面向对象及软件设计原则总结

水深无声 2023-03-13 05:28 24阅读 0赞

# 面向对象 #

现在，主流的编程范式或者编程风格有三种，它们分别是面向过程、面向对象和函数式编程。面向对象这种编程风格又是这其中最主流的。现在比较流行的编程语言大部分都是面向对象编程语言。大部分项目也都是基于面向对象编程风格开发的。面向对象编程因为其具有丰富的特性（封装、抽象、继承、多态），可以实现很多复杂的设计思路，是很多设计原则、设计模式编码实现的基础。

## 面向对象四大特性 ##

理解面向对象编程及面向对象编程语言的关键就是理解其四大特性：**封装、抽象、继承、多态**。不过，对于这四大特性，光知道它们的定义是不够的，我们还要知道每个特性存在的意义和目的，以及它们能解决哪些编程问题。

封装也叫作信息隐藏或者数据访问保护。类通过暴露有限的访问接口，授权外部仅能通过类提供的方式（或者叫函数）来访问内部信息或者数据。它需要编程语言提供权限访问控制语法来支持，例如Java中的private、protected、public关键字。封装特性存在的意义，一方面是保护数据不被随意修改，提高代码的可维护性；另一方面是仅暴露有限的必要接口，提高类的易用性。例如，一个钱包类Wallet，对于表示余额的字段balance肯定不能暴露set方法直接随意修改，通常是暴露增加或减少余额的方法。

如果说封装主要讲如何隐藏信息、保护数据，那抽象就是讲如何隐藏方法的具体实现，让使用者只需要关心方法提供了哪些功能，不需要知道这些功能是如何实现的。抽象可以通过接口类或者抽象类来实现。抽象存在的意义，一方面是修改实现不需要改变定义；另一方面，它也是处理复杂系统的有效手段，能有效地过滤掉不必要关注的信息。

继承用来表示类之间的is-a关系，分为两种模式：单继承和多继承。单继承表示一个子类只继承一个父类，多继承表示一个子类可以继承多个父类。为了实现继承这个特性，编程语言需要提供特殊的语法机制来支持。继承主要是用来解决代码复用的问题。多态是指子类可以替换父类，在实际的代码运行过程中，调用子类的方法实现。多态这种特性也需要编程语言提供特殊的语法机制来实现，比如继承、接口类、duck-typing。多态可以提高代码的扩展性和复用性，是很多设计模式、设计原则、编程技巧的代码实现基础。

## 面向对象VS面向过程 ##

面向对象编程相比面向过程编程的优势主要有三个。

*  对于大规模复杂程序的开发，程序的处理流程并非单一的一条主线，而是错综复杂的网状结构。
 *  面向对象编程比起面向过程编程，更能应对这种复杂类型的程序开发。面向对象编程相比面向过程编程，具有更加丰富的特性（封装、抽象、继承、多态）。利用这些特性编写出来的代码，更加易扩展、易复用、易维护。
 *  从编程语言跟机器打交道方式的演进规律中，我们可以总结出：面向对象编程语言比起面向过程编程语言，更加人性化、更加高级、更加智能。

面向对象编程一般使用面向对象编程语言来进行，但是，不用面向对象编程语言，我们照样可以进行面向对象编程。反过来讲，即便我们使用面向对象编程语言，写出来的代码也不一定是面向对象编程风格的，也有可能是面向过程编程风格的。

面向对象和面向过程两种编程风格并不是非黑即白、完全对立的。在用面向对象编程语言开发的软件中，面向过程风格的代码并不少见，甚至在一些标准的开发库（比如JDK、Apache Commons、Google Guava）中，也有很多面向过程风格的代码。

不管使用面向过程还是面向对象哪种风格来写代码，我们最终的目的还是写出易维护、易读、易复用、易扩展的高质量代码。只要我们能避免面向过程编程风格的一些弊端，控制好它的副作用，在掌控范围内为我们所用，我们就大可不用避讳在面向对象编程中写面向过程风格的代码。

## 面向对象分析、设计与编程 ##

面向对象分析、设计与编程面向对象分析（OOA）、面向对象设计（OOD）、面向对象编程（OOP），是面向对象开发的三个主要环节。简单点讲，面向对象分析就是要搞清楚做什么，面向对象设计就是要搞清楚怎么做，面向对象编程就是将分析和设计的的结果翻译成代码的过程。

需求分析的过程实际上是一个不断迭代优化的过程。我们不要试图一下就给出一个完美的解决方案，而是先给出一个粗糙的、基础的方案，有一个迭代的基础，然后再慢慢优化。这样一个思考过程能让我们摆脱无从下手的窘境。

面向对象设计和实现要做的事情就是把合适的代码放到合适的类中。至于到底选择哪种划分方法，判定的标准是让代码尽量地满足“松耦合、高内聚”、单一职责、对扩展开放对修改关闭等我们之前讲到的各种设计原则和思想，尽量地做到代码可复用、易读、易扩展、易维护。

面向对象分析的产出是详细的需求描述。面向对象设计的产出是类。在面向对象设计这一环节中，我们将需求描述转化为具体的类的设计。这个环节的工作可以拆分为下面四个部分。

*  划分职责进而识别出有哪些类。根据需求描述，我们把其中涉及的功能点，一个一个罗列出来，然后再去看哪些功能点职责相近，操作同样的属性，可否归为同一个类。
 *  定义类及其属性和方法。我们识别出需求描述中的动词，作为候选的方法，再进一步过滤筛选出真正的方法，把功能点中涉及的名词，作为候选属性，然后同样再进行过滤筛选。
 *  定义类与类之间的交互关系。UML 统一建模语言中定义了六种类之间的关系。它们分别是：泛化、实现、关联、聚合、组合、依赖。我们从更加贴近编程的角度，对类与类之间的关系做了调整，保留了四个关系：泛化、实现、组合、依赖。
 *  将类组装起来并提供执行入口。我们要将所有的类组装在一起，提供一个执行入口。这个入口可能是一个main()函数，也可能是一组给外部用的API接口。通过这个入口，我们能触发整个代码跑起来。

## 接口 VS 抽象类 ##

抽象类不允许被实例化，只能被继承。它可以包含属性和方法。方法既可以包含代码实现，也可以不包含代码实现。不包含代码实现的方法叫作抽象方法。子类继承抽象类，必须实现抽象类中的所有抽象方法。接口不能包含属性（Java可以定义静态常量），只能声明方法，方法不能包含代码实现（Java8以后可以有默认实现）。类实现接口的时候，必须实现接口中声明的所有方法。

抽象类是对成员变量和方法的抽象，是一种is-a关系，是为了解决代码复用问题。接口仅仅是对方法的抽象，是一种has-a关系，表示具有某一组行为特性，是为了解决解耦问题，隔离接口和具体的实现，提高代码的扩展性。

什么时候该用抽象类？什么时候该用接口？实际上，判断的标准很简单。如果要表示一种is-a的关系，并且是为了解决代码复用问题，我们就用抽象类；如果要表示一种has-a关系（某个类具有某种行为特性或能力），并且是为了解决抽象而非代码复用问题，那我们就用接口。

## 基于接口而非实现编程 ##

应用这条原则，可以将接口和实现相分离，封装不稳定的实现，暴露稳定的接口。上游系统面向接口而非实现编程，不依赖不稳定的实现细节，这样当实现发生变化的时候，上游系统的代码基本上不需要做改动，以此来降低耦合性，提高扩展性。

实际上，“基于接口而非实现编程”这条原则的另一个表述方式是，“基于抽象而非实现编程”。后者的表述方式其实更能体现这条原则的设计初衷。在软件开发中，最大的挑战之一就是需求的不断变化，这也是考验代码设计好坏的一个标准。

越抽象、越顶层、越脱离具体某一实现的设计，越能提高代码的灵活性，越能应对未来的需求变化。好的代码设计，不仅能应对当下的需求，而且在将来需求发生变化的时候，仍然能够在不破坏原有代码设计的情况下灵活应对。而抽象就是提高代码扩展性、灵活性、可维护性最有效的手段之一。

## 多用组合少用继承 ##

继承是面向对象的四大特性之一，用来表示类之间的is-a关系，可以解决代码复用的问题。虽然继承有诸多作用，但继承层次过深、过复杂，也会影响到代码的可维护性。在这种情况下，我们应该尽量少用，甚至不用继承。

### 组合相比继承有哪些优势 ###

继承主要有三个作用：表示is-a关系、支持多态特性、代码复用。而这三个作用都可以通过组合、接口、委托三个技术手段来达成。除此之外，利用组合还能解决层次过深、过复杂的继承关系影响代码可维护性的问题。

尽管我们鼓励多用组合少用继承，但组合也并不是完美的，继承也并非一无是处。在实际的项目开发中，我们还是要根据具体的情况，来选择该用继承还是组合。如果类之间的继承结构稳定，层次比较浅，关系不复杂，我们就可以大胆地使用继承。反之，我们就尽量使用组合来替代继承。除此之外，还有一些设计模式、特殊的应用场景，会固定使用继承或者组合。

### 贫血模型 VS 充血模型 ###

我们平时做Web项目的业务开发，大部分都是基于贫血模型的MVC三层架构，在专栏中我把它称为传统的开发模式。之所以称之为“传统”，是相对于新兴的基于充血模型的DDD开发模式来说的。基于贫血模型的传统开发模式，是典型的面向过程的编程风格。相反，基于充血模型的DDD开发模式，是典型的面向对象的编程风格。

不过，DDD也并非银弹。对于业务不复杂的系统开发来说，基于贫血模型的传统开发模式简单够用，基于充血模型的DDD开发模式有点大材小用，无法发挥作用。相反，对于业务复杂的系统开发来说，基于充血模型的DDD开发模式，因为前期需要在设计上投入更多时间和精力，来提高代码的复用性和可维护性，所以相比基于贫血模型的开发模式，更加有优势。

基于充血模型的DDD开发模式跟基于贫血模型的传统开发模式相比，主要区别在Service层。在基于充血模型的开发模式下，我们将部分原来在 Service类中的业务逻辑移动到了一个充血的Domain领域模型中，让 Service类的实现依赖这个Domain类。不过，Service类并不会完全移除，而是负责一些不适合放在Domain类中的功能。比如，负责与Repository层打交道、跨领域模型的业务聚合功能、幂等事务等非功能性的工作。

基于充血模型的DDD开发模式跟基于贫血模型的传统开发模式相比，Controller层和Repository层的代码基本上相同。这是因为，Repository层的Entity生命周期有限，Controller层的VO只是单纯作为一种DTO。两部分的业务逻辑都不会太复杂。业务逻辑主要集中在Service层。所以，Repository层和Controller层继续沿用贫血模型的设计思路是没有问题的。

# 设计原则 #

## SOLID 原则：SRP单一职责原则 ##

一个类只负责完成一个职责或者功能。单一职责原则通过避免设计大而全的类，避免将不相关的功能耦合在一起，来提高类的内聚性。同时，类职责单一，类依赖的和被依赖的其他类也会变少，减少了代码的耦合性，以此来实现代码的高内聚、松耦合。但是，如果拆分得过细，实际上会适得其反，反倒会降低内聚性，也会影响代码的可维护性。不同的应用场景、不同阶段的需求背景、不同的业务层面，对同一个类的职责是否单一，可能会有不同的判定结果。实际上，一些侧面的判断指标更具有指导意义和可执行性，比如，出现下面这些情况就有可能说明这类的设计不满足单一职责原则：

*  类中的代码行数、函数或者属性过多；
 *  类依赖的其他类过多或者依赖类的其他类过多；
 *  私有方法过多；
 *  比较难给类起一个合适的名字；
 *  类中大量的方法都是集中操作类中的某几个属性。

## SOLID 原则：OCP开闭原则 ##

### 如何理解“对扩展开放、修改关闭”？ ###

添加一个新的功能，应该是通过在已有代码基础上扩展代码（新增模块、类、方法、属性等），而非修改已有代码（修改模块、类、方法、属性等）的方式来完成。关于定义，我们有两点要注意。第一点是，开闭原则并不是说完全杜绝修改，而是以最小的修改代码的代价来完成新功能的开发。第二点是，同样的代码改动，在粗代码粒度下，可能被认定为“修改”；在细代码粒度下，可能又被认定为“扩展”。

### 如何做到“对扩展开放、修改关闭”？ ###

我们要时刻具备扩展意识、抽象意识、封装意识。在写代码的时候，我们要多花点时间思考一下，这段代码未来可能有哪些需求变更，如何设计代码结构，事先留好扩展点，以便在未来需求变更的时候，在不改动代码整体结构、做到最小代码改动的情况下，将新的代码灵活地插入到扩展点上。

很多设计原则、设计思想、设计模式，都是以提高代码的扩展性为最终目的的。特别是23种经典设计模式，大部分都是为了解决代码的扩展性问题而总结出来的，都是以开闭原则为指导原则的。最常用来提高代码扩展性的方法有：多态、依赖注入、基于接口而非实现编程，以及大部分的设计模式（比如，装饰、策略、模板、职责链、状态）。

## SOLID 原则：LSP里式替换原则 ##

子类对象（object of subtype/derived class）能够替换程序（program）中父类对象（object of base/parent class）出现的任何地方，并且保证原来程序的逻辑行为（behavior）不变及正确性不被破坏。程序中，所有使用基类的地方，都应该可以用子类代替。一个类如果不是为了被继承而设计，那么最好就不要继承它。粗暴一点地说，如果不是抽象类或者接口，最好不要继承它。如果确实需要使用一个类的方法，最好的办法是组合这个类而不是继承这个类，即组合优于继承。

里式替换原则是用来指导继承关系中子类该如何设计的一个原则。理解里式替换原则，最核心的就是理解“design by contract，按照协议来设计”这几个字。父类定义了函数的“约定”（或者叫协议），那子类可以改变函数的内部实现逻辑，但不能改变函数的原有“约定”。这里的“约定”包括：函数声明要实现的功能；对输入、输出、异常的约定；甚至包括注释中所罗列的任何特殊说明。

理解这个原则，我们还要弄明白，里式替换原则跟多态的区别。虽然从定义描述和代码实现上来看，多态和里式替换有点类似，但它们关注的角度是不一样的。多态是面向对象编程的一大特性，也是面向对象编程语言的一种语法。它是一种代码实现的思路。而里式替换是一种设计原则，用来指导继承关系中子类该如何设计，子类的设计要保证在替换父类的时候，不改变原有程序的逻辑及不破坏原有程序的正确性。

## SOLID 原则：ISP接口隔离原则 ##

接口隔离原则的描述是：客户端不应该强迫依赖它不需要的接口。其中的“客户端”，可以理解为接口的调用者或者使用者。理解“接口隔离原则”的重点是理解其中的“接口”二字。这里有三种不同的理解。

如果把“接口”理解为一组接口集合，可以是某个微服务的接口，也可以是某个类库的接口等。如果部分接口只被部分调用者使用，我们就需要将这部分接口隔离出来，单独给这部分调用者使用，而不强迫其他调用者也依赖这部分不会被用到的接口。

如果把“接口”理解为单个API接口或函数，部分调用者只需要函数中的部分功能，那我们就需要把函数拆分成粒度更细的多个函数，让调用者只依赖它需要的那个细粒度函数。

如果把“接口”理解为OOP中的接口，也可以理解为面向对象编程语言中的接口语法。那接口的设计要尽量单一，不要让接口的实现类和调用者，依赖不需要的接口函数。

单一职责原则针对的是模块、类、接口的设计。接口隔离原则相对于单一职责原则，一方面更侧重于接口的设计，另一方面它的思考的角度也是不同的。接口隔离原则提供了一种判断接口的职责是否单一的标准：通过调用者如何使用接口来间接地判定。如果调用者只使用部分接口或接口的部分功能，那接口的设计就不够职责单一。

## SOLID 原则：DIP依赖倒置原则 ##

控制反转：实际上，控制反转是一个比较笼统的设计思想，并不是一种具体的实现方法，一般用来指导框架层面的设计。这里所说的“控制”指的是对程序执行流程的控制，而“反转”指的是在没有使用框架之前，程序员自己控制整个程序的执行。在使用框架之后，整个程序的执行流程通过框架来控制。流程的控制权从程序员“反转”给了框架。

依赖注入：依赖注入和控制反转恰恰相反，它是一种具体的编码技巧。我们不通过 new 的方式在类内部创建依赖类的对象，而是将依赖的类对象在外部创建好之后，通过构造函数、函数参数等方式传递（或“注入”）给类来使用。

依赖注入框架：我们通过依赖注入框架提供的扩展点，简单配置一下所有需要的类及其类与类之间的依赖关系，就可以实现由框架来自动创建对象、管理对象的生命周期、依赖注入等原本需要程序员来做的事情。

依赖反转原则：依赖反转原则也叫作依赖倒置原则。这条原则跟控制反转有点类似，主要用来指导框架层面的设计。高层模块不依赖低层模块，它们共同依赖同一个抽象。抽象不需要依赖具体实现细节，具体实现细节依赖抽象。

依赖倒置原则：高层模块（high-level modules）不要依赖低层模块（low-level）。高层模块和低层模块应该通过抽象（abstractions）来互相依赖。除此之外，抽象（abstractions）不要依赖具体实现细节（details），具体实现细节（details）依赖抽象（abstractions）。

所谓高层模块和低层模块的划分，简单来说就是，在调用链上，调用者属于高层，被调用者属于低层。在平时的业务代码开发中，高层模块依赖底层模块是没有任何问题的。实际上，这条原则主要还是用来指导框架层面的设计。高层模块不需要直接依赖低层模块，而应定义接口让低层模块去实现，低层模块依赖高层模块定义的抽象接口。我们在Java开发中访问数据库，代码并不直接依赖数据库的驱动，而是依赖JDBC。各种数据库的驱动都实现了JDBC，当应用程序需要更换数据库的时候，不需要修改任何代码。这正是因为应用代码，高层模块不依赖数据库驱动，而是依赖抽象 JDBC，而数据库驱动，作为低层模块，也依赖 JDBC。Tomcat、Spring都是基于这一原则设计出来的，应用程序不需要调用Tomcat或者Spring这样的框架，而是框架调用应用程序。而实现这一特性的前提就是应用程序必须实现框架的接口规范，比如实现Servlet接口。

## LOD原则 ##

### 如何理解“高内聚、松耦合”？ ###

“高内聚、松耦合”是一个非常重要的设计思想，能够有效提高代码的可读性和可维护性，缩小功能改动导致的代码改动范围。“高内聚”用来指导类本身的设计，“松耦合”用来指导类与类之间依赖关系的设计。所谓高内聚，就是指相近的功能应该放到同一个类中，不相近的功能不要放到同一类中。相近的功能往往会被同时修改，放到同一个类中，修改会比较集中。所谓“松耦合”指的是，在代码中，类与类之间的依赖关系简单清晰。即使两个类有依赖关系，一个类的代码改动也不会或者很少导致依赖类的代码改动。

### 如何理解“迪米特法则”？ ###

迪米特法则的描述为：不该有直接依赖关系的类之间，不要有依赖；有依赖关系的类之间，尽量只依赖必要的接口。迪米特法则是希望减少类之间的耦合，让类越独立越好。每个类都应该少了解系统的其他部分。一旦发生变化，需要了解这一变化的类就会比较少。

设计模式的精髓在于对面向对象编程特性之一——多态的灵活应用，而多态正是面向对象编程的本质所在。而在面向对象的编程语言中，多态非常简单：子类实现父类或者接口的抽象方法，程序使用抽象父类或者接口编程，运行期注入不同的子类，程序就表现出不同的形态，是为多态。

# 总结回顾 #

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