設計模式六原則

前言

我相信很多開發人員或多或少都聽過或使用過設計模式，但不知道有多少人會思考過遵循這些設計模式的目的是什么？或者說遵循這些設計模式能為軟件開發帶來什么好處？即便知道遵循設計模式是「好」，但是這個「好」該如何衡量？這篇關于設計模式之原則的文章希望能幫助有類似疑惑的同學厘清思路，找到答案

1. 單一職責原則

不要存在多于一個導致類變更的原因。通俗的說，即一個類只負責一項職責

  • 問題由來
    類T負責兩個不同的職責：職責P1，職責P2。當由于職責P1需求發生改變而需要修改類T時，有可能會導致原本運行正常的職責P2功能發生故障

  • 解決方案
    遵循單一職責原則。分別建立兩個類T1、T2，使T1完成職責P1功能，T2完成職責P2功能。這樣，當修改類T1時，不會使職責P2發生故障風險；同理，當修改T2時，也不會使職責P1發生故障風險

2. 里氏替換原則

里氏替換原則通俗的來講就是：子類可以擴展父類的功能，但不能改變父類原有的功能。它包含以下4層含義：

  1. 子類可以實現父類的抽象方法，但不能覆蓋父類的非抽象方法。
  2. 子類中可以增加自己特有的方法。
  3. 當子類的方法重載父類的方法時，方法的前置條件（即方法的形參）要比父類方法的輸入參數更寬松。
  4. 當子類的方法實現父類的抽象方法時，方法的后置條件（即方法的返回值）要比父類更嚴格。

另外肯定有不少人跟我剛看到這項原則的時候一樣，對這個原則的名字充滿疑惑。其實原因就是這項原則最早是在1988年，由麻省理工學院的一位姓里的女士（Barbara Liskov）提出來的

  • 問題由來
    有一功能P1，由類A完成。現需要將功能P1進行擴展，擴展后的功能為P，其中P由原有功能P1與新功能P2組成。新功能P由類A的子類B來完成，則子類B在完成新功能P2的同時，有可能會導致原有功能P1發生故障

  • 解決方案
    當使用繼承時，遵循里氏替換原則。類B繼承類A時，除添加新的方法完成新增功能P2外，盡量不要重寫父類A的方法，也盡量不要重載父類A的方法

3. 依賴倒置原則

高層模塊不應該依賴低層模塊，二者都應該依賴其抽象；抽象不應該依賴細節；細節應該依賴抽象

  • 問題由來
    類A直接依賴類B，假如要將類A改為依賴類C，則必須通過修改類A的代碼來達成。這種場景下，類A一般是高層模塊，負責復雜的業務邏輯；類B和類C是低層模塊，負責基本的原子操作；假如修改類A，會給程序帶來不必要的風險
  • 解決方案
    將類A修改為依賴接口I，類B和類C各自實現接口I，類A通過接口I間接與類B或者類C發生聯系，則會大大降低修改類A的幾率

4. 接口隔離原則

客戶端不應該依賴它不需要的接口；一個類對另一個類的依賴應該建立在最小的接口上

  • 問題由來
    類A通過接口I依賴類B，類C通過接口I依賴類D，如果接口I對于類A和類B來說不是最小接口，則類B和類D必須去實現他們不需要的方法
  • 解決方案
    將臃腫的接口I拆分為獨立的幾個接口，類A和類C分別與他們需要的接口建立依賴關系。也就是采用接口隔離原則

有點不好理解，先來看段代碼

interface I {  
    public void method1();  
    public void method2();  
    public void method3();  
    public void method4();  
    public void method5();  
}  
  
class A{  
    public void depend1(I i){  
        i.method1();  
    }  
    public void depend2(I i){  
        i.method2();  
    }  
    public void depend3(I i){  
        i.method3();  
    }  
}  
  
class B implements I{  
    public void method1() {  
        System.out.println("類B實現接口I的方法1");  
    }  
    public void method2() {  
        System.out.println("類B實現接口I的方法2");  
    }  
    public void method3() {  
        System.out.println("類B實現接口I的方法3");  
    }  
    //對于類B來說，method4和method5不是必需的，但是由于接口A中有這兩個方法，  
    //所以在實現過程中即使這兩個方法的方法體為空，也要將這兩個沒有作用的方法進行實現。  
    public void method4() {}  
    public void method5() {}  
}  
  
class C{  
    public void depend1(I i){  
        i.method1();  
    }  
    public void depend2(I i){  
        i.method4();  
    }  
    public void depend3(I i){  
        i.method5();  
    }  
}  
  
class D implements I{  
    public void method1() {  
        System.out.println("類D實現接口I的方法1");  
    }  
    //對于類D來說，method2和method3不是必需的，但是由于接口A中有這兩個方法，  
    //所以在實現過程中即使這兩個方法的方法體為空，也要將這兩個沒有作用的方法進行實現。  
    public void method2() {}  
    public void method3() {}  
  
    public void method4() {  
        System.out.println("類D實現接口I的方法4");  
    }  
    public void method5() {  
        System.out.println("類D實現接口I的方法5");  
    }  
}  
  
public class Client{  
    public static void main(String[] args){  
        A a = new A();  
        a.depend1(new B());  
        a.depend2(new B());  
        a.depend3(new B());  
          
        C c = new C();  
        c.depend1(new D());  
        c.depend2(new D());  
        c.depend3(new D());  
    }  
}

可以看到，如果接口過于臃腫，只要接口中出現的方法，不管對依賴于它的類有沒有用處，實現類中都必須去實現這些方法，這顯然不是好的設計。如果將這個設計修改為符合接口隔離原則，就必須對接口I進行拆分

interface I1 {  
    public void method1();  
}  
  
interface I2 {  
    public void method2();  
    public void method3();  
}  
  
interface I3 {  
    public void method4();  
    public void method5();  
}  
  
class A{  
    public void depend1(I1 i){  
        i.method1();  
    }  
    public void depend2(I2 i){  
        i.method2();  
    }  
    public void depend3(I2 i){  
        i.method3();  
    }  
}  
  
class B implements I1, I2{  
    public void method1() {  
        System.out.println("類B實現接口I1的方法1");  
    }  
    public void method2() {  
        System.out.println("類B實現接口I2的方法2");  
    }  
    public void method3() {  
        System.out.println("類B實現接口I2的方法3");  
    }  
}  
  
class C{  
    public void depend1(I1 i){  
        i.method1();  
    }  
    public void depend2(I3 i){  
        i.method4();  
    }  
    public void depend3(I3 i){  
        i.method5();  
    }  
}  
  
class D implements I1, I3{  
    public void method1() {  
        System.out.println("類D實現接口I1的方法1");  
    }  
    public void method4() {  
        System.out.println("類D實現接口I3的方法4");  
    }  
    public void method5() {  
        System.out.println("類D實現接口I3的方法5");  
    }  
}

接口隔離原則的含義是：建立單一接口，不要建立龐大臃腫的接口，盡量細化接口，接口中的方法盡量少。也就是說，我們要為各個類建立專用的接口，而不要試圖去建立一個很龐大的接口供所有依賴它的類去調用。本文例子中，將一個龐大的接口變更為3個專用的接口所采用的就是接口隔離原則。在程序設計中，依賴幾個專用的接口要比依賴一個綜合的接口更靈活。接口是設計時對外部設定的「契約」，通過分散定義多個接口，可以預防外來變更的擴散，提高系統的靈活性和可維護性

5. 迪米特法則

一個對象應該對其他對象保持最少的了解

迪米特法則又叫最少知道原則，最早是在1987年由美國Northeastern University的Ian Holland提出。通俗的來講，就是一個類對自己依賴的類知道的越少越好。也就是說，對于被依賴的類來說，無論邏輯多么復雜，都盡量地的將邏輯封裝在類的內部，對外除了提供的public方法，不對外泄漏任何信息。迪米特法則還有一個更簡單的定義：只與直接的朋友通信。首先來解釋一下什么是直接的朋友：每個對象都會與其他對象有耦合關系，只要兩個對象之間有耦合關系，我們就說這兩個對象之間是朋友關系。耦合的方式很多，依賴、關聯、組合、聚合等。其中，我們稱出現成員變量、方法參數、方法返回值中的類為直接的朋友，而出現在局部變量中的類則不是直接的朋友。也就是說，陌生的類最好不要作為局部變量的形式出現在類的內部

  • 問題由來
    類與類之間的關系越密切，耦合度越大，當一個類發生改變時，對另一個類的影響也越大
  • 解決方案
    盡量降低類與類之間的耦合

舉一個例子：有一個集團公司，下屬單位有分公司和直屬部門，現在要求打印出所有下屬單位的員工ID。先來看一下違反迪米特法則的設計

//總公司員工  
class Employee{  
    private String id;  
    public void setId(String id){  
        this.id = id;  
    }  
    public String getId(){  
        return id;  
    }  
}  
  
//分公司員工  
class SubEmployee{  
    private String id;  
    public void setId(String id){  
        this.id = id;  
    }  
    public String getId(){  
        return id;  
    }  
}  
  
class SubCompanyManager{  
    public List<SubEmployee> getAllEmployee(){  
        List<SubEmployee> list = new ArrayList<SubEmployee>();  
        for(int i=0; i<100; i++){  
            SubEmployee emp = new SubEmployee();  
            //為分公司人員按順序分配一個ID  
            emp.setId("分公司"+i);  
            list.add(emp);  
        }  
        return list;  
    }  
}  
  
class CompanyManager{  
  
    public List<Employee> getAllEmployee(){  
        List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();  
        for(int i=0; i<30; i++){  
            Employee emp = new Employee();  
            //為總公司人員按順序分配一個ID  
            emp.setId("總公司"+i);  
            list.add(emp);  
        }  
        return list;  
    }  
      
    public void printAllEmployee(SubCompanyManager sub){  
        List<SubEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();  
        for(SubEmployee e:list1){  
            System.out.println(e.getId());  
        }  
  
        List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();  
        for(Employee e:list2){  
            System.out.println(e.getId());  
        }  
    }  
}  
  
public class Client{  
    public static void main(String[] args){  
        CompanyManager e = new CompanyManager();  
        e.printAllEmployee(new SubCompanyManager());  
    }  
}

現在這個設計的主要問題出在CompanyManager中，根據迪米特法則，只與直接的朋友發生通信，而SubEmployee類并不是CompanyManager類的直接朋友（以局部變量出現的耦合不屬于直接朋友），從邏輯上講總公司只與他的分公司耦合就行了，與分公司的員工并沒有任何聯系，這樣設計顯然是增加了不必要的耦合。按照迪米特法則，應該避免類中出現這樣非直接朋友關系的耦合。修改后的代碼如下:

class SubCompanyManager{  
    public List<SubEmployee> getAllEmployee(){  
        List<SubEmployee> list = new ArrayList<SubEmployee>();  
        for(int i=0; i<100; i++){  
            SubEmployee emp = new SubEmployee();  
            //為分公司人員按順序分配一個ID  
            emp.setId("分公司"+i);  
            list.add(emp);  
        }  
        return list;  
    }  
    public void printEmployee(){  
        List<SubEmployee> list = this.getAllEmployee();  
        for(SubEmployee e:list){  
            System.out.println(e.getId());  
        }  
    }  
}  
  
class CompanyManager{  
    public List<Employee> getAllEmployee(){  
        List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();  
        for(int i=0; i<30; i++){  
            Employee emp = new Employee();  
            //為總公司人員按順序分配一個ID  
            emp.setId("總公司"+i);  
            list.add(emp);  
        }  
        return list;  
    }  
      
    public void printAllEmployee(SubCompanyManager sub){  
        sub.printEmployee();  
        List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();  
        for(Employee e:list2){  
            System.out.println(e.getId());  
        }  
    }  
}

修改后，為分公司增加了打印人員ID的方法，總公司直接調用來打印，從而避免了與分公司的員工發生耦合。

迪米特法則的初衷是降低類之間的耦合，由于每個類都減少了不必要的依賴，因此的確可以降低耦合關系。但是凡事都有度，雖然可以避免與非直接的類通信，但是要通信，必然會通過一個“中介”來發生聯系，例如本例中，總公司就是通過分公司這個“中介”來與分公司的員工發生聯系的。過分的使用迪米特原則，會產生大量這樣的中介和傳遞類，導致系統復雜度變大。所以在采用迪米特法則時要反復權衡，既做到結構清晰，又要高內聚低耦合

6. 開閉原則

一個軟件實體如類、模塊和函數應該對擴展開放，對修改關閉

  • 問題由來
    在軟件的生命周期內，因為變化、升級和維護等原因需要對軟件原有代碼進行修改時，可能會給舊代碼中引入錯誤，也可能會使我們不得不對整個功能進行重構，并且需要原有代碼經過重新測試
  • 解決方案
    當軟件需要變化時，盡量通過擴展軟件實體的行為來實現變化，而不是通過修改已有的代碼來實現變化

開閉原則是面向對象設計中最基礎的設計原則，它指導我們如何建立穩定靈活的系統。開閉原則可能是設計模式六項原則中定義最模糊的一個了，它只告訴我們對擴展開放，對修改關閉，可是到底如何才能做到對擴展開放，對修改關閉，并沒有明確的告訴我們。以前，如果有人告訴我「你進行設計的時候一定要遵守開閉原則」，我會覺的他什么都沒說，但貌似又什么都說了。因為開閉原則真的太虛了

在仔細思考以及仔細閱讀很多設計模式的文章后，終于對開閉原則有了一點認識。其實，我們遵循設計模式前面5大原則，以及使用23種設計模式的目的就是遵循開閉原則。也就是說，只要我們對前面5項原則遵守的好了，設計出的軟件自然是符合開閉原則的，這個開閉原則更像是前面五項原則遵守后的自然結果，前面5項原則遵守的好，說明軟件設計開閉原則遵守的好；如果前面5項原則遵守的不好，則說明開閉原則遵守的不好

開閉原則從另外一個角度也可以理解為：用抽象構建框架，用實現擴展細節。因為抽象靈活性好，適應性廣，只要抽象的合理，可以基本保持軟件架構的穩定。而軟件中易變的細節，我們用從抽象派生的實現類來進行擴展，當軟件需要發生變化時，我們只需要根據需求重新派生一個實現類來擴展就可以了。當然前提是我們的抽象要合理，要對需求的變更有前瞻性和預見性才行

說到這里，再回想一下前面說的5項原則，恰恰是告訴我們用抽象構建框架，用實現擴展細節的注意事項而已：單一職責原則告訴我們實現類要職責單一；里氏替換原則告訴我們不要破壞繼承體系；依賴倒置原則告訴我們要面向接口編程；接口隔離原則告訴我們在設計接口的時候要精簡單一；迪米特法則告訴我們要降低耦合。而開閉原則是總綱，他告訴我們要對擴展開放，對修改關閉

最后說明一下如何去遵守這六個原則。對這六個原則的遵守并不是是和否的問題，而是多和少的問題，也就是說，我們一般不會說有沒有遵守，而是說遵守程度的多少。任何事都是過猶不及，設計模式的六個設計原則也是一樣，制定這六個原則的目的并不是要我們刻板的遵守他們，而需要根據實際情況靈活運用。對他們的遵守程度只要在一個合理的范圍內，就算是良好的設計

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