面向对象设计模式与原则

面向对象设计模式与原则[1]

By  IT  Jack 发表于 2007-10-11 13:29:00  

 

设计模式简介

    每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案的核心。-- Christopher Alexander

 

    设计模式描述了软件设计过程中某一类常见问题的一般性的解决方案。面向对象设计模式描述了面向对象设计过程中、特定场景下、类与相互通信的对象之间常见的组织关系。

 

     设计模式与面向对象

 

    面向对象设计模式解决的是 “ 类与相互通信的对象之间的组织关系，包括它们的角色、职责、协作方式几个方面。

 

    面向对象设计模式是 “ 好的面向对象设计 ” ，所谓 “ 好的面向对象设计 ” 是那些可以满足 “ 应对变化，提高复用 ” 的设计。

 

    面向对象设计模式描述的是软件设计，因此它是独立于编程语言的，但是面向对象设计模式的最终实现仍然要使用面向对象编程语言来表达。

 

    面向对象设计模式不像算法技巧，可以照搬照用，它是建立在对 “ 面向对象 ” 纯熟、深入的理解的基础上的经验性认识。掌握面向对象设计模式的前提是首先掌握 “ 面向对象 ” ！

 

    从编程语言直观了解面向对象

 

    各种面向对象编程语言相互有别，但都能看到它们对面向对象三大机制的支持，即： “ 封装、继承、多态 ”

 

    �C 封装，隐藏内部实现

 

    �C 继承，复用现有代码

 

    �C 多态，改写对象行为

 

    使用面向对象编程语言（如C#），可以推动程序员以面向对象的思维来思考软件设计结构，从而强化面向对象的编程范式。

 

    C#是一门支持面向对象编程的优秀语言，包括：各种级别的封装支持；单实现继承+多接口实现；抽象方法与虚方法重写。

 

    但OOPL并非面向对象的全部

 

    通过面向对象编程语言（OOPL）认识到的面向对象，并不是面向对象的全部，甚至只是浅陋的面向对象。

 

    OOPL的三大机制 “ 封装、继承、多态 ” 可以表达面向对象的所有概念，但这三大机制本身并没有刻画出面向对象的核心精神。换言之，既可以用这三大机制做出 “ 好的面向对象设计 ” ，也可以用这三大机制 做出 “ 差的面向对象设计 ” 。不是使用了面向对象的语言（例如C#），就实现了面向对象的设计与开发！因此我们不能依赖编程语言的面向对象机制，来掌握面向对象。

 

    OOPL没有回答面向对象的根本性问题 ―― 我们为什么要使用面向对象？我们应该怎样使用三大机制来实现 “ 好的面向对象 ” ？ 我们应该遵循什么样的面向对象原则？

 

    任何一个严肃的面向对象程序员（例如C#程序员），都需要系统地学习面向对象的知识，单纯从编程语言上获得的面向对象知识，不能够胜任面向对象设计与开发。

 

 面向对象设计模式与原则[2]

By  IT  Jack 发表于 2007-10-11 13:32:00  

 

  从一个示例谈起

    示例场景：

 

    我们需要设计一个人事管理系统，其中的一个功能是对各种不同类型的员工，计算其当月的工资 ―― 不同类型的员工，拥有不同的薪金计算制度。

 

    结构化做法

 

    1.获得人事系统中所有可能的员工类型

 

    2.根据不同的员工类型所对应的不同的薪金制度，计算其工资

enumEmployeeType

{

Engineer;

Sales;

Manager;

…

}

// 计算工资程序

if ( type == EmployeeType.Engineer)

{

……

}

else if (type == Employeetype.Sales)

{

……

}

 

    面向对象设计

 

    1.根据不同的员工类型设计不同的类，并使这些类继承自一个Employee抽象类，其中有一个抽象方法GetSalary。

 

    2.在各个不同的员工类中，根据自己的薪金制度，重写（override）GetSalary方法。

 

abstract class Employee

{

…

public abstract int GetSalary();

}

class Engineer: Employee

{

…

public override int GetSalary()

{

…

}

}

class Sales: Employee

{

…

public override int GetSalary()

{

…

}

}

// 显示工资程序

Employee e = emFactory.GetEmployee(id);

MessageBox.Show( e.GetSalary());

 

    示例场景：

 

    现在需求改变了……随着客户公司业务规模的拓展，又出现了更多类型的员工，比如钟点工、计件工……等等，这对人事管理系统提出了挑战 ―― 原有的程序必须改变。

 

面向对象设计模式与原则[3]

By  IT  Jack 发表于 2007-10-11 13:33:00  

 

 结构化做法

    几乎所有涉及到员工类型的地方（当然包括 “ 计算工资程序 ” ）都需要做改变……这些代码都需要重新编译，重新部署…….

 

 

    面向对象做法

 

    只需要在新的文件里增添新的员工类，让其继承自Employee抽象类，并重写GetSalary()方法，然后在 EmployeeFactory.GetEmployee方法中根据相关条件，产生新的员工类型就可以了。其他地方（显示工资程序、Engineer类、 Sales类等）则不需要做任何改变。

 

    重新认识面向对象

 

    对于前面的例子，从宏观层面来看，面向对象的构建方式更能适应软件的变化，能将变化所带来的影响减为最小。

 

    从微观层面来看，面向对象的方式更强调各个类的 “ 责任 ” ，新增员工类型不会影响原来员工类型的实现代码 ―― 这更符合真实的世界，也更能控制变化所影响的范围，毕竟Engineer类不应该为新增的 “ 钟点工 ” 来买单……

 

    对象是什么？

 

    �C 从概念层面讲，对象是某种拥有责任的抽象。

 

    �C 从规格层面讲，对象是一系列可以被其他对象使用的公共接口。

 

    �C 从语言实现层面来看，对象封装了代码和数据。

 

    有了这些认识之后，怎样才能设计 “ 好的面向对象 ” ？

 

    �C 遵循一定的面向对象设计原则

 

    �C 熟悉一些典型的面向对象设计模式

 

    从设计原则到设计模式

 

    针对接口编程，而不是针对实现编程

 

    �C 客户无需知道所使用对象的特定类型，只需要知道对象拥有客户所期望的接口。

 

    优先使用对象组合，而不是类继承

 

    �C 类继承通常为 “ 白箱复用 ” ，对象组合通常为 “ 黑箱复用 ” 。继承在某种程度上破坏了封装性，子类父类耦合度高；而对象组合则只要求被组合的对象具有良好定义的接口，耦合度低。

 

    封装变化点

 

    �C 使用封装来创建对象之间的分界层，让设计者可以在分界层的一侧进行修改，而不会对另一侧产生不良的影响，从而实现层次间的松耦合。

 

    使用重构得到模式 ―― 设计模式的应用不宜先入为主，一上来就使用设计模式是对设计模式的最大误用。没有一步到位的设计模式。敏捷软件开发实践提倡的 “ Refactoring to Patterns ” 是目前普遍公认的最好的使用设计模式的方法。

 

    几条更具体的设计原则

 

    单一职责原则（SRP）：

 

    �C 一个类应该仅有一个引起它变化的原因。

 

    开放封闭原则（OCP）：

 

    �C 类模块应该是可扩展的，但是不可修改（对扩展开放，对更改封闭）

 

    Liskov 替换原则（LSP）:

    �C 子类必须能够替换它们的基类

 

    �C 依赖倒置原则（DIP）：

 

    �C 高层模块不应该依赖于低层模块，二者都应该依赖于抽象。

 

    �C 抽象不应该依赖于实现细节，实现细节应该依赖于抽象。

 

    接口隔离原则（ISP）：

 

    �C 不应该强迫客户程序依赖于它们不用的方法。

 

 面向对象设计模式与原则[4]

By  IT  Jack 发表于 2007-10-11 13:34:00  

 

 总结

    设计模式描述了软件设计过程中某一类常见问题的一般性的解决方案。面向对象设计模式描述了面向对象设计过程中、特定场景下、类与相互通信的对象之间常见的组织关系。

 

 

    深刻理解面向对象是学好设计模式的基础，掌握一定的面向对象设计原则才能把握面向对象设计模式的精髓，从而实现灵活运用设计模

式。

 

    三大基本面向对象设计原则

 

    �C 针对接口编程，而不是针对实现编程

 

    �C 优先使用对象组合，而不是类继承

 

    �C 封装变化点

 

    使用重构得到模式。敏捷软件开发实践提倡的 “ Refactoring to Patterns ” 是目前普遍公认的最好的使用设计模式的方法。

 

    附:面向对象设计原则

 

    面向对象设计的基石是 “ 开 ― 闭 ” 原则。

 

    “ 开一闭 ” 原则讲的是：一个软件实体应当对扩展开放，对修改关闭。

 

    这个规则说的是，在设计一个模块的时候，应当使这个模块可以在不被修改的前提下被扩展。

 

    从另外一个角度讲，就是所谓的 “ 对可变性封装原则 ” 。 “ 对可变性封装原则 ” 意味着两点：

 

    1 .一种可变性不应当散落在代码的很多角落里，而应当被封装到一个对象里面。同一种可变性的不同表象意味着同一个继承等级结构中的具体子类。

 

    2.一种可变性不应当与另一种可变性混合在一起。即类图的继承结构一般不应超过两层。

 

    做到 “ 开 ― 闭 ” 原则不是一件容易的事，但是也有很多规律可循，这些规律同样也是设计原则，它们是实现开 ― 闭原则的工具。

 

    里氏代换原则

 

    里氏代换原则：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都换成o2时，程序P的行为没有变化，那么类型T2是T1的子类型。

 

    即如果一个软件实体使用的是基类的话那么也一定适用于子类。但反过来的代换不成立。

 

    如果有两个具体类A和B之间的关系违反了里氏代换原则，可以在以下两种重构方案中选择一种：

 

    1 创建一个新的抽象类C,作为两个具体类的超类，将A和B共同的行为移动到C中，从而解决A和B行为不完全一致的问题。

 

    2 从B到A的继承关系改写为委派关系。

 

    依赖倒转原则

 

    依赖倒转原则讲的是：要依赖于抽象，不要依赖于具体。即针对接口编程，不要针对实现编程。针对接口编程的意思是，应当使用接口和抽象类进行变量的类型声明、参量的类型声明，方法的返还类型声明，以及数据类型的转换等。不要针对实现编程的意思就是说，不应当使用具体类进行变量的类型声明、参量的类型声明，方法 的返还类型声明，以及数据类型的转换等。

 

    依赖倒转原则虽然强大，但却不易实现，因为依赖倒转的缘故，对象的创建很可能要使用对象工厂，以避免对具体类的直接引用，此原则的使用还会导致大量的类。维护这样的系统需要较好的面向对象的设计知识。

 

    此外，依赖倒转原则假定所有的具体类都是变化的，这也不总是正确的。有一些具体类可能是相当稳定、不会发生变化的，消费这个具体类实例的客户端完全可以依赖于这个具体类。

 面向对象设计模式与原则[5]

By  IT  Jack 发表于 2007-10-11 13:35:00  

 

  接口隔离原则

    接口隔离原则讲的是：使用多个专门的接口比使用单一的接口要好。从客户的角度来说：一个类对另外一个类的依赖性应当是建立在最小的接口上的。如果客户端只需要某一些方法的话，那么就应当向客户端提供这些需要的方法，而不要提供不需要的方法。提供接口意味着向客户端作出承诺，过多的承诺会给系统的维护造成不必 要的负担。

 

    合成、聚合复用原则

 

    合成、聚合复用原则就是在一个新的对象里面使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部份，新的对象通过向这些对象的委派达到复用已有功能的目的。这个原则有一个简短的描述：要尽量使用合成、聚合，尽量不要使用继承。

 

    合成、聚合有如下好处：

 

    新对象存取成分对象的唯一方法是通过成分对象的接口。

 

    这种复用是黑箱复用，因为成分对象的内部细节是新对象所看不到的。

 

    这种复用可以在运行时间内动态进行，新对象可以动态的引用与成分对象类型相同的对象。

 

    合成、聚合可以应用到任何环境中去，而继承只能应用到一些有限环境中去。

 

    导致错误的使用合成、聚合与继承的一个常见原因是错误的把 “ Has-a ” 关系当作 “ Is-a ” 关系。如果两个类是 “ Has-a ” 关系那么应使用合成、聚合，如果是 “ Is-a ” 关系那么可使用继承。

 

    迪米特法则

 

    迪米特法则说的是一个对象应该对其它对象有尽可能少的了解。即只与你直接的朋友通信，不要跟陌生人说话。如果需要和陌生人通话，而你的朋友与陌生人是朋友，那么可以将你对陌生人的调用由你的朋友转发，使得某人只知道朋友，不知道陌生人。换言之，某人会认为他所调用的是朋友的方法。

 

    以下条件称为朋友的条件：

 

    当前对象本身。

 

    以参量的形式传入到当前对象方法中的对象。

 

    当前对象的实例变量直接引用的对象。

 

    当前对象的实例变量如果是一个聚集，那么聚集中的元素也都是朋友。

 

    当前对象所创建的对象。

 

    任何一个对象，如果满足上面的条件之一，就是当前对象的朋友，否则就是陌生人。

 

    迪米特法则的主要用意是控制信息的过载，在将其运用到系统设计中应注意以下几点：

 

    在类的划分上，应当创建有弱耦合的类。类之间的耦合越弱，就越有利于复用。

 

    在类的结构设计上，每一个类都应当尽量降低成员的访问权限。一个类不应当public自己的属性，而应当提供取值和赋值的方法让外界间接访问自己的属性。

 

    在类的设计上，只要有可能，一个类应当设计成不变类。

 

    在对其它对象的引用上，一个类对其它对象的引用应该降到最低。