面向对象分析与设计的底层逻辑

2022 年 9 月 06 日
浙江
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作者： 不拔

面向对象是符合人认识事物的基本方法

人是怎么认识事物的

在面向对象出现之前，已有面向过程的分析方法，为什么面向对象被提出了呢？究其本质原因，人们发现面向过程并不是按照人正常认识事物的方式去分析软件，那么人究竟是怎么认识事物的呢，Yourdon 在《面向对象的分析》一书中提到，人类认识事物是遵循分类学的原理，分类学主要包含三点：区分对象及其属性；区分整体对象及其组成部分；不同对象类的形成及区分。

我们现在可以回想下我们认识事物的过程，是不是和分类学所提到的 3 个要点很相似，看到一个事物，大概会感知到它的组成结构是怎样的，形状是怎样的，属于什么分类。所以，人认识事物是以对象的视角切入的，然后赋于对象具体的概念，比如苹果、梨子、汽车等等概念名称。

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分类与分层的两种思维

我们面对的现实世界是非常复杂的，应对复杂事物的有一个重要的方法即是抽象，抽象在实际应用过程中，又体现在两种方法上：分层和分类。分类即是将有差异的事物归类到不同的分组中，正如我们常听到的"物以类聚、人以群分"的道理一样，产生分类的原因有两点：一点是事物间的关联紧密程度，不需要将所有的事物都耦合在一起；另一点是人掌握事物是有局限的，只能掌握少量的要点，比如 5~7 个要点，超过了容易忘记。

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分层是通过不同的视角看事物，每一层的关注点是不一样的，这种关注点不同是由自己的视角造成的，比如我们理解计算机，并不需要深入到二进制电信号去理解计算机。层次特性在软件设计中我们经常遇到，比如计算机体系结构、TCP 七层协议等，层次特性有一个特点：越往上越具体、越往下越抽象，越往上的内容越不稳定，也即是容易变化。

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问题域到解空间的映射

我们把需要解决的问题称之为问题域，或者问题空间，把解决方案称之为解空间。正向上一小节中提到的事物有层次特性，不同的人理解的事物是站在各自理解的视角，这样大家的理解、沟通并不一致的。如果我们看到的问题空间是表层的，那么基于浅层次理解设计出来的方案就会不稳定，可能下次有一个小变化导致方案需要重新设计。

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我们可以把一个软件划分成三层：场景、功能和实体，场景层是经常会变的，比如发放优惠券场景就非常多，比如有天降红包领取优惠、分享有礼领取优惠券、新人注册领取优惠券等，这种场景的更迭随着业务的调整变化得非常快，因此场景层是不稳定的。功能支撑某一些的场景集合，对比场景，功能相对而言稳定些，就像前面提到的发放优惠券场景，本质就是给用户发放优惠券，只需要提供发放优惠券的功能即可，至于哪些场景来调用它并不关注，但功能还是基于场景的集合抽象出来的，如果场景场景类型变化了，功能也就随之变化，比如担保交易和预售交易就不一样。实体是稳定的，以担保交易和预售交易为例，它的订单模型大致是一样的，只是新增加了一些信息而已。

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因此，我们希望从问题空间到解空间，大家看到的、理解的是一致的，而且看到的是问题的本质而非表象，往往场景、功能是不稳定的，而面向过程又是以功能驱动的，所以在易变化的场景下，它面临的问题就比较多。比较稳定的是问题空间中的实体对象，所以面向对象分析是现实的需要。面向过程和面向对象是两个不同的视角的分析方法：面向过程是一种归纳的分析方法，由外到内的过程；面向对象是一种演绎的分析方法，由内到外的过程。

三个一致性

软件开发会经历需要分析、概要设计、详细设计、编码、测试、上线主要阶段，我们不希望每块是割裂的，比如分析做完之后，做设计阶段又要重新去做分析的工作，那么这里面就涉及到一致性的问题，即需求到分析的一致性、分析到设计的一致性、设计到编码的一致性。 这样做的好处可以保证无信息失真，因此我们急需求一种分析设计方法能做到这一点，面向对象分析与设计就能做到，因此全流程是以对象作为分析与设计的目标，在最终编码中也都是对象。

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面向对象的底层逻辑

提到面向对象，有部分人会提到封装、继承、多态等特性，然后这些并不是面向对象的本质特性，比如封装，面向过程中也有封装，多态面向过程也有体现，这些特性算不上面向对象特有的特性。面向对象的底层逻辑是基于现实事物做的抽象映射：现实事物对应软件中的对象，我们讨论解空间能对应到问题空间中的对象，两者是一一直接映射的，其它的分析方法是问题空间到解空间的间接映射。

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面向对象分析与设计的全景图

我们面临的问题是什么

从顶层看，我们要完成需求到编码的工作，然而从需求到编码又会经过多个阶段，如需求分析、方案设计等，从大的层面讲，我们主要遇到三个问题：

1. 做什么的问题

看似这是一个简单的问题，但在复杂的业务场景下，对做什么的理解太重要了，因为不同的人对需求的理解是不同的，比如最近做了一个项目，有一个业务判断规则是只针对跨境订单计税，最开始开发同学的理解是判断卖家类型是否是跨境卖家，然而到了测试阶段，发现大家对这个业务规则判断理解是不一致的，跨境订单跟卖家类型是没有关系的，真正的跨境订单计税场景是 shipTo（收货地址）和 shipFrom（发货地址）国家地址是不一样的。在大项项目中，涉及到多个团队之间的协同，这样的问题异常突出。而且从业务诉求到产品需求，再到技术方案，这其中是经过了 2 次变换，每次变换是不同的角色在里面，大家的认识也会不一样。

2. 怎么做的问题

落实到事情具体要怎么做时，往往大家并不会出大的问题，怎么做偏具体执行阶段，程序员往往在逻辑严密性上没多大的问题，往往出问题是在第一个问题上，相当于方向弄错了，所做的工作也是无用的。

3. 方法指导的问题

我们往往希望不劳而获得到一种万能的方法，能够应对所有的问题，同时又看不起低级的方法，比如大部分人对用例分析方法嗤之以鼻，想要能体现技术水平高大上的方法。其实自上世纪 70、80 年代，软件的分析设计方法并没有太大的变化，而且在我们大学期间都学过，只是大家并不认为它是一种高大上的方法而已。

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分析到设计的过程

在本节中，我们推导软件分析到设计的过程，由粗到细，最终落实到我们接触到的 UML 知识上。从需求提出到编码实现，这中间有两个关键问题：一是界定目标，即是定义清楚要做什么的问题，相当于是我们做事的方向、目标；二是具体如何做的问题，即通过怎样具体的方案支撑需求目标实现。因此，我们需要一种方法能够帮助我们界定目标和表示具体方案，而且是大家互认的一种通用的方法。

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通过用例图可以帮我们界定目标，用例中有三个关键要素：用户、场景和目标。比如交易下单是一个用例，它的用户是买家，场景包含下单成功和下单失败两个场景，用例的目标是买家可以购买心仪的商品。当用例目标确定了，相当于界定了目标，知道需求要做什么，这个过程要反复和业务方确认好，至到最终大家对目标的理解是一致的，方向对了，具体怎么做就好办了。

具体怎么做用时序图表示，画时序图需要注意的一点是顶层的对象层次要一致，不能有的对象表示具体的实体对象，有的表示系统对象，即对象的层级是一致的，要么大家都是系统，比如导购系统调用交易系统，交易系统调用支付系统，要么大家都是对象，比如商品、订单等。通过时序图可以看到一个完整功能的执行步骤，它就包含具体执行的细节，如正常流程、异常流程。

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其实在上面有一个问题，在画时序图时要确定好对象，那么这个对象是怎么来的呢？它是由健壮性图分析出来的，它里面有三个关键的对象：一个是边界对象，这个比较好理解，比如 UI 界面就是边界对象；另一个是控制对象，即是控制业务流程的对象，如下单服务就可以看作是控制对象；实体对象即是问题空间中的业务对象，比如订单。画健壮性图是有规则的，一般是边界对象调用控制对象，控制对象产生实体对象，比如用户下单界面是边界对象，下单服务是控制对象，订单就是实体对象。

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寻找对象之路

对象从哪里来

在本文第一部分第三小节中已经提到，问题空间到解空间是一一映射，我们讨论解空间中的对象时，其实它映射到问题空间中的对象，而问题空间中的对象主要来源于业务概念、业务规则、关键事件。大部分的对象是显现的，我们通过理解业务能发现，有的对象是隐性的，需要我们持续对业务有更深的理解才能发掘出来。好的对象模型是需要经过多次迭代打磨出来的，并非一次就能设计得十全十美。

发现对象的方法

在本文第二部分第二小节中已经提到寻找对象的方法，不过那还只是关键显现的对象，在本节中主要讲述完整对象发现的方法，主要方法分成四个步骤：

通过健壮性图找到关键的实体对象；
通过结构分析方法找出更多的实体对象；
将对象组成有机的对象模型；
最后通过用例走查对象模型是否完备。

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这里以一个案例来说明发现对象的过程，案例是用户在下单时，在订单上展示税的金额。首先画出健壮性图，这里的边界对象是下单界面，控制对象有两个，一个是下单服务，另一个是计税服务，实体对象也有两个，一个是计税单，一个是订单。有了计税单和订单这两个实体对象后，接下来通过结构分析方法，分析出更多的对象。

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对象都是有结构的，只要我们掌握了对象的结构，基本上就能掌握对象的概貌，因此我们从对象的结构入手，去分析对象内部的结构、对象关联的结构，实质上是从两个维度出发：一是从自身的角度出发，看自己内部还包含了哪些对象，如主订单包含了子订单；另一个是从外部的角度出发，看自己还与哪些对象相关联，如计税单与订单是有关联的。这种找对象的方法我称之为结构分析方法，因为本身结构又是事物本质的一种表达方式，比如化学分子结构决定化学现象。

为了更好地表达出对象的结构，我的一个经验是给对象下好定义，下定义可以从不同的维度，比如功能性维度、价值性维度、目的性维度、结构性维度等，这里可以从结构性的维度去给对象下定义。以计税单为例，可以给它下一个定义：计税单是将订单金额信息转成若干个标的物计税的单据模型，从这个定义中，我们可以看到计税单是与订单有关联关系的，另一个是计税单是包含了若干个标的物，我们可以画出计税单的对象模型。

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当对象模型画出来后，后续我们讨论业务基本上围绕这个对象模型去讨论业务问题的，比如商品标的物哪些金额要参与计税、计税金额的计算口径是怎样的，到这里，大家再体会下"问题空间到解空间一一直接映射"这句话，业务上的诉求也无非是哪些订单费用项要计税，计税的逻辑是怎样的，有可能在这个场景下要扣减金本位优惠，在另外一种场景下金本位优惠不需要扣减，基于对象模型与产品、测试同学讨论问题，大家都是处于同一个维度的视角看问题，沟通理解成本会少很多。

对象模型是一种可视化的表达，我们大部分的沟通问题是缺乏显性表达造成的，这句话可以这样理解，也可以那样理解，导致大家理解有偏差，现在用模型的形式沟通问题，很多偏差、歧义就消除了。

组织对象结构

当我们分析出一堆的对象后，还需要经过一定的组织，正如前面提到，人对事物理解是有局限的，不能一下子接受太多的事物，因此可以将它们分成一个个小的域，比如商品域、订单域、税务域等，这样当聚集一个问题时，可以只看某个子域里的对象模型即可。

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如何分配职责

职责是怎么来的

面向对象最难的点有两个：一个是找出对象；另一个是分配职责。UML 把职责定义为"类元的契约或义务"，因此职责的划分从本质来讲还是类元本身决定的，比如订单，它要提供订单渲染、订单创建、订单修改、订单查询的义务。

职责分为两类：一类是认知职责；另一类是行为职责。

认知职责包含：

对私有数据封装的认知。
对相关对象的认知。
对其能够导出或计算的事物的认识。
行为职责包含：

自己执行的行为，包括创建对象或计算。
初始化其它对象的动作。
控制或协调其它对象的活动。

分配职责的逻辑

上一小节中提到的职责有两类，认知职责是对象自身的认知范围，即它只能基于自身属性完成相应的职责，举一个例子，假如一主多子的订单，要计算总的订单金额，怎么分配职责呢？首先商品只能查到自身价格的信息，它的认识是基于商品 price 属性，一个子订单可以有多个商品，那么它也只能计算出子订单的金额信息，它的认知是基于 item 和 quantity 两个属性，主订单包含所有子订单的信息，那么就可以计算出总的订单金额。

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从上面的例子中我们可以看出，认知职责是基于对象属性的，正所谓"不在其位、不谋其政"，认知职责一定不会超过它的认识范围的。

行为职责是偏领域服务的，有的时候一个职责不属于某一个对象，比如转账，就是一个行为，让其它的职责承担并不合适，这类行为职责往往是一个显著的业务活动，比如订单渲染、订单创建就是行为职责而非认知职责。

分配职责一定要遵循"信息专家"模式，它的含义是将职责分配给具有完成该职责所需要信息的那个类，也即上面提到的认识产生职责。

验证职责分配的合理性

我们期望分配的职责满足"高内聚、低耦合"，怎么检验呢？我们再回过头来思考职责的定义：类元的契约或义务，换句话讲，职责是满足其它对象来调用的，这个就与我们画时序图的目的是一致的，每次发生一次调用，即意味着其它的对象要提供一个职责出来，因此我们可以在时序图中看对象间的调用频次，如果一个对象被调用得非常频繁，有可能这个对象承担了太多的职责，是不是可以对其拆分，把职责分配一部分出去。因此，对象职责分配并不是一蹴而就的，需要不断审视、检验。

分配职责是要遵循一定的原则，如创建者模式、信息专家模式、纯虚构模式等，这些原则会在下一篇中单独去讲。

案例

案例背景

这里举一个例子，说明面向过程和面向对象在分析、编写代码的差异性，计税需要判断是否满足计税规则，比如虚拟商品不计税（手机充值之类）、有些免税地址不计税、小 B 买家也不计税等，因此需要提供一个计税过滤判断逻辑。

常规面向过程实现

面向过程的思路很简单，提供一个过滤方法依次处理下面逻辑：过滤虚拟商品计税请求、过滤免税地址计税请求、过滤小 B 买家计税请求。

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public void filter(List<TaxCalculateRequest> request){          // 过滤虚拟商品计税请求     filterVirtualItem(request);
     // 过滤免税地址计税请求(即外岛)     filterOuterIsland(request);
     // 过滤小B买家计税请求     filterPurchaseType(reqeust);
}

复制代码

面向对象实现

面向过程是从过程视角或者是功能视角分析问题，而面向对象是从对象的视角分析问题，过滤计税请求是计税过滤器判断计税请求是否满足计税规则，这里就包含了两个对象：计税过滤器和计税规则，判断是否满足计税要求这个职责应该是在具体的计税规则处理器中，比如是否是小 B 买家等，因此我们可以画出对象模型。

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关键代码如下：

public abstract class AbstractRuleHandler {
    /**     * 抽象的业务规则处理     *     * @param request     */    public abstract void handler(TaxCalculateRequest request);
    /**     * 构造函数里完成注册     */    public AbstractRuleHandler() {        TaxCaluclateFilter.register(this);    }}