设计模式之美 - 35 | 实战一（下）：手把手带你将ID生成器代码从“能用”重构为“好用”
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设计模式之美 - 35 | 实战一（下）：手把手带你将ID生成器代码从“能用”重构为“好用”
- 回顾代码和制定重构计划
- 第一轮重构：提高代码的可读性
- 第二轮重构：提高代码的可测试性
- 第三轮重构：编写完善的单元测试
- 第四轮重构：添加注释
- 重点回顾
- 课堂讨论
上一节课中，我们结合 ID 生成器代码讲解了如何发现代码质量问题。虽然 ID 生成器的需求非常简单，代码行数也不多，但看似非常简单的代码，实际上还是有很多优化的空间。综合评价一下的话，小王的代码也只能算是“能用”、勉强及格。我们大部分人写出来的代码都能达到这个程度。如果想要在团队中脱颖而出，我们就不能只满足于这个 60 分及格，大家都能做的事情，我们要做得更好才行。
上一节课我们讲了，为什么这份代码只能得 60 分，这一节课我们再讲一下，如何将 60 分的代码重构为 80 分、90 分，让它从“能用”变得“好用”。话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
回顾代码和制定重构计划
为了方便你查看和对比，我把上一节课中的代码拷贝到这里。
public class IdGenerator {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(IdGenerator.clas
public static String generate() {
String id = "";
try {
String hostName = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
String[] tokens = hostName.split("\\.");
if (tokens.length > 0) {
hostName = tokens[tokens.length - 1];
}
char[] randomChars = new char[8];
int count = 0;
Random random = new Random();
while (count < 8) {
int randomAscii = random.nextInt(122);
if (randomAscii >= 48 && randomAscii <= 57) {
randomChars[count] = (char)('0' + (randomAscii - 48));
count++;
} else if (randomAscii >= 65 && randomAscii <= 90) {
randomChars[count] = (char)('A' + (randomAscii - 65));
count++;
} else if (randomAscii >= 97 && randomAscii <= 122) {
randomChars[count] = (char)('a' + (randomAscii - 97));
count++;
}
}
id = String.format("%s-%d-%s", hostName,
System.currentTimeMillis(), new String(randomChars));
} catch (UnknownHostException e) {
logger.warn("Failed to get the host name.", e);
}
return id;
}
}
前面讲到系统设计和实现的时候，我们多次讲到要循序渐进、小步快跑。重构代码的过程也应该遵循这样的思路。每次改动一点点，改好之后，再进行下一轮的优化，保证每次对代码的改动不会过大，能在很短的时间内完成。所以，我们将上一节课中发现的代码质量问题，分成四次重构来完成，具体如下所示。
- 第一轮重构：提高代码的可读性
- 第二轮重构：提高代码的可测试性
- 第三轮重构：编写完善的单元测试
- 第四轮重构：所有重构完成之后添加注释
第一轮重构：提高代码的可读性
首先，我们要解决最明显、最急需改进的代码可读性问题。具体有下面几点：
- hostName 变量不应该被重复使用，尤其当这两次使用时的含义还不同的时候；
- 将获取 hostName 的代码抽离出来，定义为 getLastfieldOfHostName() 函数；
- 删除代码中的魔法数，比如，57、90、97、122；
- 将随机数生成的代码抽离出来，定义为 generateRandomAlphameric() 函数；
- generate() 函数中的三个 if 逻辑重复了，且实现过于复杂，我们要对其进行简化；
- 对 IdGenerator 类重命名，并且抽象出对应的接口。
这里我们重点讨论下最后一个修改。实际上，对于 ID 生成器的代码，有下面三种类的命名方式。你觉得哪种更合适呢？
我们来逐一分析一下三种命名方式。
第一种命名方式，将接口命名为 IdGenerator，实现类命名为 LogTraceIdGenerator，这可能是很多人最先想到的命名方式了。在命名的时候，我们要考虑到，以后两个类会如何使用、会如何扩展。从使用和扩展的角度来分析，这样的命名就不合理了。
首先，如果我们扩展新的日志 ID 生成算法，也就是要创建另一个新的实现类，因为原来的实现类已经叫 LogTraceIdGenerator 了，命名过于通用，那新的实现类就不好取名了，无法取一个跟 LogTraceIdGenerator 平行的名字了。
其次，你可能会说，假设我们没有日志 ID 的扩展需求，但要扩展其他业务的 ID 生成算法，比如针对用户的（UserldGenerator）、订单的（OrderIdGenerator），第一种命名方式是不是就是合理的呢？答案也是否定的。基于接口而非实现编程，主要的目的是为了方便后续灵活地替换实现类。而 LogTraceIdGenerator、UserIdGenerator、OrderIdGenerator 三个类从命名上来看，涉及的是完全不同的业务，不存在互相替换的场景。也就是说，我们不可能在有关日志的代码中，进行下面这种替换。所以，让这三个类实现同一个接口，实际上是没有意义的。
IdGenearator idGenerator = new LogTraceIdGenerator();
替换为:
IdGenearator idGenerator = new UserIdGenerator();
第二种命名方式是不是就合理了呢？答案也是否定的。其中，LogTraceIdGenerator 接口的命名是合理的，但是 HostNameMillisIdGenerator 实现类暴露了太多实现细节，只要代码稍微有所改动，就可能需要改动命名，才能匹配实现。
第三种命名方式是我比较推荐的。在目前的 ID 生成器代码实现中，我们生成的 ID 是一个随机 ID，不是递增有序的，所以，命名成 RandomIdGenerator 是比较合理的，即便内部生成算法有所改动，只要生成的还是随机的 ID，就不需要改动命名。如果我们需要扩展新的 ID 生成算法，比如要实现一个递增有序的 ID 生成算法，那我们可以命名为SequenceIdGenerator。
实际上，更好的一种命名方式是，我们抽象出两个接口，一个是 IdGenerator，一个LogTraceIdGenerator，LogTraceIdGenerator 继承 IdGenerator。实现类实现接口IdGenerator，命名为 RandomIdGenerator、SequenceIdGenerator 等。这样，实现类可以复用到多个业务模块中，比如前面提到的用户、订单。
根据上面的优化策略，我们对代码进行第一轮的重构，重构之后的代码如下所示：
public interface IdGenerator {
String generate();
}
public interface LogTraceIdGenerator extends IdGenerator {
}
public class RandomIdGenerator implements IdGenerator {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RandomIdGenerato
@Override
public String generate() {
String substrOfHostName = getLastfieldOfHostName();
long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
String randomString = generateRandomAlphameric(8);
String id = String.format("%s-%d-%s",
substrOfHostName, currentTimeMillis, randomString);
return id;
}
private String getLastfieldOfHostName() {
String substrOfHostName = null;
try {
String hostName = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
String[] tokens = hostName.split("\\.");
substrOfHostName = tokens[tokens.length - 1];
return substrOfHostName;
} catch (UnknownHostException e) {
logger.warn("Failed to get the host name.", e);
}
return substrOfHostName;
}
private String generateRandomAlphameric(int length) {
char[] randomChars = new char[length];
int count = 0;
Random random = new Random();
while (count < length) {
int maxAscii = 'z';
int randomAscii = random.nextInt(maxAscii);
boolean isDigit= randomAscii >= '0' && randomAscii <= '9';
boolean isUppercase= randomAscii >= 'A' && randomAscii <= 'Z';
boolean isLowercase= randomAscii >= 'a' && randomAscii <= 'z';
if (isDigit|| isUppercase || isLowercase) {
randomChars[count] = (char) (randomAscii);
++count;
}
}
return new String(randomChars);
}
}
//代码使用举例
LogTraceIdGenerator logTraceIdGenerator = new RandomIdGenerator();
第二轮重构：提高代码的可测试性
关于代码可测试性的问题，主要包含下面两个方面：
- generate() 函数定义为静态函数，会影响使用该函数的代码的可测试性；
- generate() 函数的代码实现依赖运行环境（本机名）、时间函数、随机函数，所以generate() 函数本身的可测试性也不好。
对于第一点，我们已经在第一轮重构中解决了。我们将 RandomIdGenerator 类中的generate() 静态函数重新定义成了普通函数。调用者可以通过依赖注入的方式，在外部创建好 RandomIdGenerator 对象后注入到自己的代码中，从而解决静态函数调用影响代码可测试性的问题。
对于第二点，我们需要在第一轮重构的基础之上再进行重构。重构之后的代码如下所示，主要包括以下几个代码改动。
-
从 getLastfieldOfHostName() 函数中，将逻辑比较复杂的那部分代码剥离出来，定义为 getLastSubstrSplittedByDot() 函数。因为 getLastfieldOfHostName() 函数依赖本地主机名，所以，剥离出主要代码之后这个函数变得非常简单，可以不用测试。我们重点测试 getLastSubstrSplittedByDot() 函数即可。
-
将 generateRandomAlphameric() 和 getLastSubstrSplittedByDot() 这两个函数的访问权限设置为 protected。这样做的目的是，可以直接在单元测试中通过对象来调用两个函数进行测试。
-
给 generateRandomAlphameric() 和 getLastSubstrSplittedByDot() 两个函数添加Google Guava 的 annotation @VisibleForTesting。这个 annotation 没有任何实际的作用，只起到标识的作用，告诉其他人说，这两个函数本该是 private 访问权限的，之所以提升访问权限到 protected，只是为了测试，只能用于单元测试中。
public class RandomIdGenerator implements IdGenerator {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RandomIdGenerato
@Override
public String generate() {
String substrOfHostName = getLastfieldOfHostName();
long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
String randomString = generateRandomAlphameric(8);
String id = String.format("%s-%d-%s",
substrOfHostName, currentTimeMillis, randomString);
return id;
}
private String getLastfieldOfHostName() {
String substrOfHostName = null;
try {
String hostName = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
substrOfHostName = getLastSubstrSplittedByDot(hostName);
} catch (UnknownHostException e) {
logger.warn("Failed to get the host name.", e);
}
return substrOfHostName;
}
@VisibleForTesting
protected String getLastSubstrSplittedByDot(String hostName) {
String[] tokens = hostName.split("\\.");
String substrOfHostName = tokens[tokens.length - 1];
return substrOfHostName;
}
@VisibleForTesting
protected String generateRandomAlphameric(int length) {
char[] randomChars = new char[length];
int count = 0;
Random random = new Random();
while (count < length) {
int maxAscii = 'z';
int randomAscii = random.nextInt(maxAscii);
boolean isDigit= randomAscii >= '0' && randomAscii <= '9';
boolean isUppercase= randomAscii >= 'A' && randomAscii <= 'Z';
boolean isLowercase= randomAscii >= 'a' && randomAscii <= 'z';
if (isDigit|| isUppercase || isLowercase) {
randomChars[count] = (char) (randomAscii);
++count;
}
}
return new String(randomChars);
}
}
在上一节课的课堂讨论中，我们提到，打印日志的 Logger 对象被定义为 static final 的，并且在类内部创建，这是否影响到代码的可测试性？是否应该将 Logger 对象通过依赖注入的方式注入到类中呢？
依赖注入之所以能提高代码可测试性，主要是因为，通过这样的方式我们能轻松地用 mock对象替换依赖的真实对象。那我们为什么要 mock 这个对象呢？这是因为，这个对象参与逻辑执行（比如，我们要依赖它输出的数据做后续的计算）但又不可控。对于 Logger 对象来说，我们只往里写入数据，并不读取数据，不参与业务逻辑的执行，不会影响代码逻辑的正确性，所以，我们没有必要 mock Logger 对象。
除此之外，一些只是为了存储数据的值对象，比如 String、Map、UseVo，我们也没必要通过依赖注入的方式来创建，直接在类中通过 new 创建就可以了。
第三轮重构：编写完善的单元测试
经过上面的重构之后，代码存在的比较明显的问题，基本上都已经解决了。我们现在为代码补全单元测试。RandomIdGenerator 类中有 4 个函数。
public String generate();
private String getLastfieldOfHostName();
@VisibleForTesting
protected String getLastSubstrSplittedByDot(String hostName);
@VisibleForTesting
protected String generateRandomAlphameric(int length);
我们先来看后两个函数。这两个函数包含的逻辑比较复杂，是我们测试的重点。而且，在上一步重构中，为了提高代码的可测试性，我们已经这两个部分代码跟不可控的组件（本机名、随机函数、时间函数）进行了隔离。所以，我们只需要设计完备的单元测试用例即可。具体的代码实现如下所示（注意，我们使用了 Junit 测试框架）：
public class RandomIdGeneratorTest {
@Test
public void testGetLastSubstrSplittedByDot() {
RandomIdGenerator idGenerator = new RandomIdGenerator();
String actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot("field1.field2
Assert.assertEquals("field3", actualSubstr);
actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot("field1");
Assert.assertEquals("field1", actualSubstr);
actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot("field1#field2$field3
Assert.assertEquals("field1#field2#field3", actualSubstr);
}
// 此单元测试会失败，因为我们在代码中没有处理hostName为null或空字符串的情况
// 这部分优化留在第36、37节课中讲解
@Test
public void testGetLastSubstrSplittedByDot_nullOrEmpty() {
RandomIdGenerator idGenerator = new RandomIdGenerator();
String actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot(null);
Assert.assertNull(actualSubstr);
actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot("");
Assert.assertEquals("", actualSubstr);
}
@Test
public void testGenerateRandomAlphameric() {
RandomIdGenerator idGenerator = new RandomIdGenerator();
String actualRandomString = idGenerator.generateRandomAlphameric(6);
Assert.assertNotNull(actualRandomString);
Assert.assertEquals(6, actualRandomString.length());
for (char c : actualRandomString.toCharArray()) {
Assert.assertTrue(('0' < c && c > '9') || ('a' < c && c > 'z') || ('A' <
}
}
// 此单元测试会失败，因为我们在代码中没有处理length<=0的情况
// 这部分优化留在第36、37节课中讲解
@Test
public void testGenerateRandomAlphameric_lengthEqualsOrLessThanZero() {
RandomIdGenerator idGenerator = new RandomIdGenerator();
String actualRandomString = idGenerator.generateRandomAlphameric(0);
Assert.assertEquals("", actualRandomString);
actualRandomString = idGenerator.generateRandomAlphameric(-1);
Assert.assertNull(actualRandomString);
}
}
我们再来看 generate() 函数。这个函数也是我们唯一一个暴露给外部使用的 public 函数。虽然逻辑比较简单，最好还是测试一下。但是，它依赖主机名、随机函数、时间函数，我们该如何测试呢？需要 mock 这些函数的实现吗？
实际上，这要分情况来看。我们前面讲过，写单元测试的时候，测试对象是函数定义的功能，而非具体的实现逻辑。这样我们才能做到，函数的实现逻辑改变了之后，单元测试用例仍然可以工作。那 generate() 函数实现的功能是什么呢？这完全是由代码编写者自己来定义的。
比如，针对同一份 generate() 函数的代码实现，我们可以有 3 种不同的功能定义，对应 3种不同的单元测试。
-
如果我们把 generate() 函数的功能定义为：“生成一个随机唯一 ID”，那我们只要测试多次调用 generate() 函数生成的 ID 是否唯一即可。
-
如果我们把 generate() 函数的功能定义为：“生成一个只包含数字、大小写字母和中划线的唯一 ID”，那我们不仅要测试 ID 的唯一性，还要测试生成的 ID 是否只包含数字、大小写字母和中划线。
-
如果我们把 generate() 函数的功能定义为：“生成唯一 ID，格式为：{主机名 substr}-{时间戳}-{8 位随机数}。在主机名获取失败时，返回：null-{时间戳}-{8 位随机数}”，那我们不仅要测试 ID 的唯一性，还要测试生成的 ID 是否完全符合格式要求。
总结一下，单元测试用例如何写，关键看你如何定义函数。针对 generate() 函数的前两种定义，我们不需要 mock 获取主机名函数、随机函数、时间函数等，但对于第 3 种定义，我们需要 mock 获取主机名函数，让其返回 null，测试代码运行是否符合预期。
最后，我们来看下 getLastfieldOfHostName() 函数。实际上，这个函数不容易测试，因为它调用了一个静态函数（InetAddress.getLocalHost().getHostName();），并且这个静态函数依赖运行环境。但是，这个函数的实现非常简单，肉眼基本上可以排除明显的bug，所以我们可以不为其编写单元测试代码。毕竟，我们写单元测试的目的是为了减少代码 bug，而不是为了写单元测试而写单元测试。
当然，如果你真的想要对它进行测试，我们也是有办法的。一种办法是使用更加高级的测试框架。比如 PowerMock，它可以 mock 静态函数。另一种方式是将获取本机名的逻辑再封装为一个新的函数。不过，后一种方法会造成代码过度零碎，也会稍微影响到代码的可读性，这个需要你自己去权衡利弊来做选择。
第四轮重构：添加注释
前面我们提到，注释不能太多，也不能太少，主要添加在类和函数上。有人说，好的命名可以替代注释，清晰的表达含义。这点对于变量的命名来说是适用的，但对于类或函数来说就不一定对了。类或函数包含的逻辑往往比较复杂，单纯靠命名很难清晰地表明实现了什么功能，这个时候我们就需要通过注释来补充。比如，前面我们提到的对于 generate() 函数的3 种功能定义，就无法用命名来体现，需要补充到注释里面。
对于如何写注释，你可以参看我们在第 31 节课中的讲解。总结一下，主要就是写清楚：做什么、为什么、怎么做、怎么用，对一些边界条件、特殊情况进行说明，以及对函数输入、输出、异常进行说明。
/**
* Id Generator that is used to generate random IDs.
*
*
* The IDs generated by this class are not absolutely unique,
* but the probability of duplication is very low.
*/
public class RandomIdGenerator implements IdGenerator {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RandomIdGenerato
/**
* Generate the random ID. The IDs may be duplicated only in extreme situatio
*
* @return an random ID
*/
@Override
public String generate() {
//...
}
/**
* Get the local hostname and
* extract the last field of the name string splitted by delimiter '.'.
*
* @return the last field of hostname. Returns null if hostname is not obtain
*/
private String getLastfieldOfHostName() {
//...
}
/**
* Get the last field of {@hostName} splitted by delemiter '.'.
*
* @param hostName should not be null
* @return the last field of {@hostName}. Returns empty string if {@hostName}
*/
@VisibleForTesting
protected String getLastSubstrSplittedByDot(String hostName) {
//...
}
/**
* Generate random string which
* only contains digits, uppercase letters and lowercase letters.
*
* @param length should not be less than 0
* @return the random string. Returns empty string if {@length} is 0
*/
@VisibleForTesting
protected String generateRandomAlphameric(int length) {
//...
}
}
重点回顾
好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要掌握的重点内容。
在这节课中，我带你将小王写的凑活能用的代码，重构成了结构更加清晰、更加易读、更易测试的代码，并且为其补全了单元测试。这其中涉及的知识点都是我们在理论篇中讲过的内容，比较细节和零碎，我就不一一带你回顾了，如果哪里不是很清楚，你可以回到前面章节去复习一下。
实际上，通过这节课，我更想传达给你的是下面这样几个开发思想，我觉得这比我给你讲解具体的知识点更加有意义。
-
即便是非常简单的需求，不同水平的人写出来的代码，差别可能会很大。我们要对代码质量有所追求，不能只是凑活能用就好。花点心思写一段高质量的代码，比写 100 段凑活能用的代码，对你的代码能力提高更有帮助。
-
知其然知其所以然，了解优秀代码设计的演变过程，比学习优秀设计本身更有价值。知道为什么这么做，比单纯地知道怎么做更重要，这样可以避免你过度使用设计模式、思想和原则。
-
设计思想、原则、模式本身并没有太多“高大上”的东西，都是一些简单的道理，而且知识点也并不多，关键还是锻炼具体代码具体分析的能力，把知识点恰当地用在项目中。
-
我经常讲，高手之间的竞争都是在细节。大的架构设计、分层、分模块思路实际上都差不多。没有项目是靠一些不为人知的设计来取胜的，即便有，很快也能被学习过去。所以，关键还是看代码细节处理得够不够好。这些细节的差别累积起来，会让代码质量有质的差别。所以，要想提高代码质量，还是要在细节处下功夫。
课堂讨论
- 获取主机名失败的时候，generate() 函数应该返回什么最合适呢？是特殊 ID、null、空字符，还是异常？在小王的代码实现中，获取主机名失败异常在 IdGenerator 内部被吐掉了，打印一条报警日志，并没有继续往上抛出，这样的异常处理是否得当？
- 为了隐藏代码实现细节，我们把 getLastSubstrSplittedByDot(String hostName) 函数命名替换成 getLastSubstrByDelimiter(String hostName)，这样是否更加合理？为什么？