Java进阶专题： 软件架构设计原则

1、前言

​ 今天开始我们专题的第一课了，也是我开始进阶学习的第一天，我们先从经典设计思想开始，看看大牛市如何写代码的，提升技术审美、提高核心竞争力。本章节参考资料书籍《Spring 5核心原理》中的第一篇 Spring 内功心法（需要电子档的加小姐姐V：java9610 免费领取）。

2、开闭原则

开闭原则(Open-Closed Principle,OCP)是指一个软件实体(如类，模块和函数)应该对扩展开发，对修改关闭。所谓的开闭，也正是对扩展和修改的两种行为的一个原则。它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。开闭原则他是面向对象设计中最基础的设计原则。它知道我们如何建立稳定、灵活的系统。例如版本更新，我们尽可能不修改源码，但可以增加新功能。常见于我们经常写的接口与实现类的使用上，先接口定义好，对于不同的需求写不同的实现类，后期有改动若不修改原有代码，可以重新写一个实现类。

3、依赖倒置原则

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，并且能够降低修改程序所造成的风险。这是一个比较重要的设计原则，在我们日常开发中，经常有使用该思想的场景，能避免很多时候业务更改时，只需要改动少量代码就可以完成需求。下面我们通过一个例子，来深入理解该思想。

以学习课程为例:

//Tom正在学习两个课程 public class Tom { public void studyJva() { System.out.println("正在学习Java"); } public void studyPython() { System.out.println("正在学习Python"); } }

//这里调用Tom的两个学习方法 public static void main(String[] args) { Tom tom = new Tom(); tom.studyJva();; tom.studyPython(); }

 看上去以上两个类的方法与调用没有毛病，但是随着业务的扩展，Tom又想继续学习Go语言，这时候我们就需要从低层到高层（调用层）依次修改代码。先在Tom里面正在studyGo()方法，然后在main中加以调用。这样一来，系统发布以后，实际上非常不稳定，现在代码少能清晰知晓，但是实际项目中，代码量、涉及的业务非常多，修改多个类的代码，可能会代码意想不到的风险。

​ 接下来我们根据依赖倒置的思想来优化代码，先创建一个ICourse接口。

public interface ICourse { /** * 抽象出来一个专门用来学习的方法,抽象不依赖细节,不去关心去学习什么课程 */ void study(); }

//创建一个Java课程学习 public class JavaCourse implements ICourse { /** *由实现类去觉得具体学习什么课程(细节应该依赖抽象) */ public void study() { System.out.println("Tom在学习Java"); } }

//创建一个Python课程学习 public class PythonCourse implements ICourse { public void study() { System.out.println("Tom在学习Python"); } }

//修改Tom public class Tom { public void study(ICourse course){ //应证了高层模块不应该依赖底层模块,应该依赖其抽象 course.study(); } }

//调用方代码 public static void main(String[] args) { Tom tom = new Tom(); tom.study(new JavaCourse()); tom.study(new PythonCourse()); }

通过以上代码改造，可以看出了依赖倒置原则的核心思想。通过抽象课程学习的接口，减少了类与类之间的耦合性和可维护性。当又有新的课程添加，我们直接可以再添加一个实现类，通过传参的方式告知Tom，而不在需要修改底层代码（也体现了开闭原则）。

​ 大家要切记：以抽象为基准比以细节为基准搭建起来的架构要稳定的多，因此在拿到需求之后，要面向接口编程，先顶层再细节设计代码结构。

4、单一职责原则

​ 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。假设我们有一个类负责两个职责，一旦发生需求变更，修改其中一个职责的代码，有可能导致另外一个职责的功能发生故障。这样一来，这个类就存在两个导致类发生变更的原因。如何解决这个问题呢？将两个职责用两个类来实现，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，就是一个类、接口或方法只负责一项职责。

​ 接下来，我们来看代码示例，还用课程举例，我们的课程有直播课和录播课。直播课不能快进和快退，录播课程可以任意反复观看，功能职责不一样，还是想创建一个Course类：

public class Course { public void study(String courseName){ if ("直播课".equals(courseName)){ System.out.println(courseName + "不能快进"); }else { System.out.println(courseName + "可以反复回看"); } } }

//看下调用代码 public static void main(String[] args) { Course course = new Course(); course.study("直播课"); course.study("录播课"); }

​ 从上面的的代码来看,Course类承担了两种处理逻辑。假如现在要对课程进行加密，直播课与录播课的加密逻辑不一样，必须修改代码。而修改代码的逻辑势必会相互影响，容易带来不可控的风险。我们对职责进行解耦，来看代码，分别创建两个类

//直播 public class LiveCourse { public void study(String courseName){ System.out.println(courseName + "不能快进看"); } }

//录播 public class ReplayCourse { public void study(String courseName){ System.out.println(courseName + "可以反复回看"); } }

//调用代码 public static void main(String[] args) { LiveCourse liveCourse = new LiveCourse(); liveCourse.study("直播课!"); ReplayCourse replayCourse = new ReplayCourse(); replayCourse.study("录播课!"); }

​ 此时业务继续发展，课程要做权限。没有付费的学员可以获得课程基本信息，已经付费的学员可以获得视频流，即学习权限。设计一个顶层接口，创建ICourse接口:

public interface ICourse { //获取课程基本信息 String getCourseName(); //获取视频流 byte[] getCourseVideo(); //学习课程 void studyCourse(); //退款 void refundCourse(); }

​ 其实在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。我们可以把这个接口拆成两个接口:ICourseInfo和ICourseManager。

public interface ICourseInfo { //获取课程基本信息 String getCourseName(); //获取视频流 byte[] getCourseVideo(); } public interface ICourseManager { //学习课程 void studyCourse(); //退款 void refundCourse(); }

我们看下类图


以上是类/接口的单一职，下面我们看下方法层面的单一职责，有时候我们会偷懒，把一个方法写成下面这样：

/** * 修改用户信息 */ private void modityUserInfo(String userName,String address){ userName="LaoWang"; address = "BeiJin"; } private void modityUserInfo(String userName,String... fileds){ userName="LaoWang"; for (String filed : fileds) { //.... } } private void modityUserInfo(String userName,String address,boolean bool){ if (bool){ //... }else { //... } userName = "LaoWang"; address = "BeiJin"; }

 显然,上面的modityUserInfo()方法承担了多个职责，既可以修改userName又可以修改address，甚至更多，明显不符合单一职责。我们做如下修改，可以拆成两个方法

private void modifyUserName(String userName){ userName="LaoWang"; } private void modifyAddress(String address){ address = "BeiJin"; }

​ 修改之后，开发起来简单，维护起来也容易。我们在实际开发中会有项目依赖、组合、聚合这些关系，还有的项目的规模、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中，尽可能的让接口和方法保持单一职责，对项目后期的维护是有很大的帮助的。

 

第二节：

1、接口隔离原则

​ 接口隔离原则（Interface Segregation Principke,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。这个原则知道我们在设计接口时应当注意以下几点：

（1）一个类对另一个类的依赖应该建立在最小接口之上。

（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，可以使类有很好的可读性、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，包括对以后可能发生变化的地方做一些预判。所以，对于抽象、对于业务模型的理解是非常重要的。

​ 下面我们来看一段代码，对一个动物行为进行抽象描述。

//描述动物行为的接口 public interface IAnimal { void eat(); void fly(); void swim(); }

//鸟类 public class Bird implements IAnimal { public void eat() { } public void fly() { } public void swim() { } }

//狗 public class Dog implements IAnimal { public void eat() { } public void fly() { } public void swim() { } }

可以看出，Brid的swim()方法只能空着，并且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：

public interface IEatAnimal { void eat(); }

public interface IFlyAnimal { void fly(); }

public interface ISwimAnimal { void swim(); }

此时Dog只需要实现IEatAnimal和ISwimAnimal接口即可，这样就清晰明了了。

public class Dog implements IEatAnimal,ISwimAnimal { public void eat() { } public void swim() { } }

2、迪米特原则

​ 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度。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、输出参数中的类可以称为成员朋友类，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进行统计，TeamLeader再把统计结果告诉Boss，接下来我们来看看代码：

//课程类 public class Course { }

//TeamLeader类 public class TeamLeader { public void checkNumberOfCourses(List courses){ System.out.println("目前已经发布的课程数量:"+courses.size()); } }

//Boss类 public class Boss { public void commandCheckNumber(TeamLeader teamLeader){ //模拟BOSS一页一页往下翻页,TeamLeader实时统计 List courseList = new ArrayList(); for (int i = 0; i < 20; i++) { courseList.add(new Course()); } teamLeader.checkNumberOfCourses(courseList); } }

//调用方代码 public static void main(String[] args) { Boss boss = new Boss(); TeamLeader teamLeader = new TeamLeader(); boss.commandCheckNumber(teamLeader); }

​ 写到这里，其实功能已经实现，代码看上去没有什么问题，但是根据迪米特原则，Boss只想要结果，不希望跟Course直接交流。TeamLeader统计需要引用Course对象。Boss和Course并不是朋友,从下面的类图可以看出来:

​ 下面对代码进行改造：

//TeamLeader做与course的交流 public class TeamLeader { public void checkNumberOfCourses(){ List courses = new ArrayList(); for (int i = 0; i < 20; i++) { courses.add(new Course()); } System.out.println("目前已经发布的课程数量:"+courses.size()); } }

//Boss直接与TeamLeader交流,不再直接与Course交流 public class Boss { public void commandCheckNumber(TeamLeader teamLeader){ //模拟BOSS一页一页往下翻页,TeamLeader实时统计 teamLeader.checkNumberOfCourses(); } }

再看下类图,Boss与Course已经没有联系了

​ 这里切记，学习软件设计规则，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。

3、里氏替换原则

​ 里氏替换原则（Liskov Substitution Priciple，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。

​ 这个定义看上去还是比较抽象的，我们要重新理解一下。可以理解为一个软件实体如果适用于一个父类，那么一定适用其子类，所以引用父类的地方必须能透明的使用其子类的对象，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，引申含义为：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）要比父类的方法输入参数更宽松。

​ （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）要比父类更严格或与父类一样。

​ 使用里氏替换原则有以下优点：

​ （1）约束继承泛滥，是开闭原则的一种体现。

​ （2）加强程序的健壮性，同事变更时也可以做到非常好的兼容性，提高程序的可维护性和扩展性，降低需求变成时引入的风险。

​ 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，我们都知道正方形一个特殊的矩形，所以就可以创建一个父类Rectangle：

//矩形类
public class Rectangle {
    private long hight;
    private long width;

    public long getHight() {
        return hight;
    }

    public void setHight(long hight) {
        this.hight = hight;
    }

    public long getWidth() {
        return width;
    }

    public void setWidth(long width) {
        this.width = width;
    }
}

//正方形类
public class Square extends Rectangle {
    private long length;

    public long getLength() {
        return length;
    }

    public void setLength(long length) {
        this.length = length;
    }

    @Override
    public long getHight() {
        return super.getHight();
    }

    @Override
    public void setHight(long hight) {
        super.setHight(hight);
    }

    @Override
    public long getWidth() {
        return super.getWidth();
    }

    @Override
    public void setWidth(long width) {
        super.setWidth(width);
    }
}

public class DemoTest {
    //在测试类中创建resize方法,长方形的宽应该大于等于高,我们让高一直增加,直至高等于宽,变成正方形。
    public static void resize(Rectangle rectangle) {
        while (rectangle.getWidth() >= rectangle.getHight()){
            rectangle.setHight(rectangle.getHight()+1);
            System.out.println("宽度:"+rectangle.getWidth()+"高度:"+rectangle.getHight());
        }
        System.out.println("resize方法结束!");
    }

	//测试代码如下
    public static void main(String[] args) {
        Rectangle rectangle = new Rectangle();
        rectangle.setHight(10);
        rectangle.setWidth(20);
        resize(rectangle);
    }

​ 看下控制台输出，发现高度最后大于了宽度，这个情况在正方形中是正常的情况，现在我们把Rectangle类替换成它的子类的话，就不符合逻辑了，违背了里氏替换原则，将父类替换成子类后，程序运行结果没有达到预期。因此，我们的代码设计存在一定的风险的。里氏替换原则只存在于父类与子类之间，约束继承泛滥。我们再来创建一个基于正方形和长方形共同的抽象接口四边形接口Quadrangle:

public interface Quadrangle { 
    long getWidth(); 
    long getHeight(); 
}

修改长方形 Rectangle 类：

public class Rectangle implements Quadrangle {
    private long height;
    private long width;

    public long getHeight() {
        return height;
    }

    public long getWidth() {
        return width;
    }

    public void setHeight(long height) {
        this.height = height;
    }

    public void setWidth(long width) {
        this.width = width;
    }
}

修改正方形类 Square 类：

public class Square implements Quadrangle {
    private long length;

    public long getLength() {
        return length;
    }

    public void setLength(long length) {
        this.length = length;
    }

    public long getWidth() {
        return 0;
    }

    public long getHeight() {
        return 0;
    }
}

​ 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。当然，我们在后面的设计模式课程 中还会继续深入讲解。

4、合成复用原则

​ 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 DBConnection 类：

public class DBConnection { 
    public String getConnection(){ 
        return "MySQL 数据库连接"; 
    } 
}

创建 ProductDao 类:

public class ProductDao{ 
    private DBConnection dbConnection; 
    public void setDbConnection(DBConnection dbConnection) { 
        this.dbConnection = dbConnection; 
    }
    public void addProduct(){ 
        String conn = dbConnection.getConnection(); 
        System.out.println("使用"+conn+"增加产品"); 
    } 
}

​ 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：

public abstract class DBConnection { 
    public abstract String getConnection(); 
}

然后，将 MySQL 的逻辑抽离：

public class MySQLConnection extends DBConnection { 
    @Override 
    public String getConnection() { 
        return "MySQL 数据库连接"; 
    } 
}

再创建 Oracle 支持的逻辑：

public class OracleConnection extends DBConnection { 
    @Override 
    public String getConnection() { 
        return "Oracle 数据库连接"; 
    } 
}

具体选择交给应用层，来看一下类图：

5、设计原则总结

​ 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。

 

结尾：

最后希望大家多多支持 一键三连+评论下 并献上我自己整理的“大厂真题+微服务+MySQL+分布式+SSM框架+Java+Redis+数据结构与算法+网络+Linux+Spring全家桶+JVM+高并发+各大学习思维脑图+面试集合”