开闭原则(Open-Closed Principle, OCP)是指一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放,对修改关闭。所谓的开闭,也正是对扩展和修改两个行为的一个原则。强调的是用抽象构建框架,用实现扩展细节。可以提高软件系统的可复用性及可维护性。开
闭原则,是面向对象设计中最基础的设计原则。它指导我们如何建立稳定灵活的系统,例如:我们版本更新,我尽可能不修改源代码,但是可以增加新功能。
在现实生活中对于开闭原则也有体现。比如,很多互联网公司都实行弹性制作息时间,规定每天工作 8 小时。意思就是说,对于每天工作 8 小时这个规定是关闭的,但是你什么时候来,什么时候走是开放的。早来早走,晚来晚走。
实现开闭原则的核心思想就是面向抽象编程,接下来我们来看一段代码:
首先创建一个课程接口 ICourse:
整个课程生态有 Java 架构、大数据、人工智能、前端、软件测试等,我们来创建一个 Java架构课程的类 JavaCourse:
现在我们要给 Java 架构课程做活动,价格优惠。如果修改 JavaCourse 中的 getPrice()方法,则会存在一定的风险,可能影响其他地方的调用结果。我们如何在不修改原有代码前提前下,实现价格优惠这个功能呢?现在,我们再写一个处理优惠逻辑的类,
JavaDiscountCourse 类 ( 思 考 一 下 为 什 么 要 叫 JavaDiscountCourse , 而 不 叫DiscountCourse):
回顾一下,简单一下类结构图:
依赖倒置原则(Dependence Inversion Principle,DIP)是指设计代码结构时,高层模块不应该依赖底层模块,二者都应该依赖其抽象。抽象不应该依赖细节;细节应该依赖抽象。通过依赖倒置,可以减少类与类之间的耦合性,提高系统的稳定性,提高代码的可读性和可维护性,并能够降低修改程序所造成的风险。接下来看一个案例,还是以课程为例,先来创建一个类 Tom:
Tom 热爱学习,目前正在学习 Java 课程和 Python 课程。大家都知道,学习也是会上瘾的。随着学习兴趣的暴涨,现在 Tom 还想学习 AI 人工智能的课程。这个时候,业务扩展,我们的代码要从底层到高层(调用层)一次修改代码。在 Tom 类中增加studyAICourse()的方法,在高层也要追加调用。如此一来,系统发布以后,实际上是非常不稳定的,在修改代码的同时也会带来意想不到的风险。接下来我们优化代码,创建一个课程的抽象 ICourse 接口:
然后写 JavaCourse 类:
我们这时候再看来代码,Tom 的兴趣无论怎么暴涨,对于新的课程,我只需要新建一个类,通过传参的方式告诉 Tom,而不需要修改底层代码。实际上这是一种大家非常熟悉的方式,叫依赖注入。注入的方式还有构造器方式和 setter 方式。我们来看构造器注入方式:
根据构造器方式注入,在调用时,每次都要创建实例。那么,如果 Tom 是全局单例,则我们就只能选择用 Setter 方式来注入,继续修改 Tom 类的代码:
切记:以抽象为基准比以细节为基准搭建起来的架构要稳定得多,因此大家在拿到需求之后,要面向接口编程,先顶层再细节来设计代码结构。
单一职责(Simple Responsibility Pinciple,SRP)是指不要存在多于一个导致类变更的原因。假设我们有一个 Class 负责两个职责,一旦发生需求变更,修改其中一个职责的逻辑代码,有可能会导致另一个职责的功能发生故障。这样一来,这个 Class 存在两个导致类变更的原因。如何解决这个问题呢?我们就要给两个职责分别用两个 Class 来实现,进行解耦。后期需求变更维护互不影响。这样的设计,可以降低类的复杂度,提高类的可 读 性 , 提 高 系 统 的 可 维 护 性 , 降 低 变 更 引 起 的 风 险 。 总 体 来 说 就 是 一 个Class/Interface/Method 只负责一项职责。
接下来,我们来看代码实例,还是用课程举例,我们的课程有直播课和录播课。直播课不能快进和快退,录播可以可以任意的反复观看,功能职责不一样。还是先创建一个Course 类:
从上面代码来看,Course 类承担了两种处理逻辑。假如,现在要对课程进行加密,那么直播课和录播课的加密逻辑都不一样,必须要修改代码。而修改代码逻辑势必会相互影响容易造成不可控的风险。我们对职责进行分离解耦,来看代码,分别创建两个类ReplayCourse 和 LiveCourse:
业务继续发展,课程要做权限。没有付费的学员可以获取课程基本信息,已经付费的学员可以获得视频流,即学习权限。那么对于控制课程层面上至少有两个职责。我们可以把展示职责和管理职责分离开来,都实现同一个抽象依赖。设计一个顶层接口,创建
ICourse 接口:
我们可以把这个接口拆成两个接口,创建一个接口 ICourseInfo 和 ICourseManager:
ICourseInfo 接口:
下面我们来看一下方法层面的单一职责设计。有时候,我们为了偷懒,通常会把一个方法写成下面这样:
显然,上面的 modifyUserInfo()方法中都承担了多个职责,既可以修改 userName,也可以修改 address,甚至更多,明显不符合单一职责。那么我们做如下修改,把这个方法拆成两个:
这修改之后,开发起来简单,维护起来也容易。但是,我们在实际开发中会项目依赖,组合,聚合这些关系,还有还有项目的规模,周期,技术人员的水平,对进度的把控,很多类都不符合单一职责。但是,我们在编写代码的过程,尽可能地让接口和方法保持单一职责,对我们项目后期的维护是有很大帮助的。
接口隔离原则(Interface Segregation Principle, ISP)是指用多个专门的接口,而不使用单一的总接口,客户端不应该依赖它不需要的接口。这个原则指导我们在设计接口时应当注意一下几点:
1、一个类对一类的依赖应该建立在最小的接口之上。
2、建立单一接口,不要建立庞大臃肿的接口。
3、尽量细化接口,接口中的方法尽量少(不是越少越好,一定要适度)。
接口隔离原则符合我们常说的高内聚低耦合的设计思想,从而使得类具有很好的可读性、可扩展性和可维护性。我们在设计接口的时候,要多花时间去思考,要考虑业务模型,包括以后有可能发生变更的地方还要做一些预判。所以,对于抽象,对业务模型的理解是非常重要的。下面我们来看一段代码,写一个动物行为的抽象:
IAnimal 接口:
可以看出,Bird 的 swim()方法可能只能空着,Dog 的 fly()方法显然不可能的。这时候,我们针对不同动物行为来设计不同的接口,分别设计 IEatAnimal,IFlyAnimal 和ISwimAnimal 接口,来看代码:
IEatAnimal 接口:
Dog 只实现 IEatAnimal 和 ISwimAnimal 接口:
迪米特原则(Law of Demeter LoD)是指一个对象应该对其他对象保持最少的了解,又叫最少知道原则(Least Knowledge Principle,LKP),尽量降低类与类之间的耦合。迪米特原则主要强调只和朋友交流,不和陌生人说话。出现在成员变量、方法的输入、输出参数中的类都可以称之为成员朋友类,而出现在方法体内部的类不属于朋友类。
现在来设计一个权限系统,Boss 需要查看目前发布到线上的课程数量。这时候,Boss要找到 TeamLeader 去进行统计,TeamLeader 再把统计结果告诉 Boss。接下来我们还是来看代码:
Course 类:
写到这里,其实功能已经都已经实现,代码看上去也没什么问题。根据迪米特原则,Boss只想要结果,不需要跟 Course 产生直接的交流。而 TeamLeader 统计需要引用 Course对象。Boss 和 Course 并不是朋友,从下面的类图就可以看出来:
再来看下面的类图,Course 和 Boss 已经没有关联了。
学习软件设计原则,千万不能形成强迫症。碰到业务复杂的场景,我们需要随机应变。
里氏替换原则(Liskov Substitution Principle,LSP)是指如果对每一个类型为 T1 的对象 o1,都有类型为 T2 的对象 o2,使得以 T1 定义的所有程序 P 在所有的对象 o1 都替换成o2 时,程序 P 的行为没有发生变化,那么类型 T2 是类型 T1 的子类型。
定义看上去还是比较抽象,我们重新理解一下,可以理解为一个软件实体如果适用一个父类的话,那一定是适用于其子类,所有引用父类的地方必须能透明地使用其子类的对象,子类对象能够替换父类对象,而程序逻辑不变。根据这个理解,我们总结一下:
引申含义:子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。
1、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。
2、子类中可以增加自己特有的方法。
3、当子类的方法重载父类的方法时,方法的前置条件(即方法的输入/入参)要比父类方法的输入参数更宽松。
4、当子类的方法实现父类的方法时(重写/重载或实现抽象方法),方法的后置条件(即方法的输出/返回值)要比父类更严格或相等。
在前面讲开闭原则的时候埋下了一个伏笔,我们记得在获取折后时重写覆盖了父类的getPrice()方法,增加了一个获取源码的方法 getOriginPrice(),显然就违背了里氏替换原则。我们修改一下代码,不应该覆盖 getPrice()方法,增加 getDiscountPrice()方法:
使用里氏替换原则有以下优点:
1、约束继承泛滥,开闭原则的一种体现。
2、加强程序的健壮性,同时变更时也可以做到非常好的兼容性,提高程序的维护性、扩展性。降低需求变更时引入的风险。
现在来描述一个经典的业务场景,用正方形、矩形和四边形的关系说明里氏替换原则,我们都知道正方形是一个特殊的长方形,那么就可以创建一个长方形父类 Rectangle 类:
在测试类中创建 resize()方法,根据逻辑长方形的宽应该大于等于高,我们让高一直自增,知道高等于宽变成正方形:
运行结果发现高比宽还大了,在长方形中是一种非常正常的情况。现在我们再来看下面的代码,
把长方形 Rectangle 替换成它的子类正方形 Square,修改测试代码:
这时候我们运行的时候就出现了死循环,违背了里氏替换原则,将父类替换为子类后,程序运行结果没有达到预期。因此,我们的代码设计是存在一定风险的。里氏替换原则只存在父类与子类之间,约束继承泛滥。我们再来创建一个基于长方形与正方形共同的抽象四边形 Quadrangle 接口:
此时,如果我们把 resize()方法的参数换成四边形 Quadrangle 类,方法内部就会报错。因为正方形 Square 已经没有了 setWidth()和 setHeight()方法了。因此,为了约束继承泛滥,resize()的方法参数只能用 Rectangle 长方形。
合成复用原则(Composite/Aggregate Reuse Principle,CARP)是指尽量使用对象组合(has-a)/聚合(contanis-a),而不是继承关系达到软件复用的目的。可以使系统更加灵活,降低类与类之间的耦合度,一个类的变化对其他类造成的影响相对较少。
继承我们叫做白箱复用,相当于把所有的实现细节暴露给子类。组合/聚合也称之为黑箱复用,对类以外的对象是无法获取到实现细节的。要根据具体的业务场景来做代码设计,其实也都需要遵循 OOP 模型。还是以数据库操作为例,先来创建 BConnection 类:
这就是一种非常典型的合成复用原则应用场景。但是,目前的设计来说,DBConnection还不是一种抽象,不便于系统扩展。目前的系统支持 MySQL 数据库连接,假设业务发生变化,数据库操作层要支持 Oracle 数据库。当然,我们可以在 DBConnection 中增加对Oracle 数据库支持的方法。但是违背了开闭原则。其实,我们可以不必修改 Dao 的代码,将 DBConnection 修改为 abstract,来看代码:
学习设计原则,学习设计模式的基础。在实际开发过程中,并不是一定要求所有代码都遵循设计原则,我们要考虑人力、时间、成本、质量,不是刻意追求完美,要在适当的场景遵循设计原则,体现的是一种平衡取舍,帮助我们设计出更加优雅的代码结构。