设计模式之美——DRY原则 和 迪米特法则

DRY原则

Don’t Repeat Yourself。中文直译为：不要重复自己。即，不要写重复的代码。

我们主要讲三种典型的代码重复情况：实现逻辑重复、功能语义重复和代码执行重复。

实现逻辑重复

public class UserAuthenticator {
  public void authenticate(String username, String password) {
    if (!isValidUsername(username)) {
      // ...throw InvalidUsernameException...
    }
    if (!isValidPassword(password)) {
      // ...throw InvalidPasswordException...
    }
    //...省略其他代码...
  }

  private boolean isValidUsername(String username) {
    // check not null, not empty
    if (StringUtils.isBlank(username)) {
      return false;
    }
    // check length: 4~64
    int length = username.length();
    if (length < 4 || length > 64) {
      return false;
    }
    // contains only lowcase characters
    if (!StringUtils.isAllLowerCase(username)) {
      return false;
    }
    // contains only a~z,0~9,dot
    for (int i = 0; i < length; ++i) {
      char c = username.charAt(i);
      if (!(c >= 'a' && c <= 'z') || (c >= '0' && c <= '9') || c == '.') {
        return false;
      }
    }
    return true;
  }

  private boolean isValidPassword(String password) {
    // check not null, not empty
    if (StringUtils.isBlank(password)) {
      return false;
    }
    // check length: 4~64
    int length = password.length();
    if (length < 4 || length > 64) {
      return false;
    }
    // contains only lowcase characters
    if (!StringUtils.isAllLowerCase(password)) {
      return false;
    }
    // contains only a~z,0~9,dot
    for (int i = 0; i < length; ++i) {
      char c = password.charAt(i);
      if (!(c >= 'a' && c <= 'z') || (c >= '0' && c <= '9') || c == '.') {
        return false;
      }
    }
    return true;
  }
}

在代码中，有两处非常明显的重复的代码片段：isValidUserName() 函数和 isValidPassword() 函数。重复的代码被敲了两遍，或者简单 copy-paste 了一下，看起来明显违反 DRY 原则。为了移除重复的代码，我们对上面的代码做下重构，将 isValidUserName() 函数和 isValidPassword() 函数，合并为一个更通用的函数 isValidUserNameOrPassword()。重构后的代码如下所示：

public class UserAuthenticatorV2 {

  public void authenticate(String userName, String password) {
    if (!isValidUsernameOrPassword(userName)) {
      // ...throw InvalidUsernameException...
    }

    if (!isValidUsernameOrPassword(password)) {
      // ...throw InvalidPasswordException...
    }
  }

  private boolean isValidUsernameOrPassword(String usernameOrPassword) {
    //省略实现逻辑
    //跟原来的isValidUsername()或isValidPassword()的实现逻辑一样...
    return true;
  }
}

经过重构之后，代码行数减少了，也没有重复的代码了，是不是更好了呢？答案是否定的！

单从名字上看，我们就能发现，合并之后的 isValidUserNameOrPassword() 函数，负责两件事情：验证用户名和验证密码，违反了“单一职责原则”和“接口隔离原则”。实际上，即便将两个函数合并成 isValidUserNameOrPassword()，代码仍然存在问题。

因为 isValidUserName() 和 isValidPassword() 两个函数，虽然从代码实现逻辑上看起来是重复的，但是从语义上并不重复。所谓“语义不重复”指的是：从功能上来看，这两个函数干的是完全不重复的两件事情，一个是校验用户名，另一个是校验密码。尽管在目前的设计中，两个校验逻辑是完全一样的，但如果按照第二种写法，将两个函数的合并，那就会存在潜在的问题。在未来的某一天，如果我们修改了密码的校验逻辑，比如，允许密码包含大写字符，允许密码的长度为 8 到 64 个字符，那这个时候，isValidUserName() 和 isValidPassword() 的实现逻辑就会不相同。我们就要把合并后的函数，重新拆成合并前的那两个函数。

尽管代码的实现逻辑是相同的，但语义不同，我们判定它并不违反 DRY 原则。对于包含重复代码的问题，我们可以通过抽象成更细粒度函数的方式来解决。比如将校验只包含 a_z、09、dot 的逻辑封装成 boolean onlyContains(String str, String charlist); 函数。

功能语义重复

在同一个项目代码中有下面两个函数：isValidIp() 和 checkIfIpValid()。尽管两个函数的命名不同，实现逻辑不同，但功能是相同的，都是用来判定 IP 地址是否合法的。

尽管两段代码的实现逻辑不重复，但语义重复，也就是功能重复，我们认为它违反了 DRY 原则。我们应该在项目中，统一一种实现思路，所有用到判断 IP 地址是否合法的地方，都统一调用同一个函数。

代码执行重复

UserService 中 login() 函数用来校验用户登录是否成功。如果失败，就返回异常；如果成功，就返回用户信息。具体代码如下所示：

public class UserService {
  private UserRepo userRepo;//通过依赖注入或者IOC框架注入

  public User login(String email, String password) {
    boolean existed = userRepo.checkIfUserExisted(email, password);
    if (!existed) {
      // ... throw AuthenticationFailureException...
    }
    User user = userRepo.getUserByEmail(email);
    return user;
  }
}

public class UserRepo {
  public boolean checkIfUserExisted(String email, String password) {
    if (!EmailValidation.validate(email)) {
      // ... throw InvalidEmailException...
    }

    if (!PasswordValidation.validate(password)) {
      // ... throw InvalidPasswordException...
    }

    //...query db to check if email&password exists...
  }

  public User getUserByEmail(String email) {
    if (!EmailValidation.validate(email)) {
      // ... throw InvalidEmailException...
    }
    //...query db to get user by email...
  }
}

上面这段代码，既没有逻辑重复，也没有语义重复，但仍然违反了 DRY 原则。这是因为代码中存在“执行重复”。

重复执行最明显的一个地方，就是在 login() 函数中，email 的校验逻辑被执行了两次。一次是在调用 checkIfUserExisted() 函数的时候，另一次是调用 getUserByEmail() 函数的时候。我们只需要将校验逻辑从 UserRepo 中移除，统一放到 UserService 中就可以了。

除此之外，代码中还有一处比较隐蔽的执行重复，实际上，login() 函数并不需要调用 checkIfUserExisted() 函数，只需要调用一次 getUserByEmail() 函数，从数据库中获取到用户的 email、password 等信息，然后跟用户输入的 email、password 信息做对比，依次判断是否登录成功。

实际上，这样的优化是很有必要的。因为 checkIfUserExisted() 函数和 getUserByEmail() 函数都需要查询数据库，而数据库这类的 I/O 操作是比较耗时的。我们在写代码的时候，应当尽量减少这类 I/O 操作。

重构如下：

public class UserService {
  private UserRepo userRepo;//通过依赖注入或者IOC框架注入

  public User login(String email, String password) {
    if (!EmailValidation.validate(email)) {
      // ... throw InvalidEmailException...
    }
    if (!PasswordValidation.validate(password)) {
      // ... throw InvalidPasswordException...
    }
    User user = userRepo.getUserByEmail(email);
    if (user == null || !password.equals(user.getPassword()) {
      // ... throw AuthenticationFailureException...
    }
    return user;
  }
}

public class UserRepo {
  public boolean checkIfUserExisted(String email, String password) {
    //...query db to check if email&password exists
  }

  public User getUserByEmail(String email) {
    //...query db to get user by email...
  }
}

怎么提高代码复用性？

减少代码耦合

对于高度耦合的代码，当我们希望复用其中的一个功能，想把这个功能的代码抽取出来成为一个独立的模块、类或者函数的时候，往往会发现牵一发而动全身。移动一点代码，就要牵连到很多其他相关的代码。所以，高度耦合的代码会影响到代码的复用性，我们要尽量减少代码耦合。

满足单一职责原则

如果职责不够单一，模块、类设计得大而全，那依赖它的代码或者它依赖的代码就会比较多，进而增加了代码的耦合。根据上一点，也就会影响到代码的复用性。相反，越细粒度的代码，代码的通用性会越好，越容易被复用。

模块化

这里的“模块”，不单单指一组类构成的模块，还可以理解为单个类、函数。我们要善于将功能独立的代码，封装成模块。独立的模块就像一块一块的积木，更加容易复用，可以直接拿来搭建更加复杂的系统。

业务与非业务逻辑分离

越是跟业务无关的代码越是容易复用，越是针对特定业务的代码越难复用。所以，为了复用跟业务无关的代码，我们将业务和非业务逻辑代码分离，抽取成一些通用的框架、类库、组件等。

通用代码下沉

从分层的角度来看，越底层的代码越通用、会被越多的模块调用，越应该设计得足够可复用。一般情况下，在代码分层之后，为了避免交叉调用导致调用关系混乱，我们只允许上层代码调用下层代码及同层代码之间的调用，杜绝下层代码调用上层代码。所以，通用的代码我们尽量下沉到更下层。

继承、多态、抽象、封装

利用继承，可以将公共的代码抽取到父类，子类复用父类的属性和方法。利用多态，我们可以动态地替换一段代码的部分逻辑，让这段代码可复用。除此之外，抽象和封装，从更加广义的层面、而非狭义的面向对象特性的层面来理解的话，越抽象、越不依赖具体的实现，越容易复用。代码封装成模块，隐藏可变的细节、暴露不变的接口，就越容易复用。

应用模板等设计模式

一些设计模式，也能提高代码的复用性。比如，模板模式利用了多态来实现，可以灵活地替换其中的部分代码，整个流程模板代码可复用。

除此之外，还有一些跟编程语言相关的特性，也能提高代码的复用性，比如泛型编程等。复用意识也非常重要。在写代码的时候，我们要多去思考一下，这个部分代码是否可以抽取出来，作为一个独立的模块、类或者函数供多处使用。在设计每个模块、类、函数的时候，要像设计一个外部 API 那样，去思考它的复用性。

实际上，除非有非常明确的复用需求，否则，为了暂时用不到的复用需求，花费太多的时间、精力，投入太多的开发成本，并不是一个值得推荐的做法。这也违反我们之前讲到的 YAGNI 原则。

除此之外，有一个著名的原则，叫作“Rule of Three”。也就是说，第一次编写代码的时候，我们不考虑复用性；第二次遇到复用场景的时候，再进行重构使其复用。需要注意的是，“Rule of Three”中的“Three”并不是真的就指确切的“三”，这里就是指“二”。

迪米特法则

“高内聚、松耦合”是一个非常重要的设计思想，能够有效地提高代码的可读性和可维护性，缩小功能改动导致的代码改动范围。很多设计原则都以实现代码的“高内聚、松耦合”为目的，比如单一职责原则、基于接口而非实现编程等。

实际上，“高内聚、松耦合”是一个比较通用的设计思想，可以用来指导不同粒度代码的设计与开发，比如系统、模块、类，甚至是函数，也可以应用到不同的开发场景中，比如微服务、框架、组件、类库等。

“高内聚”用来指导类本身的设计，“松耦合”用来指导类与类之间依赖关系的设计。不过，这两者并非完全独立不相干。高内聚有助于松耦合，松耦合又需要高内聚的支持。

高内聚：就是指相近的功能应该放到同一个类中，不相近的功能不要放到同一个类中。相近的功能往往会被同时修改，放到同一个类中，修改会比较集中，代码容易维护。单一职责原则就是实现代码高内聚非常有效的设计原则。单一职责原则

松耦合：在代码中，类与类之间的依赖关系简单清晰。即使两个类有依赖关系，一个类的代码改动不会或者很少导致依赖类的代码改动。实际上，我们前面讲的依赖注入、接口隔离、基于接口而非实现编程，以及迪米特法则，都是为了实现代码的松耦合。

迪米特法则理论描述

Law of Demeter，缩写是 LOD。The Least Knowledge Principle最小知识原则。

Each unit should have only limited knowledge about other units: only units “closely” related to the current unit. Or: Each unit should only talk to its friends; Don’t talk to strangers.
每个模块（unit）只应该了解那些与它关系密切的模块（units: only units “closely” related to the current unit）的有限知识（knowledge）。或者说，每个模块只和自己的朋友“说话”（talk），不和陌生人“说话”（talk）。

将模块换成类：①不该有直接依赖关系的类之间，不要有依赖；②有依赖关系的类之间，尽量只依赖必要的接口（也就是定义中的“有限知识”）。

①不该有直接依赖关系的类之间，不要有依赖

这个例子实现了简化版的搜索引擎爬取网页的功能。代码中包含三个主要的类。其中，NetworkTransporter 类负责底层网络通信，根据请求获取数据；HtmlDownloader 类用来通过 URL 获取网页；Document 表示网页文档，后续的网页内容抽取、分词、索引都是以此为处理对象。具体的代码实现如下所示：

public class NetworkTransporter {
    // 省略属性和其他方法...
    public Byte[] send(HtmlRequest htmlRequest) {
      //...
    }
}

public class HtmlDownloader {
  private NetworkTransporter transporter;//通过构造函数或IOC注入
  
  public Html downloadHtml(String url) {
    Byte[] rawHtml = transporter.send(new HtmlRequest(url));
    return new Html(rawHtml);
  }
}

public class Document {
  private Html html;
  private String url;
  
  public Document(String url) {
    this.url = url;
    HtmlDownloader downloader = new HtmlDownloader();
    this.html = downloader.downloadHtml(url);
  }
  //...
}

NetworkTransporter 类，作为一个底层网络通信类，我们希望它的功能尽可能通用，而不只是服务于下载 HTML，所以，我们不应该直接依赖太具体的发送对象 HtmlRequest。NetworkTransporter 类的设计违背迪米特法则，依赖了不该有直接依赖关系的 HtmlRequest 类。

假如你现在要去商店买东西，你肯定不会直接把钱包给收银员，让收银员自己从里面拿钱，而是你从钱包里把钱拿出来交给收银员。这里的 HtmlRequest 对象就相当于钱包，HtmlRequest 里的 address 和 content 对象就相当于钱。我们应该把 address 和 content 交给 NetworkTransporter，而非是直接把 HtmlRequest 交给 NetworkTransporter。根据这个思路，NetworkTransporter 重构之后的代码如下所示：

public class NetworkTransporter {
    // 省略属性和其他方法...
    public Byte[] send(String address, Byte[] data) {
      //...
    }
}

Document 类的问题比较多，主要有三点。第一，构造函数中的 downloader.downloadHtml() 逻辑复杂，耗时长，不应该放到构造函数中，会影响代码的可测试性。第二，HtmlDownloader 对象在构造函数中通过 new 来创建，违反了基于接口而非实现编程的设计思想，也会影响到代码的可测试性。第三，从业务含义上来讲，Document 网页文档没必要依赖 HtmlDownloader 类，违背了迪米特法则。

public class Document {
  private Html html;
  private String url;
  
  public Document(String url, Html html) {
    this.html = html;
    this.url = url;
  }
  //...
}

// 通过一个工厂方法来创建Document
public class DocumentFactory {
  private HtmlDownloader downloader;
  
  public DocumentFactory(HtmlDownloader downloader) {
    this.downloader = downloader;
  }
  
  public Document createDocument(String url) {
    Html html = downloader.downloadHtml(url);
    return new Document(url, html);
  }
}

②有依赖关系的类之间，尽量只依赖必要的接口

Serialization 类负责对象的序列化和反序列化

public class Serialization {
  public String serialize(Object object) {
    String serializedResult = ...;
    //...
    return serializedResult;
  }
  
  public Object deserialize(String str) {
    Object deserializedResult = ...;
    //...
    return deserializedResult;
  }
}

假设在我们的项目中，有些类只用到了序列化操作，而另一些类只用到反序列化操作。这显然违反了迪米特法则，于是拆分为两个更小粒度的类，一个只负责序列化（Serializer 类），一个只负责反序列化（Deserializer 类）。拆后却违背了高内聚的设计思想。高内聚要求相近的功能要放到同一个类中，这样可以方便功能修改的时候，修改的地方不至于过于分散。

怎么两全？通过引入两个接口就能轻松解决这个问题。运用“接口隔离原则”。

public interface Serializable {
  String serialize(Object object);
}

public interface Deserializable {
  Object deserialize(String text);
}

public class Serialization implements Serializable, Deserializable {
  @Override
  public String serialize(Object object) {
    String serializedResult = ...;
    ...
    return serializedResult;
  }
  
  @Override
  public Object deserialize(String str) {
    Object deserializedResult = ...;
    ...
    return deserializedResult;
  }
}

public class DemoClass_1 {
  private Serializable serializer;
  
  public Demo(Serializable serializer) {
    this.serializer = serializer;
  }
  //...
}

public class DemoClass_2 {
  private Deserializable deserializer;
  
  public Demo(Deserializable deserializer) {
    this.deserializer = deserializer;
  }
  //...
}

尽管我们还是要往 DemoClass_1 的构造函数中，传入包含序列化和反序列化的 Serialization 实现类，但是，我们依赖的 Serializable 接口只包含序列化操作，DemoClass_1 无法使用 Serialization 类中的反序列化接口，对反序列化操作无感知，这也就符合了迪米特法则后半部分所说的“依赖有限接口”的要求。

实际上，上面的的代码实现思路，也体现了“基于接口而非实现编程”的设计原则，结合迪米特法则，我们可以总结出一条新的设计原则，那就是“基于最小接口而非最大实现编程”。新的设计模式和设计原则是怎么创造出来的，实际上，就是在大量的实践中，针对开发痛点总结归纳出来的套路。

为了举例子，其实上面只包含两个操作，确实没有太大必要拆分成两个接口。
但是遇到下面这种多函数多功能的时候，很有必要拆开了。

public class Serializer { // 参看JSON的接口定义
  public String serialize(Object object) { //... }
  public String serializeMap(Map map) { //... }
  public String serializeList(List list) { //... }
  
  public Object deserialize(String objectString) { //... }
  public Map deserializeMap(String mapString) { //... }
  public List deserializeList(String listString) { //... }
}

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1.单一职责原则
适用对象:模块，类，接口
侧重点:高内聚，低耦合
思考角度:自身

2.接口隔离原则
适用对象:接口，函数
侧重点:低耦合
思考角度:调用者

3.基于接口而非实现编程
适用对象:接口，抽象类
侧重点:低耦合
思考角度:调用者

4.迪米特法则
适用对象:模块，类
侧重点:低耦合
思考角度:类关系