面向对象设计原则和创建SOLID应用的5个方法

最近我听到了很多关于函数式编程(FP)，受之启发我觉得也应该关注面向对象编程(OOP)和面向对象设计(OOD)，因为在设计系统时这些仍然非常重要。

我们将以SOLID原则为起点开始我们的旅程。SOLID原则是类级别的，面向对象的设计理念，它们与测试工具一起帮你改进腐坏的代码。SOLID由程序员们最喜欢的大叔 Robert C. Martin(Bob大叔)提出，它其实是五个其他缩略词的组合——SRP， OCP， LSP， ISP， DIP，我会在下面有更深入的介绍。最重要的是，SOLID原则使你的软件变得更有价值。

呃，这个代码有坏味道…

代码腐坏

1.当应用程序代码大量腐坏，开发人员会发现代码越来越难以维护、臃肿。那么如何识别将来的代码腐坏？这些迹象可能表明将要代码腐坏：

• 僵化——小的变化导致整个系统重建。

• 脆弱——一个模块的变化导致其他不相关模块不正常运行。想象一个汽车系统，改变电台的功能会影响到窗户的使用。

• 固定——一个模块的内部组件不能被抽取并且在新环境重用。比如一个应用程序的登录模块不能在完全不同的系统中使用，那么这个模块是固定的，这是由于各模块之间的耦合和依赖造成的。改进的策略是从低层次的细节，比如特定的数据库，UI实现(Web，桌面)，特殊框架等解耦核心抽象。

• 粘性——代码构建和测试很难执行，并且要花费很长时间运行，甚至小的变化有很高的成本，并且要求在多个位置/层次修改。

用户期望从他们所用的软件之外得到一些价值。一个应用程序的价值在于它能否帮助用户将一些事情做得更好，增加生产力或者时间或金钱，在“浪费”上有所节省。人们通常付出金钱来换取价值高的软件。

但是用户从伟大的软件得到了次要价值。我想要谈谈这个价值，因为这也是人们在谈论软件价值时最先想到的：功能。

如果软件完成了用户需求的同时没有崩溃和延迟，那么这个软件的次要价值就高。软件满足了用户的当前需求，用户就获得了次要价值。但是，用户需求经常变化，软件提供的功能和用户需求很容易不同步，这导致了价值降低。为了保持次要价值高，软件必须能够跟上用户不断变化的需求。所以在这里我们来谈谈软件的首要价值，它必须能够容忍和有助于正在进行的变化。

试想一下，你的软件目前可以满足用户的需求，但是实在是很难改变，改变成本很高。那么，由于应用程序的不灵活性以及其盈利能力可能降低，用户会不高兴。

现在试想其他的软件开始时次要价值低，但是它可以容易且廉价地改变。盈利能力持续上升，用户也越来越高兴。

那么什么是SOLID原则？

单一职责原则(SRP)

单一职责原则(Single Responsibility Principle，SRP）指出，一个类发生变化的原因不应该超过一个。这意味着代码中每个类，或者类似的结构只有一个功能。

在类中的一切都与该单一目的有关，即内聚性。这并不是说类只应该含有一个方法或属性。

类中可以包括很多成员，只要它们与单一的职责有关。当类改变的一个原因出现时，类的多个成员可能多需要修改。也可能多个类将需要更新。

下面的代码有多少职责？

class Employee {
  public Pay calculatePay() {...}
  public void save() {...}
  public String describeEmployee() {...}
}  

正确答案是3个。

在一个类中混合了1)支付的计算逻辑，2)数据库逻辑，3)描述逻辑。如果你将多个职责结合在一个类中，可能很难实现修改一部分时不会破坏其他部分。混合职责也使这个类难以理解，测试，降低了内聚性。修改它的最简单方法是将这个类分割为三个不同的相互分离的类，每个类仅仅有一个职责：数据库访问，支付计算和描述。

开闭原则(OCP)

开闭原则(Open-Closed Principle，OCP)指出：类应该对扩展开放但对修改关闭。“对扩展开放”指的是设计类时要考虑到新需求提出时类可以增加新的功能。“对修改关闭”指的是一旦一个类开发完成，除了改正bug就不再修改它。

这个原则的两个部分似乎是对立的。但是，如果正确地设计类和他们的依赖关系，就可以增加功能而不修改已有的源代码。

通常来说可以通过依赖关系的抽象实现开闭原则，比如接口或抽象类而不是具体类。通过创建新的类实现接口来增加功能。

在项目中应用OCP原则可以限制代码的更改，一旦代码完成，测试和调试之后就很少再去更改。这减少了给现有代码引入新bug的风险，增强软件的灵活性。

为依赖关系使用接口的另一个作用是减少耦合和增加灵活性。

void checkOut(Receipt receipt) {
  Money total = Money.zero;
  for (item : items) {
    total += item.getPrice();
    receipt.addItem(item);
  }
  Payment p = acceptCash(total);
  receipt.addPayment(p);
}

那么增加信用卡支持该怎么做？你 可能像下面的增加 if语句，但这违反OCP原则。

Payment p;
if (credit)
  p = acceptCredit(total);
else
  p = acceptCash(total);
receipt.addPayment(p);

更好的解决方案是：

public interface PaymentMethod {void acceptPayment(Money total);}
 
void checkOut(Receipt receipt, PaymentMethod pm) {
  Money total = Money.zero;
  for (item : items) {
    total += item.getPrice();
    receipt.addItem(item);
  }
  Payment p = pm.acceptPayment(total);
  receipt.addPayment(p);
}

这儿有一个小秘密：OCP仅仅用于即将到来的变化可预见的情况，那么只有类似的变化已经发生时应用它。所以，首先做最简单的事情，然后判断会有什么变化，就能更加准确地预见将来的变化。

这意味着等待用户做出改变，然后使用抽象应对将来的类似变化。

里氏替换原则(LSP)

里氏替换原则(Liskov Substitution Principle,LSP)适用于继承层次结构，指出设计类时客户端依赖的父类可以被子类替代，而客户端无须了解这个变化。

因此，所有的子类必须按照和他们父类相同方式操作。子类的特定功能可能不同，但是必须符合父类的预期行为。要成为真正的行为子类型，子类必须不仅要实现父类的方法和属性，也要符合其隐含行为。

一般来说，如果父类型的一个子类型做了一些父类型的客户没有预期的事情，那这就违反LSP。比如一个派生类抛出了父类没有抛出的异常，或者派生类有些不能预期的副作用。基本上派生类永远不应该比父类做更少的事情。

一个违反LSP的典型例子是Square类派生于Rectangle类。Square类总是假定宽度与高度相等。如果一个正方形对象用于期望一个长方形的上下文中，可能会出现意外行为，因为一个正方形的宽高不能(或者说不应该)被独立修改。

解决这个问题并不容易：如果修改Square类的setter方法，使它们保持正方形不变(即保持宽高相等)，那么这些方法将弱化(违反)Rectangle类setter方法，在长方形中宽高可以单独修改。

public class Rectangle {
  private double height;
  private double width;
 
  public double area();
 
  public void setHeight(double height);
  public void setWidth(double width);
}

以上代码违反了LSP。

public class Square extends Rectangle {  
  public void setHeight(double height) {
    super.setHeight(height);
    super.setWidth(height);
  }
 
  public void setWidth(double width) {
    setHeight(width);
  }
}

违反LSP导致不明确的行为。不明确的行为意味着它在开发过程中运行良好但在产品中出现问题，或者要花费几个星期调试每天只出现一次的bug，或者不得不查阅数百兆日志找出什么地方发生错误。

接口隔离原则(ISP)

接口隔离原则(Interface Segregation Principle)指出客户不应该被强迫依赖于他们不使用的接口。当我们使用非内聚的接口时，ISP指导我们创建多个较小的内聚度高的接口。

当你应用ISP时，类和他们的依赖使用紧密集中的接口通信，最大限度地减少了对未使用成员的依赖，并相应地降低耦合度。小接口更容易实现，提升了灵活性和重用的可能性。由于很少的类共享这些接口，为响应接口的变化而需要变化的类数量降低，增加了鲁棒性。

基本上，这里的教训是“不要依赖你不需要的东西”。下面是例子：

想象一个ATM取款机，通过一个屏幕显示我们想要的不同信息。你会如何解决显示不同信息的问题？我们使用SRP,OCP和LSP想出一个方案，但是这个系统仍然很难维护。这是为什么？

想象ATM的所有者想要添加仅在取款功能出现的一条信息，“ATM机将在您取款时收取一些费用，您同意吗”。你会如何解决？

可能你会给Messenger接口增加一个方法并使用这个方法完成。但是这会导致重新编译这个接口的所有使用者，几乎所有的系统需要重新部署，这直接违反了OCP。让代码腐坏开始了！

这里出现了这样的情形：对于取款功能的改变导致其他全部非相关功能也变化，我们现在知道这并不是我们想要的。这是怎么回事？

其实，这里是向后依赖在作怪，使用了该Messenger接口每个功能依赖了它不需要，但是被其他功能需要的方法，这正是我们想要避免的。

public interface Messenger {
  askForCard();
  tellInvalidCard();
  askForPin();
  tellInvalidPin();
  tellCardWasSiezed();
  askForAccount();
  tellNotEnoughMoneyInAccount();
  tellAmountDeposited();
  tellBalance();
}

相反，将Messenger接口分割，不同的ATM功能依赖于分离的Messenger。

public interface LoginMessenger {
  askForCard();
  tellInvalidCard();
  askForPin();
  tellInvalidPin(); 
}
 
public interface WithdrawalMessenger {
  tellNotEnoughMoneyInAccount();
  askForFeeConfirmation();
}
 
publc class EnglishMessenger implements LoginMessenger, WithdrawalMessenger {
  ...   
}

依赖反转原则(DIP)

依赖反转原则(Dependency Inversion Principle,DIP)指出高层次模块不应该依赖于低层次模块；他们应该依赖于抽象。第二，抽象不应该依赖于细节；细节依赖于抽象。方法是将类孤立在依赖于抽象形成的边界后面。如果在那些抽象后面所有的细节发生变化，那我们的类仍然安全。这有助于保持低耦合，使设计更容易改变。DIP也允许我们做单独测试，比如作为系统插件的数据库等细节。

例子：一个程序依赖于Reader和Writer接口，Keyboard和Printer作为依赖于这些抽象的细节实现了这些接口。CharCopier是依赖于Reader和Writer实现类的低层细节，可以传入任何实现了Reader和Writer接口的设备正确地工作。

public interface Reader { char getchar(); }
public interface Writer { void putchar(char c)}
 
class CharCopier {
 
  void copy(Reader reader, Writer writer) {
    int c;
    while ((c = reader.getchar()) != EOF) {
      writer.putchar();
    }
  }
}
 
public Keyboard implements Reader {...}
public Printer implements Writer {...}

最后的问题——使用SOLID

我想SOLID原则是你的工具箱里很有价值的工具。在设计下一个功能或者应用时他们就应该在你的脑海中。正如Bob大叔在他那不朽的帖子中总结的：

SRP	单一职责原则	一个类有且只有一个更改的原因。
OCP	开闭原则	能够不更改类而扩展类的行为。
LSP	里氏替换原则	派生类可以被他们的父类所替换。
ISP	接口隔离原则	使用客户端特定的细粒度接口。
DIP	依赖反转原则	依赖抽象而不是具体实现。

而且，将这些原则应用在项目中。

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