低耦合高内聚 原则的应用

这次主要是分享对软件设计中的“低耦合、高内聚”原则的一些个人体会，通过lorawan代码等实例分析，让大家对这个设计思想有一些具象的理解。

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前言

“低耦合、高内聚”，乍听一下特别有逼格，瞬间让我们这次培训高大上了不少。

在一些设计模式的书籍，以及一些面向对象的书籍中，常常会看到这个词。设计模式主要是软件工程领域，特别是面向对象编程这个领域，大家原本都用一些很笨的办法在写代码，后面慢慢有一些人发现一些小技巧，可以让代码更易读、更易维护，再后来一些偏学术型的大牛，把一些常见的设计思路提炼提炼出来，就成了我们现在听到的设计模式。

因此今天要讲的耦合coupling，最早就是来自于面向对象编程。

那它是什么意思呢?

说下概念

作为一个正经的培训，我们来看看书中对它的定义：

耦合性：也称块间联系。指软件系统结构中各模块间相互联系紧密程度的一种度量。模块之间联系越紧密，其耦合性就越强，模块的独立性则越差。模块间耦合高低取决于模块间接口的复杂性、调用的方式及传递的信息

内聚性：又称块内联系。指模块的功能强度的度量，即一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度的度量。若一个模块内各元素（语名之间、程序段之间）联系的越紧密，则它的内聚性就越高。

所谓高内聚是指一个软件模块是由相关性很强的代码组成，只负责一项任务，也就是常说的单一责任原则。

对于低耦合，粗浅的理解是：一个完整的系统，模块与模块之间，尽可能的使其独立存在。也就是说，让每个模块，尽可能的独立完成某个特定的子功能。模块与模块之间的接口，尽量的少而简单。如果某两个模块间的关系比较复杂的话，最好首先考虑进一步的模块划分。这样有利于修改和组合。

举个通俗的例子

这个例子是《大话设计模式》中介绍的，我觉得还挺有意思。

三国时期，(卧槽，三国时期? 嗯，三国时期)，曹操在灭掉北方势力之后，带领百万大军攻打东吴，眼看就要灭掉东吴，统一天下，于是大宴众文武。酒席间，曹操诗兴大发，不觉吟道：“喝酒唱歌，人生真爽。……”。众文武齐呼：“丞相好诗！”于是一臣子速命印刷工匠刻板印刷，以便流传填下。

样张出来给曹操一看，曹操感觉不妥，说道：“喝与唱，此话过俗，应改为‘对酒当歌’较好！”，于是此臣就命工匠重新来过。工匠眼看连夜刻版之工，彻底白费，心中叫苦不喋。只得照办。

样张再次出来请曹操过目，曹操细细一品，觉得还是不好，说：“人生真爽太过直接，应改问语才够意境，因此应改为‘对酒当歌，人生几何？…………’！”当臣转告工匠之时，工匠卒…………

这里的刻板就是一个耦合体，所有的字都耦合在一块板子上。如果我们能单独对某个字进行修改，降低字与字之间的耦合，那就轻松多了。

喝酒唱歌，人生真爽。
对酒当歌，人生几何。

一大段的短歌行，这样只要改4个字。北宋的毕昇就是这样想的，于是活字印刷术诞生了。

怎么做

虽然说耦合性、内聚性是联系紧密程度的度量，但它是个挺虚的概念。我们只能想办法去尽量的实现“低耦合、高内聚”。

那究竟怎么做呢?

方法一 从总体结构上分解系统

这应该是最容易想到的办法，把复杂的系统“化整为零，各个击破”。功能上分解开了，一个模块实现一个独立的功能，自然就不耦合在一起了。

这在软件设计上，称之为 单一职责原则SRP(Single Responsibility Principle)。

比如我们早先的演示代码，就将各种业务功能与LoRa传输杂糅在一个模块里。

有一个我印象很深的例子，就是LoRaWAN的协议文档。原本协议框架及命令等，是和各个国家的地区参数一起发布的，后来由于LoRaWAN逐步应用过程中肯定会有很多新区域加进来，为了不影响旧有协议文档主体，所以从V1.0.2版本开始，联盟把地区参数这块内容单独出来。这就是一个解耦的例子。

方法二 从层级上提炼出抽象层

依赖倒转原则DIP(the Dependency Inversion Principle DIP)，这个原则是 Martin, Robert C 在1996年提出来的。

A. High-level modules should not depend on low-level modules. Both should depend on abstractions.
B. Abstractions should not depend on details. Details should depend on abstractions.

具体怎么讲呢?

这是传统的设计思路：

In conventional application architecture, lower-level components are designed to be consumed by higher-level components which enable increasingly complex systems to be built. In this composition, higher-level components depend directly upon lower-level components to achieve some task. This dependency upon lower-level components limits the reuse opportunities of the higher-level components.

这是DIP原则的实现方式：

DIP中提出了一个抽象接口。抽象接口是对低层模块的抽象，低层模块按要求来实现这个抽象接口。高层模块不直接依赖低层模块，而是依赖这个抽象接口。
所以，原本是高层依赖低层的情况，通过这个抽象接口操作，反而变成了低层模块要向上依赖这个抽象接口。这就是依赖倒转。

这样做的好处就是，高层模块和低层模块的耦合降低，高层模块的复用性极大的增强了。

事实上，这个思路大家应该都清楚。特别是我们嵌入式界，面对茫茫多的硬件设备，提炼出稳定的硬件抽象层，就显得特别重要。这样很多模块都可以复用。

这个方法在LoRaWAN协议栈中有一些运用。

关于这个Radio的用法，据我所知，物联网OS排行榜的第一名contiki也是这样定义的。

方法三 模块间尽量做到单向依赖

第三种方法，也是大家常会遇到的。

假设A是上层，B是它的下层，A依赖B。假如B也直接依赖A，那就可能造成循环依赖。比如说编译A模块时需要包含到B模块的文件，而编译B时同样要直接包含到A的文件。这种情况下，A和B的耦合就比较严重了。

单向依赖，就是说A模块可以调用B模块暴露的API，但B模块绝不允许调用A模块的API。

比如刚才提到的LoRaMac就有这种情况，当发数据时，是MAC传递给Radio，但接收数据时，是Radio传回给MAC。

这种情况下，就变成MAC和Radio循环依赖，这样子耦合就变得很严重。如果我们要换一个MAC，比如不走LoRaWAN的协议，那Radio中原来MAC的接口也要相应的变化。

我们最常见的办法是设置回调，这个例子中，MAC把接收函数以回调形式通过注册函数注入到Radio中，这样MAC还是依赖Radio的注册函数。

如下，MAC把接收函数注入到Radio中。

void LoRaMacInitialization(void)
{
    RadioEvents.TxDone = OnRadioTxDone;
    RadioEvents.RxDone = OnRadioRxDone;
    RadioEvents.RxError = OnRadioRxError;
    RadioEvents.TxTimeout = OnRadioTxTimeout;
    RadioEvents.RxTimeout = OnRadioRxTimeout;
    Radio.Init( &RadioEvents );
}

Radio 接收数据后，处理回调函数

void SX1276OnDio0Irq( void ) 
{
    if( ( RadioEvents != NULL ) && ( RadioEvents->RxDone != NULL ) )
    {
        RadioEvents->RxDone( RxTxBuffer, SX1276.Settings.FskPacketHandler.Size, SX1276.Settings.FskPacketHandler.RssiValue, 0 );
    }
}

总结

今天这篇分享，主要从“总体结构”->“系统层级”->“模块间”这三个从大到小的层面，分享了代码设计上解耦的一些思路。

希望对大家有所启发。

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