浅析软件工程中的一些常见设计原则(上)

简介: 老子说:有道无术,术尚可求也。有术无道,止于术。如果说设计模式是“术”,那么设计原则就是“道”。今天,我们一起来聊聊软件工程中一些常用的设计原则。

DRY 原则(Don’t Repeat Yourself)

DRY原则可理解为不要写重复的代码。简单来讲,写代码的时候,如果出现雷同片段,就要想办法把他们提取出来,成为一段独立的代码。

DRY 是一个最简单的法则,也是最容易被理解的,但它也可能是最难被应用的(因为要做到这样,我们需要在泛型设计上做相当的努力,这并不是一件容易的事)。它意味着,当在两个或多个地方发现一些相似代码的时候,我们需要把它们的共性抽象出来形成一个唯一的新方法,并且改变现有地方的代码让它们以一些合适的参数调用这个新的方法。

代码重复有三种典型情况,它们分别是:实现逻辑重复、功能语义重复和代码执行重复。


实现逻辑重复

情景一:重复的代码被敲了两遍或者简单复制粘贴一下代码,这种情况明显违反 DRY 原则。

情景二:从代码实现逻辑上看起来是重复的,但是从语义上并不重复。比如:isValidUserName()isValidPassword() 两个函数,从功能上来看,这两个函数干的是完全不重复的两件事情,一个是校验用户名,另一个是校验密码。尽管代码的实现逻辑是相同的,但语义不同,我们判定它并不违反 DRY 原则。


功能语义重复

两个函数的命名不同,实现逻辑不同,但功能是相同的,都是用来判定 IP 地址是否合法的。之所以在同一个项目中会有两个功能相同的函数,那是因为这两个函数是由两个不同的同事开发的,其中一个同事在不知道已经有了 isValidIp() 的情况下,自己又定义并实现了同样用来校验 IP 地址是否合法的 checkIfIpValid() 函数。

尽管这两段代码的实现逻辑不重复,但语义重复,也就是功能重复,我们认为它违反了 DRY 原则。

我们应该在项目中,统一一种实现思路,所有用到判断 IP 地址是否合法的地方,都统一调用同一个函数;否则,可能在业务变更时,漏改了其中一个方法,而导致bug。


代码执行重复

这种情况既没有逻辑重复,也没有语义重复,但是代码中存在“执行重复”(比如,多个地方对同样的参数做参数校验),但仍然违反了 DRY 原则。


KISS 原则(Keep It Simple, Stupid)

保持每件事情都尽可能的简单,用最简单的解决方案来解决问题。

KISS 原则在设计上可能最被推崇,在家装设计、界面设计和操作设计上,复杂的东西越来越被众人所鄙视了,而简单的东西越来越被人所认可。

  • 宜家简约、高效的家居设计和生产思路;
  • 微软“所见即所得”的理念;
  • 谷歌简约、直接的商业风格,无一例外地遵循了“KISS”原则。
  • 而苹果公司的 iPhone 和 iPad 将这个原则实践到了极至。 也正是“KISS”原则,成就了这些看似神奇的商业经典。


针对接口编程,而非(接口的)实现(Program to an interface, not an implementation)


这是设计模式中最根本的哲学,注重接口,而不是实现;依赖接口,而不是实现。接口是抽象和稳定的,实现则是多种多样的。

在面向对象设计的头五大原则( S.O.L.I.D)中会的依赖倒置原则,就是这个原则的另一种样子。


优先考略对象组合,而不是类继承(Composition over inheritance)

优先使用组合,使系统更灵活,其次才考虑继承,达到复用的目的。 注意区分“Has-A”与“Is-A”。


YAGNI原则(You Ain’t Gonna Need It)

你是否有个这样的经历,臆想某个功能以后可能会用到,然后就顺手把它实现了,实际到了后面并没用上,反而造成了代码冗余。

这个原则只考虑和设计必须的功能,避免过度设计。只实现目前需要的功能,在以后你需要更多功能时,可以再进行添加。如无必要,勿增复杂性。软件开发是一场 取舍(trade-off)的博弈。

因此,我们不能闭门臆想需要的功能,但是在架构上又要洞察趋势。


迪米特法则 (Law of Demeter)

这个原则又称为“最少知识原则”(Principle of Least Knowledge), 一个对象应该与其他对象保持最少的了解,只与直接朋友交谈,成员变量、方法参数、方法返回值中需要的类为直接朋友

关于迪米特法则有一些很形象的比喻:

  1. 如果你想让你的狗跑的话,你会对狗狗说还是对四条狗腿说?
  2. 如果你去店里买东西,你会把钱交给店员,还是会把钱包交给店员让他自己拿?

和狗的四肢说话?让店员自己从钱包里拿钱?这听起来有点儿荒唐,不过在我们的代码里这几乎是见怪不怪的事情了。

对于 LoD,正式的表述如下:对于对象‘O’中一个方法’M’,M 应该只能够访问以下对象中的方法

  • 对象 O;
  • 与 O 直接相关的组件对象(Component Object);
  • 由方法 M 创建或者实例化的对象;
  • 作为方法 M 的参数的对象。


面向对象的 S.O.L.I.D 原则

S.O.L.I.D是面向对象设计和编程(OOD&OOP)中几个重要编码原则的首字母缩写。这几条原则是非常基础而且重要的面向对象设计原则。正是由于这些原则的基础性,因此,理解、融汇贯通这些原则需要不少的经验和知识的积累。

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职责单一原则(Single Responsibility Principle)

其核心的思想是:一个类,只做一件事,并把这件事做好,其只有一个引起它变化的原因。 单一职责原则可以看作是低耦合、高内聚在面向对象原则上的引申,将职责定义为引起变化的原因,以提高内聚性来减少引起变化的原因。

职责过多,可能引起它变化的原因就越多,这将导致职责依赖,相互之间就产生影响,从而极大地损伤其内聚性和耦合度。

单一职责,通常意味着单一的功能,因此不要为一个模块实现过多的功能点,以保证实体只有一个引起它变化的原因。


开闭原则(Open/Closed Principle)

其核心的思想是:模块是可扩展的,而不可修改的。也就是说,对扩展是开放的,而对修改是封闭的。

  • 对扩展开放,意味着有新的需求或变化时,可以对现有代码进行扩展,以适应新的情况。
  • 对修改封闭,意味着类一旦设计完成,就可以独立完成其工作,而不要对类进行任何修改。这样可以保证稳定性和延续性。

OCP 建议我们应该对系统进行重构,那么以后再进行同样改动,只需添加新代码而不必改动已正常运行的代码。

在很多方面,OCP 都是面向对象设计的核心所在,可增强灵活性、可重用性、可维护性等。

OCP 的关键是抽象,其背后的主要机制是抽象和多态。模块应该依赖于一个固定的抽象体,因此,它对于更改可以是关闭的,同时,通过从这个抽象体派生,也可以扩展此模块的行为。


里氏代换原则(Liskov substitution principle)

软件工程大师罗伯特·马丁(Robert C. Martin)把里氏代换原则最终简化为一句话:“Subtypes must be substitutable for their base types”。也就是,子类必须能够替换成它们的基类。即子类应该可以替换任何基类能够出现的地方,并且经过替换以后,代码还能正常工作

另外,不应该在代码中出现 if/else 之类对子类类型进行判断的条件。里氏替换原则 LSP 是使代码符合开闭原则的一个重要保证。正是由于子类型的可替换性才使得父类型的模块在无需修改的情况下就可以扩展。

注意:

一般而言,无论模块是多么的“封闭“,都会存在一些无法对之封闭的变化,没有对于所有的情况都贴切的模型。所以,必须有策略地对待这个问题。

设计人员必须对他所设计的模块应该对哪种变化封闭做出选择,必须先猜测出最有可能发生的变化种类,然后构造抽象来隔离那些变化。但大多数情况,猜测都是错误的。后续即使不使用这些抽象也必须去支持和维护它们,这不是一件好事,所以,通常我们会一直等到确实需要那些抽象时再去进行抽象


接口隔离原则(Interface Segregation Principle )

不能强迫用户去依赖那些他们不使用的接口。换句话说就是使用多个专门的接口比使用单一的总接口要好。

举个例子,我们对电脑有不同的使用方式,比如:写作、通讯、看电影、打游戏、上网、编程、计算和数据存储等。如果我们把这些功能都声明在电脑的抽象类里面,那么,我们的上网本、PC 机、服务器和笔记本的实现类都要实现所有的这些接口,这就显得太复杂了。所以,我们可以把这些功能接口隔离开来,如工作学习接口、编程开发接口、上网娱乐接口、计算和数据服务接口,这样,我们的不同功能的电脑就可以有所选择地继承这些接口。

同时,小接口更容易实现,提升了灵活性和重用的可能性。由于很少的类共享这些接口,相应接口的变化而需要变化的类数量就会降低,增加了鲁棒性。


依赖倒置原则(Dependency Inversion Principle)

高层模块不应该依赖于底层模块(高层与低层是相对而言,也就是调用者与被调用者的关系),二者都应该依赖于抽象。抽象不应该依赖于细节,细节应该依赖于抽象。

举个例子:墙面的开关不应该依赖于电灯的开关实现,而是应该依赖于一个抽象的开关的标准接口

这样,当我们扩展程序的时候,开关同样可以控制其它不同的灯,甚至不同的电器。也就是说,电灯和其它电器继承并实现我们的标准开关接口,而开关厂商就可以不需要关于其要控制什么样的设备,只需要关心那个标准的开关标准。这就是依赖倒置原则。


高内聚, 低耦合(High Cohesion & Low/Loose coupling)

这个原则是 UNIX 操作系统设计的经典原则,把模块间的耦合降到最低,而努力让一个模块做到精益求精。

  • 内聚,指一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度;
  • 耦合,指一个软件结构内不同模块之间互连程度的度量。

内聚意味着重用和独立,耦合意味着多米诺效应牵一发动全身。


包的内聚性原则

原则用途:用来指导软件开发者如何将类合理的划分到相应的包中。

前提条件:我们已经设计好了一些类,并且它们之间的相互关系也基本明确。由此可见,类的设计先于包的设计,实际开发中我们确实是采用“自底向上”的方式设计和规划包的。


重用的概念说明

重用主要是从用户的观点来看的

对用户来说,使用某个发布单位(组件,类,类群等),如果作者因为某种原因对其作了修改而发布了一个新的版本,用户会期望在升级为新版本之后,不会影响到原系统的正常运作。

也就是说,对于一个可重用(能供其它用户或系统使用) 的元素(组件,类,类群等),作者应该承诺新版本能够兼容旧版本。否则,用户将拒绝使用该元素。

代码可以看作为可重用的代码,当且仅当:

  • 它的使用者(下称用户)无需看它的源代码
  • 用户只需联结静态库或包含动态库
  • 当库发生改变(错误纠正,功能增强)时,用户只需要得到一个新的版本便能集成到原有的系统


重用/发布等价原则(The Reuse/Release Equivalence Principle)

REP指出,一个包的重用粒度可以和发布粒度一样大。我们所重用的任何东西都必须同时被发布和跟踪。

任何一个开发者都知道,我们对源代码的重用必须是基于包的。简单的编写一个类,然后声称它是可重用的做法是不现实的。只有在建立一个跟踪系统,为潜在的使用者提供所需要的变更通知、安全性以及支持后,重用才有可能。

由于重用性必须是基于包的,所以可重用的包必须包含可重用的类。因此,至少某些包应该由一组可重用的类组成。

可以重用的包中不能包含不可重用的类。因为如果一个为重用而设计的发布单位里,包含了不可重用的元素,当不可重用的元素发生改变时,用户也不得不改变原有系统以适应新的版本。这显然违反了重用的定义规则。


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