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设计模式6大原则

简介: 设计模式六大原则 开闭原则 开闭原则,是说对于软件实体(类、模块、函数等等)应该可以拓展,但是不可修改 这句话有两个意思,对于拓展是开放的,对于更改是封闭的。

设计模式六大原则

开闭原则

开闭原则,是说对于软件实体(类、模块、函数等等)应该可以拓展,但是不可修改

这句话有两个意思,对于拓展是开放的,对于更改是封闭的。在设计一个软件之前,就需要考虑到怎样的设计才能面对需求的改变却可以保持相对稳定,从而使得系统可以在第一个版本之后不断推出新的版本?设计软件要容易维护又不容易出问题的最好方法就是使其变得易于拓展,少修改

学习完了开闭原则之后,我才更加注意到为什么设计模式这个知识点需要使用到这种原则,开闭原则的要求,更加需要开发人员在刚开始对软件进行开发的时候,从刚开始编写代码就要对模块进行仔细和完善地分析,从刚开始就需要为以后可能会到来的变化做好准备,因为只有这样,才能解决之后的变化不会影响到已经编写过的代码,真正实现不修改已经完成的模块,通过增加新的抽象或者别的方式来实现开闭原则实现需求变更之后的需求

无论模块是多么的‘封闭’,都会出现一些无法对之封闭的变化,既然不可能完全封闭,设计人员必须对于他设计的模块应该对哪种变化封闭做出选择,必须先要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

面对需求,开闭原则要求我们做到,对程序的改动是通过增加新代码进行的,而不是更改现有的代码

开放-封闭原则是面向对象设计的核心所在,遵循这个原则则可以带来面向对象技术所声称的巨大好处,也就是可维护、可拓展、可复用、灵活性好。开发人员应该仅对程序中呈现出频繁变化的哪些部分做出抽象,然而,对于应用程序中每个部分都刻意进行抽象并不是一个好主意,拒绝不成熟的抽象在开发过程中以及设计模式中尤为重要

单一职责原则

单一职责原则是说,就一个类而言,应该仅有一个引起它变化的原因

大多数时候,一件产品简单一点,职责单一一点,或许是更好的选择

为什么需要有单一职责原则

  • 如果一个类承担的职责过多,就等于把这些职责耦合在了一起,一个职责改变的时候可能会影响或者削弱这个类完成其余职责的能力,这种耦合会导致存在脆弱的设计,当变化发生的时候,设计会遭受到意想不到的破坏
  • 软件设计真正要做的许多内容,就是发现职责并把那些职责相互分离,其实要去判断是否应该分离出来,也不难,那就是如果你能够想到多于一个的职责,就应该考虑类的职责分离,而编程的时候,我们却是要在类的职责分离上多思考,做到单一职责,这样代码才是真正的易维护、易拓展、易复用、灵活性强

举一个例子:


初始设计方案UML图
初始设计方案UML图

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。

图中,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。因此需要对该类进行拆分,使其满足单一职责原则,类CustomerDataChart可拆分为如下三个类:

  • DBUtil:负责连接数据库,包含数据库连接方法getConnection();
  • 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();
  • CustomerDataChart:负责图表的生成和显示,包含方法createChart()和displayChart()。
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重构后结构

里氏代换原则

里氏代换原则说白了就是指一个软件实体如果使用的是一个父类的话,那么一定适用于子类,而且它察觉不出父类对象和子类对象的区别,也就是说,在软件里面,把父类都替换为它的子类,程序的行为没有发生变化,子类型必须能够替换掉他们的父类型

只有当子类可以替换掉父类,软件单位的功能不受影响的时候,父类才能真正被复用,而子类也能够在父类基础上增加新的行为。也正是因为有了里氏代换原则,才能使得开闭原则成为可能,这样说是可以的,正是由于子类型的可替换性才是的使用父类类型的模块在无需修改的情况下可以进行拓展

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。

在使用里氏代换原则时需要注意如下几个问题:

  • 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。

  • 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。

  • 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。(多态)

在一个系统中,客户(Customer)可以分为VIP客户(VIPCustomer)和普通客户(CommonCustomer)两类,系统需要提供一个发送Email的功能,原始设计方案如图所示:


原始结构图
原始结构图

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

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。重构后的结构如图所示:

重构后的结构图
重构后的结构图

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。

依赖倒置原则

依赖倒置原则是说,高层模块不应该依赖低层模块,两个都应该依赖抽象。抽象不应该依赖细节,细节应该依赖抽象,换言之,要针对接口编程,而不是针对实现编程

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。

举一个《大话设计模式》中的例子可以把PC电脑理解为一个大型的软件系统,PC内部的部件,如CPU、内存、磁盘等不管哪一个出现了问题,都可以在不影响别的前提下进行替换或者进行修改,这是基于PC的易插拔,面向对象中将这种关系称为,强内聚,低耦合

再比如CPU,因为CPU对外都是针脚式或者触点式等等的标准接口,这就是接口最大的好处,CPU只需要把接口定义好,而内部的具体实现,哪怕再复杂也不会暴露给外部,而主板只需要保留对CPU标准接口的插槽即可,如果这个时候有一个电脑坏了的场景,经过分析是内存不够使用导致的,那么这个时候根据上述介绍过的开闭原则,只要主板上还有内存的插槽,那么就可以通过增加内存来维修此次故障,而不用对之前的内存条进行任何的修改,硬盘不够的话,可以考虑使用移动硬盘等等,这种思想就是上述介绍过的开闭原则,那么为什么内存出现了问题就去更换或者增加内存,而不是去找CPU或者别的部件的问题呢,这就是因为单一职责原则,这个时候内存负责的单一职责出现了问题就及时区寻找内存的问题,而不用去逐个排查别的部件是否出现问题。依赖倒置原则说白了就是面向接口编程,不是对实现进行编程,如果仅仅是面向接口编程,那么当计算机PC发生问题的时候,就可以通过增加或者更新新的部件进行维护,而如果是面向实现,内存就要对应到具体的某一个品牌的主板,那么可能内存出现了问题,还需要更换主板等一系列部件,导致无所谓的开销

某公司设计一个系统,该系统经常需要将存储在TXT或Excel文件中的客户信息转存到数据库中,因此需要进行数据格式转换。在客户数据操作类中将调用数据格式转换类的方法实现格式转换和数据库插入操作,初始设计方案结构:


初始设计方案结构图
初始设计方案结构图

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。

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。重构后的结构:

重构后的结构图
重构后的结构图

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。

依赖倒转原则其实可以说是面向对象设计的标志,用哪种语言来编写程序并不重要,如果编写时考虑的都是如何针对抽象编程而不是针对细节棉城,即程序中所有依赖关系都是终止与抽象类或者接口,那就是面向对象的设计,否则那就是过程化的设计了

接口隔离原则

接口隔离原则: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:

  • 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”。

  • 如果把“接口”理解成狭义的特定语言的接口,那么接口隔离原则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。

某系统的客户数据显示模块设计了如图所示接口,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。

初始设计方案结构图
初始设计方案结构图

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。

重构后的结构
重构后的结构

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。

迪米特法则

迪米特法则是说,一个软件实体应该尽可能少地与其他实体发生相互作用

如果一个系统符合迪米特法则,那么当其中某一个模块发生修改时,就会尽量少地影响其他模块,扩展会相对容易,这是对软件实体之间通信的限制,迪米特法则要求限制软件实体之间通信的宽度和深度。迪米特法则可降低系统的耦合度,使类与类之间保持松散的耦合关系。

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:

  • 当前对象本身(this);
  • 以参数形式传入到当前对象方法中的对象;
  • 当前对象的成员对象;
  • 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;
  • 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。

某系统包含很多业务操作窗口,在这些窗口中,某些界面控件之间存在复杂的交互关系,一个控件事件的触发将导致多个其他界面控件产生响应,例如,当一个按钮(Button)被单击时,对应的列表框(List)、组合框(ComboBox)、文本框(TextBox)、文本标签(Label)等都将发生改变,在初始设计方案中,界面控件之间的交互关系可简化为如图所示结构:

初始结构
初始结构

由于界面控件之间的交互关系复杂,导致在该窗口中增加新的界面控件时需要修改与之交互的其他控件的源代码,系统扩展性较差,也不便于增加和删除新控件。现使用迪米特对其进行重构。

在本实例中,可以通过引入一个专门用于控制界面控件交互的中间类(Mediator)来降低界面控件之间的耦合度。引入中间类之后,界面控件之间不再发生直接引用,而是将请求先转发给中间类,再由中间类来完成对其他控件的调用。当需要增加或删除新的控件时,只需修改中间类即可,无须修改新增控件或已有控件的源代码,重构后结构如图2所示:

重构后的结构
重构后的结构

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