程序航

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2022/08/10阅读:19主题:默认主题

设计模式 00 设计原则

参考源

https://www.bilibili.com/video/BV1u3411P7Na?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=299f4bc123b19e7d6f66fefd8f124a03


面向对象设计原则

在进行软件开发时,不仅需要将基本的业务完成,还要考虑整个项目的可维护性可复用性

因此在编写代码时,应该尽可能的规范,不然随着项目的不断扩大,整体结构只会越来越遭。

为了避免这种情况的发生,应该尽量遵守面向对象设计原则

设计原则

单一职责原则

单一职责原则(Simple Responsibility Pinciple,SRP)是最简单的面向对象设计原则,它用于控制类的粒度大小。

一个对象应该只包含单一的职责,并且该职责被完整地封装在一个类中。

// 人类
public class People {

    // 写代码
    public void coding(){
        
    }

    // 打螺丝
    public void work(){
        
    }

    // 送外卖
    public void ride(){
        
    }
}

可以看到,这个 People 类可以说是十八般武艺样样精通了,啥都会。但是实际上,每个人最终都是在自己所擅长的领域工作,正所谓术业有专攻。会写代码的应该是程序员,会打螺丝的应该是工人,会送外卖的应该是骑手。

显然这个 People 类太过臃肿(修改任意一种行为都需要修改 People 类,它拥有不止一个引起它变化的原因)。

根据单一职责原则,我们需要进行更明确的划分,同种类型的操作才放在一起:

// 程序员
class Coder{
    
    // 编程
    public void coding(){
        
    }
    
}

// 工人
class Worker{
    
    // 打螺丝
    public void work(){
        
    }
    
}

// 骑手
class Rider {
    
    // 送外卖
    public void ride(){
        
    }
    
}

我们将类的粒度进行更近一步的划分,这样就很清晰了。

在设计 Mapper、Service、Controller 等都应该采用单一职责原则根据不同的业务划分,作为实现高内聚低耦合的指导方针。

实际上微服务也是参考了单一职责原则,每个微服务只应担负一个职责。

开闭原则

开闭原则(Open Close Principle)也是重要的面向对象设计原则。

软件实体应当对扩展开放,对修改关闭。

一个软件实体,比如类、模块和函数应该对扩展开放,对修改关闭。其中,对扩展开放是针对提供方来说的,对修改关闭是针对调用方来说的。

比如程序员分为前端程序员、后端程序员,他们要做的都是去打代码,具体如何打代码根据不同语言的程序员决定。将程序员打代码的行为抽象成统一的接口或抽象类,就满足了开闭原则的第一个要求:对扩展开放。哪个程序员使用什么语言怎么编程,是自己在负责,不需要其他程序员干涉,就满足第二个要求:对修改关闭

// 程序员
public abstract class Coder {

    public abstract void coding();

    // Java程序员
    class JavaCoder extends Coder{
        @Override
        public void coding() {
            
        }
    }
    
    // Python程序员
    class PythonCoder extends Coder{
        @Override
        public void coding() {
            
        }
    }

    // PHP程序员
    class PHPCoder extends Coder{
        @Override
        public void coding() {
            
        }
    }

}

通过提供一个 Coder 抽象类,定义出编程的行为,但是不进行实现,而是开放给其他具体类型的程序员来实现。这样就可以根据不同的业务进行灵活扩展了,具有较好的延续性。

里氏替换原则

里氏替换原则(Liskov Substitution Principle)是对子类型的特别定义。

它由芭芭拉·利斯科夫(Barbara Liskov)在 1987 年在一次会议上名为 "数据的抽象与层次" 的演说中首先提出。

所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。

简单的说就是,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。

  • 子类可以增加自己特有的方法。

  • 子类的方法重载父类的方法时,方法的前置条件(方法的输入/入参)要比父类方法的输入参数更宽松。

  • 子类的方法实现父类的方法时(重写/重载/实现抽象方法),方法的后置条件(方法的输出/返回值)要比父类更严格或与父类一样。

// 程序员
public abstract class Coder {

    // 写代码
    public void coding() {
        
    }

 // Java程序员
    class JavaCoder extends Coder{

        // 打游戏
        public void game(){
            
        }
        
    }
}

可以看到 JavaCoder 虽然继承自 Coder,但是并没有对父类方法进行重写,并是在父类的基础上进行额外扩展,符合里氏替换原则。

// 程序员
public abstract class Coder {

    // 写代码
    public void coding() {
        
    }

 // Java程序员
    class JavaCoder extends Coder{
        
        // 打游戏
        public void game(){
            
        }

        // 写代码
        @Override
        public void coding() {
            
        }
    }
}

这里对父类的方法进行了重写,父类的行为就被子类覆盖了,这个子类已经不具备父类的原本的行为,违背了里氏替换原则。

对于这种情况,我们不需要再继承自 Coder 了,可以提升一下,将此行为定义到 People 中:

// 人类
public abstract class People {

    // 写代码。这个行为还是定义出来,但是不实现
    public abstract void coding();   
    
    // 程序员
    class Coder extends People{
        
        // 写代码
        @Override
        public void coding() {
            
        }
    }

 // Java程序员
    class JavaCoder extends People{
        
        // 打游戏
        public void game(){
            
        }

        // 写代码
        @Override
        public void coding() {
            
        }
    }
}

里氏替换也是实现开闭原则的重要方式

依赖倒转原则

依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)也是我们一直在使用的,最明显的就是 Spring 框架了。

高层模块不应依赖于底层模块,它们都应该依赖抽象。抽象不应依赖于细节,细节应该依赖于抽象。

回顾一下在使用 Spring 框架之前的情况:

public class UserController {

    UserService service = new UserService();
 // 调用服务
    

    static class UserService {
        UserMapper mapper = new UserMapper();
        // 业务代码......
    }

    static class UserMapper {
        // CRUD......
    }
}

突然有一天,公司业务需求变化,现在用户相关的业务操作需要使用新的实现:

public class UserController {

    UserServiceNew service = new UserServiceNew();
 // 调用服务
    
 // 服务发生变化,新的方法在新的服务类中
    static class UserServiceNew {
        UserMapper mapper = new UserMapper();
        // 业务代码......
    }

    static class UserMapper {
        // CRUD......
    }
}

各个模块之间是强关联的,一个模块是直接指定依赖于另一个模块。虽然这样结构清晰,但是底层模块的变动,会直接影响到其他依赖于它的高层模块。如果项目很庞大,这样的修改将是一场灾难。

而有了 Spring 框架之后,我们的开发模式就发生了变化:

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        UserController controller = new UserController();
    }

    interface UserMapper {
        // 接口中只做 CRUD 方法定义
    }

    static class UserMapperImpl implements UserMapper {
        // 实现类完成 CRUD 具体实现
    }

    interface UserService {
        // 业务接口定义......
    }

    static class UserServiceImpl implements UserService {
        // 现在由Spring来为我们选择一个指定的实现类,然后注入,而不是由我们在类中硬编码进行指定
        @Resource   
        UserMapper mapper;
        
        // 业务代码实现......
    }

    static class UserController {
        // 直接使用接口,就算你改实现,我也不需要再修改代码了
        @Resource
        UserService service;   

        // 业务代码......
    }
}

通过使用接口,将原有的强关联给弱化,只需要知道接口中定义了什么方法然后去使用即可。而具体的操作由接口的实现类来完成,并由 Spring 来为我们注入,而不是我们通过硬编码的方式去指定。

接口隔离原则

接口隔离原则(Interface Segregation Principle, ISP)实际上是对接口的细化。

客户端不应依赖那些它不需要的接口。

我们在定义接口的时候,一定要注意控制接口的粒度,比如下面的例子:

// 电子设备
interface Device {
    // 获取 CPU 信息
    String getCpu();
    
    // 获取类型
    String getType();
    
    // 获取内存
    String getMemory();
}

// 电脑是一种电子设备,那么就实现此接口
class Computer implements Device {

    @Override
    public String getCpu() {
        return "i9-12900K";
    }

    @Override
    public String getType() {
        return "电脑";
    }

    @Override
    public String getMemory() {
        return "32G DDR5";
    }
}

// 电风扇也算是一种电子设备
class Fan implements Device {

    @Override
    public String getCpu() {
        // 风扇没有 CPU
        return null;   
    }

    @Override
    public String getType() {
        return "风扇";
    }

    @Override
    public String getMemory() {
        // 风扇没有内存
        return null;   
    }
}

虽然定义了一个 Device 接口,但是由于此接口的粒度不够细,虽然比较契合电脑这种设备,但是不适合风扇这种设备。因为风扇压根就不需要 CPU 和内存,所以风扇完全不需要这些方法。

这时我们就必须要对其进行更细粒度的划分:

// 智能设备
interface SmartDevice {
    // 获取 CPU 信息
    String getCpu();
    
    // 获取类型
    String getType();
    
    // 获取内存
    String getMemory();
}

// 智能设备
interface NormalDevice {
    // 获取类型
    String getType();
}

// 电脑是一种智能设备,继承智能设备接口
class Computer implements SmartDevice {

    @Override
    public String getCpu() {
        return "i9-12900K";
    }

    @Override
    public String getType() {
        return "电脑";
    }

    @Override
    public String getMemory() {
        return "32G DDR5";
    }
}

// 电风扇是一种普通设备,继承普通设备接口
class Fan implements NormalDevice {
    @Override
    public String getType() {
        return "风扇";
    }
}

这样,就将接口进行了细粒度的划分,不同类型的电子设备根据划分去实现不同的接口。

当然,也不能划分得太小,还是要根据实际情况来进行决定。

合成复用原则

合成复用原则(Composite Reuse Principle)的核心就是委派

优先使用对象组合,而不是通过继承来达到复用的目的。

在一个新的对象里面使用一些已有的对象,使之成为新对象的一部分,新的对象通过向这些对象的委派达到复用已有功能的目的。在考虑将某个类通过继承关系在子类得到父类已经实现的方法时,应该先考虑使用合成的方式来实现复用。

比如下面这个例子:

class A {
    public void connectDatabase(){
        System.out.println("我是连接数据库操作!");
    }
}

// 直接通过继承的方式,得到 A 的数据库连接逻辑
class B extends A{    
    public void test(){
        System.out.println("我是B的方法,我也需要连接数据库!");
        // 直接调用父类方法
        connectDatabase();   
    }
}

这样看起来没啥毛病,但还是存在之前说的问题,耦合度太高了。

通过继承的方式实现复用,是将类 B 直接指定继承自类 A 的。如果有一天,由于业务的更改,数据库连接操作不再由A来负责,而是由C去负责。就不得不将需要复用 A 中方法的子类全部进行修改,这样是费时费力的。并且还有一个问题,通过继承子类会得到一些父类中的实现细节,比如某些字段或是方法,这样直接暴露给子类,并不安全。

所以,当需要实现复用时,可以优先考虑以下操作:

class A {
    public void connectDatabase(){
        System.out.println("我是连接数据库操作!");
    }
}

// 不进行继承,而是在用的时候给我一个 A,当然也可以抽象成一个接口,更加灵活
class B {   
    public void test(A a){
        System.out.println("我是B的方法,我也需要连接数据库!");
        // 通过对象 A 去执行
        a.connectDatabase();   
    }
}

或是:

class A {
    public void connectDatabase(){
        System.out.println("我是连接数据库操作!");
    }
}

class B {
    A a;
    // 在构造时就指定好
    public B(A a){   
        this.a = a;
    }
    
    public void test(){
        System.out.println("我是B的方法,我也需要连接数据库!");
        // 通过对象 A 去执行
        a.connectDatabase();   
    }
}

通过对象之间的组合,我们就大大降低了类之间的耦合度,并且 A 的实现细节也不会直接得到了。

迪米特法则

迪米特法则(Law of Demeter)又称最少知识原则,是对程序内部数据交互的限制。

每一个软件单位对其他单位都只有最少的知识,而且局限于那些与本单位密切相关的软件单位。

一个类/模块对其他的类/模块有越少的交互越好。当一个类发生改动,与其相关的类需要尽可能少的受影响。这样我们在维护项目的时候会更加轻松一些。其实本质还是降低耦合度。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 假设我们当前的程序需要进行网络通信
        Socket socket = new Socket("localhost"8080);   
        Test test = new Test();
        // 现在需要执行 test 方法来做一些事情
        test.test(socket);   
    }

    static class Test {
        // 比如 test 方法需要得到我们当前 Socket 连接的本地地址
        public void test(Socket socket){
            System.out.println("IP地址:" + socket.getLocalAddress());
        }
    }
}

虽然这种写法没有问题,直接提供一个 Socket 对象供使用,然后再由 test 方法来取出 IP 地址。但是这样显然违背了迪米特法则,实际上这里的 test 方法只需要一个 IP 地址即可。完全可以只传入一个字符串,而不是整个 Socket 对象,这样就保证了与其他类的交互尽可能的少。要是某一天,Socket 类中的这些方法发生修改了,那我们就得连带着去修改这些类,很麻烦。

就像在餐厅吃完了饭,应该是自己扫码付款,而不是直接把手机交给老板来帮你操作付款。

所以,来进行改进:

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("localhost"8080);
        Test test = new Test();
        // 在外面解析好再传入
        test.test(socket.getLocalAddress().getHostAddress());  
    }

    static class Test {
        // 一个字符串就搞定了
        public void test(String str){   
            System.out.println("IP地址:"+str);
        }
    }
}

这样,类与类之间的耦合度再次降低。

设计模式

由以上设计原则,可以总结出一些实用的设计模式。

肯特·贝克和沃德·坎宁安在 1987 年利用克里斯托佛·亚历山大在建筑设计领域的思想总结了设计模式并把此思想应用在 Smalltalk 的图形用户接口的生成中。一年后 Erich Gamma 在他的苏黎世大学博士毕业论文中开始尝试把这种思想改写为适用于软件开发。与此同时 James Coplien 在 1989 年至 1991 年也在利用相同的思想致力于 C++ 的开发,而后于 1991 年发表了他的著作 《Advanced C++ Idioms》。就在这一年 Erich Gamma 得到了博士学位,然后去了美国,在那与 Richard HelmRalph JohnsonJohn Vlissides 合作出版了《Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software》一书,在此书中共收录了 23 个设计模式。这四位作者在软件开发领域里也以他们的匿名著称 Gang of Four(四人帮,简称GoF),并且是他们在此书中的协作导致了软件设计模式的突破。

设计模式(design pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 设计模式对自己对他人对系统都是多赢的,设计模式使代码编制真正工程化。项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题,每种模式在现在中都有相应的原理来与之对应。

每一个模式描述了一个在周围不断重复发生的问题,以及该问题的核心解决方案,这也是它能被广泛应用的原因。

设计模式可以分为三个大类:创建型、结构型、行为型

创建型模式:对象实例化的模式,创建型模式用于解耦对象的实例化过程。

结构型模式:把类或对象结合在一起形成一个更大的结构。

行为型模式:类和对象如何交互,及划分责任和算法。

分类:

后端

标签:

后端

作者介绍

程序航
V1

知识为船,兴趣为帆,程序之海,一路远航。