();
    rectangle.setWidth(20);
    rectangle.setHeight(10);
    resize(rectangle);
}

运行结果:

发现高比宽还大了,在长方形中是一种非常正常的情况.现在我们再来看下面的代码,把长方形 Rectangle 替换成它的子类正方形 Square,修改测试代码:

public static void main(String[] args) {
    Square square = new Square();
    square.setLength(10);
    resize(square);
}

这时候我们运行的时候就出现了死循环,违背了里氏替换原则,将父类替换为子类后,程序运行结果没有达到预期.因此,我们的代码设计是存在一定风险的.里氏替换原则只存在父类与子类之间,约束继承泛滥.我们再来创建一个基于长方形与正方形共同的抽象四边形 Quadrangle 接口:

public interface QuadRangle {
    long getWidth();
    long getHeight();
}

修改长方形 Rectangle 类:

public class Rectangle implements QuadRangle {
    private long height;
    private long width;

    public long getHeight() {
        return height;
    }

    public void setHeight(long height) {
        this.height = height;
    }

    public long getWidth() {
        return width;
    }

    public void setWidth(long width) {
        this.width = width;
    }
}

修改正方形类 Square 类:

public class Square implements QuadRangle {
    private long length;

    public long getLength() {
        return length;
    }

    public void setLength(long length) {
        this.length = length;
    }

    public long getWidth() {
        return length;
    }

    public long getHeight() {
        return length;
    }
}

此时,如果我们把 resize()方法的参数换成四边形 Quadrangle 类,方法内部就会报错.因为正方形 Square 已经没有了 setWidth()和 setHeight()方法了.因此,为了约束继承滥,resize()的方法参数只能用 Rectangle 长方形.当然,我们在后面的设计模式课程中还会继续深入讲解

8. 合成复用原则

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() {}
}

来看下两种类图的对比,还是非常清晰明了的:

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