说明

框架设计、设计原则、设计模式



讲师：李智慧



对象对象编程与面向对象分析

面向对象编程不是使用面向对象的编程语言进行编程，而是利用多态特性进行编程。



面向对象分析是将客观世界，即编程的业务领域进行对象分析。

• 充血模型和贫血模型

• 领域驱动设计DDD（Domain Driven Design）



面向对象设计的目的和原则

面向对象设计的目的

• 强内聚、低耦合，从而使系统

☞ 易扩展 - 易于增加新的功能

☞ 更强壮 - 不容易被粗心的程序员破坏

☞ 可移植 - 能够在多样的环境下运行

☞ 更简单 - 容易理解、容易维护



面向对象设计的原则

• 为了达到上述设计目标，最具代表性Robert C. Martin总结出了多种指导原则。

• "原则" 是独立于编程语言的，甚至于可以用于非面向对象的编程语言中。



设计模式（Design Patterns）

设计模式是用于解决某一种问题的通用的解决方案。

设计模式也是语言中立的。

设计模式贯彻了设计原则。



Gang of Four （Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson and John Vlissides）提出了三大类23种基本的设计模式：

• 创建模式

• 行为模式

• 结构模式



在更细分的领域中还可以总结出许多设计模式：

• 并发编程模式

• Java EE模式



框架（Frameworks）

框架是用来实现某一类应用的结构性的程序，是对某一类架构方案可复用的设计与实现

• 如同框架架构的大厦的框架

• 简化应用开发者的工作

• 实现了多种设计模式，使应用开发者不需要花太大的力气，就能设计出结构良好的程序来



不同领域的框架

• 微软公司为Windows编程开发了MFC框架。

• Java为它的GUI（图形用户界面）开发了AWT框架。

• 还有许多开源的框架：MyBatis，Spring等。

• Web服务器也是框架：Tomcat



框架 VS 工具

框架调用应用程序代码(比如：Spring Boot, Spring Cloud, JUnit)

应用程序代码调用工具(比如：Log4j)



架构师用框架保证架构的落地

架构师用工具提高开发效率



软件设计的"臭味"

软件设计的最终目的，是使软件达到“强内聚、松耦合”，从而使软件：

• 易扩展 - 易于增加新的功能

• 更强壮 - 不容易被粗心的程序员破坏

• 可移植 - 能够在多样的环境下运行

• 更简单 - 容易理解、容易维护



与之相反，一个 "不好的" 软件， 会发出如下 "臭味" :

• 僵硬 - 不易改变。

• 脆弱 - 只想改 A，结果 B 被意外破坏。

• 不可移植 - 不能适应环境的变化。

• 导致误用的陷阱 - 做错误的事比做正确的事更容易，引诱程序员破坏原有设计。

• 晦涩 - 代码难以理解。

• 过度设计、 copy-paste 代码。



僵化性（Rigidity）

很难对系统进行改动，因为每个改动都会迫使许多对系统其它部分的改动。

• 如果单一的改动会导致依赖关系的模块中的连锁改动，那么设计就是僵化的，必须要改动的模块越多，设计就越僵化。



脆弱性（Fragility）

对系统的改动会导致系统中和改动的地方无关的许多地方出现问题。

• 出现新问题的地方与改动的地方没有概念上的关联。要修正这些问题又会引出更多的问题，从而使开发团队就像一只不停追逐自己尾巴的狗一样。



牢固性（Immobility）

很难解开系统的纠结，使之成为一些可在其它系统中重要的组件。

• 设计中包含了对其它系统有用的部分，而把这部分从系统中分离出来所需要的努力和风险是巨大的。



粘滞性（Viscosity）

做正确的事情比做错误的事情要困难。

• 面临一个改动的时候，开发人员常常会发现会有多种改动的方法。

有的方法会保持系统原来的设计，而另外一些则会破坏设计，当那些可以保持系统设计的方法

比那些破坏设计的方法很难应用，就表明设计具有高的粘滞性，做错误的事情就很容易。



不必要的复杂性（Needless Complexity）

设计中包含不具任何直接好处的基础结构

• 如果设计中包含有当前没有用的组成部分，它就含有不必要的复杂性。当开发人员预测需求的变化，并在软件中放置了那些潜在的变化的代码时，常常会出现这种情况。



不必要的重复（Needless Repetition）

设计中包含有重复的结构，而该重复的结构本可以使用单一的抽象进行统一。

• 当 copy, cut, paste 编程的时候，这种情况就会发生。



晦涩性（Opacity）

很难阅读、理解。没有很好的表现出意图。

• 代码可以用清晰、富有变现力的方式编写，也可以用晦涩、费解的方式编写。一般说来，随着时间的推移，代码会变得越来越晦涩。



一个设计腐化过程的例子

• 编写一个从键盘读入字符并输出到打印机的程序



Copy 程序结构图

Copy 程序

void Copy()
{
	int c;
	while ((c=RdKbd()) != EOF)
		WrtPrt(c);
}



几个月以后老板来找你，说有时希望 copy 程序能从纸带机中读入信息。

Copy 程序的第一次修改成果

bool ptFlag = false;
// remember to reset this flag
void Copy()
{
	int c;
	while ((c=(ptflag ? Rdpt() : RdKbd())) != EOF)
		WrtPrt(c);
}



再过几周后，你的老板告诉你，客户有时候需要输出到纸带打孔机上。

Copy 程序第二次修改成果

bool ptFlag = false;
bool punchFlag = false;
// remember to reset these flags
void Copy()
{
	int c;
	while ((c=(ptflag ? Rdpt() : RdKbd())) != EOF)
		punchFlag ? WrtPunch(c) : WrtPrt(c);
}



一个遵循 OOD 原则的设计

public interface Reader {
	public int read();
}
public class KeyboardReader extends Reader {
	public int read() {
		return readKeyboard();
	}
}
Reader reader = new KeyboardReader();
Writer writer = new Printer();
public void copy() {
	int c:
	while ((c=reader.read()) != EOF)
		Writer.write();
}



Button/Dailer 僵化例子

设计一个控制电话拨号的软件。

下面是一个 "拨打电话" 的 Use Case 描述：

* 我们按下数字按钮，屏幕上显示号码，扬声器发出按键音。

* 我们按下 Send 按键，系统接通无线网络，同时屏幕上显示正在拨号。



如何找出对象：大部分名词就是对象。

比如数字按钮，屏幕，扬声器，Send按键，系统，无线网络。



类图



合作图

根据 UML 想象程序代码

public class Button {
	public final static int SEND_BUTTON = -99;
	private Dialer dialer;
	private int    token;
	public Button(int token, Dialer dialer) {
		this.token = token;
		this.dialer = dialer;
	}
	public void press() {
		switch (token) {
			case 0: case 1: case 2: case 3: case 4:
			case 5: case 6: case 7: case 8: case 9:
				dialer.enterDigit(token);
				break;
			
			case SEND_BUTTON:
				dialer.dial();
				break;
			default:
				throw new UnsupportedOperationException("unknown button pressed: token=" + token);
		
		}
	}
}
public class Dialer {
	public void enterDigit(int digit) {
		screen.display(digit);
		speaker.beep(digit);
	}
	public void dial() {
		screen.display("dialing...");
		radio.connect();
	}
}



有什么臭味吗？

1. 僵化 - 不易增加、修改：

☞ 增加一种 Button 类型，就需要对 Button 类进行修改；

☞ 修改 Dialer，可能会影响 Button。

1. 脆弱 - switch case / if else 语句是相当脆弱的。

☞ 当我想修改 Send 按钮的功能时，有可能不小心破坏数字按钮；

☞ 当这种函数很多时，我很有可能会漏掉某个函数，或其中的某个条件分支。

1. 不可移植 - 设想我们要设计密码锁的按钮，它只需要数字按键，但 Button 的设计使它必须 "附带" 一个 "Send" 类型的按钮。



OOD原则一：开/闭原则（OCP）

OCP - Open/Closed Principle

• 对于扩展是开放的（Open for extension）

• 对于更改是封闭的（Closed for modification）

• 简言之：不需要修改软件实体（类、模块、函数等），就应该能实现功能的扩展。



传统的扩展模块的方式就是修改模块的源代码。如何实现不修改而扩展呢？

• 关键是抽象！



改进 Button：方法一 继承



改进 Button：方法二 策略模式

改进 Button：方法三 适配器模式

改进 Button：方法四 观察者模式

拨号的同时，该按钮的灯就亮一下。

Button/Dailer 改进后代码实现 -- 观察者模式

public interface ButtonListener {
	void buttonPressed();
}
public class Button {
	private List<ButtonListener> listeners;
	public Button() {
		this.listeners = new LinkedList<ButtonListener>();
	}
	
	public void addListener(ButtonListener listener) {
		assert listener != null;
		listeners.add(listener);
	}
	public void press() {
		for (ButtonListener listener: listeners) {
			listener.buttonPressed();
		}
	}
}
public class Phone {
	private Dialer dialer;
	private Button[] digitButtons;
	private Button sendButtons;
	public Phone() {
		dialer = new Dailer();
		digitButton = new Button[10];
		for (int i = 0; i < digitButtons.length; i++) {
			digitButton[i] = new Button();
			
			final int digit = i;
			digitButtons[i].addListener(new ButtonListener() {
				public void buttonPressed() {
					dialer.enterDigit(digit);
				}
			});
		}
		sendButton = new Button();
		sendButton.addListener(new ButtonListener() {
			public void buttonPressed() {
				dialer.dial();
			}
		});
	}
	public static void main(String[] args) {
		Phone phone = new Phone();
		
		phone.digitButton[9].press();
		phone.digitButton[1].press();
		phone.digitButton[1].press();
		
		phone.sendButton.press();
	}
}



OOD原则二：依赖倒置原则（DIP）

DIP - Dependency Inversion Principle

• 高层模块不能依赖低层模块，而是大家都依赖于抽象；

• 抽象不能依赖实现，而是实现依赖抽象。



DIP 倒置了什么？

• 模块或包的依赖关系

• 开发顺序和职责



软件的层次化

• 高层决定低层

• 高层被重用



比如Controller是高层不能依赖于低层Service，就算是依赖了IService接口，IService也是为Service服务的，这里还是高层依赖了低层。如何解决？



解决方案：

比如是个注册场景，Controller定了一个Register的接口，Service要去实现Register接口。



遵循 DIP 的层次依赖关系

违反 DIP 案例

遵循 DIP 的解决方案：



框架的核心

好莱坞规则：

• Don't call me, I'll call you.

倒转的层次依赖关系



找出 Button 背后的抽象

Button 的本质是什么？

• 检测用户的按键指令，并传递给目标对象。



用什么机制检测用户的按键？

• 不重要



目标对象是什么？

• 不重要



OOD原则三：Liskov替换原则（LSP）

在 Java / C++ 这样的静态类型语言中，实现 OCP 的管线在于抽象，而抽象的威力在于多态和继承。

• 一个正确的继承要符合什么要求？

• 答案：Liskov 替换原则



1988年，Barbara Liskov 描述这个原则：

• 若对每个类型 T1 的对象 O1， 都存在一个类型 T2 的对象 O2， 使得在所有针对 T2 编写的程序 P 中，用 O1 替换 O2 后，程序 P 的行为功能不变，则 T1 是 T2 的子类型。

• 简言之：子类型（Subtype）必须能够替换掉它们的基类型（Base Type）。



举例说明

假设： Horse 是 WhiteHorse 和 BlackHorse 的基类

在使用 Horse 对象的任何场合，我们可以把 WhiteHorse 对象传进去，以取代 Horse 对象，程序仍然正确。



LSP 的反命题不成立

墨子曾经曰过：《墨子 小取》

• "娣，美人也，爱娣，非爱美人也....."

违反 LSP 的案例一

void drawShape(Shape shape) {
	if (shape instanceof Circle) {
		drawCircle((Circle)shape);
	} else if (shape instanceof Square) {
		drawSquare((Square)shape);
	} else {
		......
	}
}



违反 LSP 的案例二

不符合 IS-A 关系的继承，一定不符合 LSP

JDK 中的错误设计：

违反 LSP 的案例三

下面是一个 "长方形" 类：

public class Rectangle {
	private double width;
	private double height;
	public void setWidth(double w) { width = w; }
	public void setHeight(double h) { height = h; }
	public double getWidth() { return width; }
	public double getHeight() {return height; }
}



接着让我们创建一个 "正方形" 类。正方形 IS-A 长方形吗？

Rectangle 包含 width 和 height，但 Square 只需要 side 就可以了。

public class Square extends Rectangle {
	public void setWidth(double w) {
		width = height = w;
	}
	public void setHeight(double h) {
		height = width = h;
	}
}



加入有一个方法：

void testArea(Rectangle rect) {
	rect.setWidth(3);
	rect.setHeight(4);
	assert 12 == rect.calculateArea();	// 传入 Square 将失败
}



为什么正方形 IS-NOT-A 长方形呢？

IS-A 关系是关于行为的。

• 从行为的方式来看，正方形和长方形是不同的。



从对象的属性来证明这一论点，对于同一个类，所创建的不同对象，它们的：

• 标识 - 是不同的。

• 状态 - 是不同的。

• 行为 - 是不同的。

因此，设计和界定一个类，应该以其行为作为区分。



从 "契约" 的角度来看 LSP

LSP 要求，凡是使用基类的地方，一定也适用于其子类。

从 Java 语法角度看，意味着：

• 子类一定拥有基类的整个接口。

• 子类的访问控制不能比基类更严格。

☞ 例如，Object 类中又一个方法：

☞ protected Object clone();

☞ 子类中可以覆盖（override）之并放松其访问控制：

☞ public Object clone();

☞ 但反过来是不行的，例如：

☞ 覆盖 public String toString() 方法，并将其访问权限缩小成 private， 编译器不可能允许这样的代码通过编译。



从更广泛的意义来看，子类的 "契约" 不能比基类更 "严格"。

• 例如， 正方形长宽相等，这个契约比长方形要严格，因此正方形不是长方形的子类。

• 例如，Properties 的契约比 Hashtable 更严格。



如何重构代码，以解决 LSP 问题？

方法1：最简单的办法是，提取共性到基类

方法2：改成组合

继承 vs. 组合

继承和组合 OOP 的两种扩展手段



继承的优点：

• 比较容易，因为基类的大部分功能可以通过继承直接进入子类。



继承的缺点：

• 继承破坏了封装，因为继承将基类更多的细节暴露给子类。因而继承被称为 "白盒复用".

• 当基类发生改变时，可能会层层影响其下的子类。

• 继承是静态的，无法在运行时改变组合。

• 类数量的爆炸。



应该优先使用组合。



合适检测 LSP？

一个模型，如果孤立地看，并不具有真正意义上的有效性。

• 孤立地看，Rectangle 和 Square 并没有什么问题。



通过它的客户程序才能体现出来

• 从对基类做出合理假设的客户程序的角度来看，Rectangle 和 Square 这个模型就是有问题的。



有谁知道设计的使用者会做出什么合理的假设呢？

• 大多数这样的假设都很难预测。

• 避免 "过于复杂" 或 "过度设计".

• 只预测明显的违反 LSP 的情况，而推迟其它的预测。



可能违反 LSP 的征兆

派生类中的退化函数

public class Base {
	public void func() { /* do something.    */ }
}
public class Derived extends Base {
	public void func() { }
}



派生类中抛出基类不会产生的异常。

public class Derived extends Base {
	public void func() {
		throw new UnsupportedOperationException();
	}
}



OOD 原则四：第一职责原则（SRP）

SRP - Single Responsibility Principle

• 又被称为 "内聚性原则（Cohesion）", 意为：

☞ 一个模块的组成元素之间的功能相关性。

• 将它与引起一个模块改变的作用力相关联，就形成了如下描述：

☞ 一个类，只能有一个引起它的变化的原因。



什么是职责？

• 单纯谈论职责，每个人都会得出不同的结论

• 因此我们下一个定义：

☞ 一个职责是一个变化的原因。



违反 SRP 原则的后果

举例说明：

• Rectangle 类包含了两个职责：

☞ draw() 在GUI上画出自己；

☞ area() 用来计算自身的面积。

• 有两个应用分别依赖Rectangle：

☞ 计算几何应用，利用Rectangle计算面积

☞ 图形应用，利用Rectangle绘制长方形，也需要计算面积。

后果

• 脆弱性 - 把绘图和计算功能耦合在一起，当修改其中一个时，另一个功能可能会意外受损。

• 不可移植性 - 计算几何应用只需要使用 "计算面积" 的功能，却不得不包含 GUI 的依赖。



改进

区分类的方法： 分清职责

职责 - 变化的原因

• 有时区分一个类包含了几个职责并不明显，例如：

interface Modem {
	void dial(String pno);
	void hangup();
	void send(char c);
	void recv();
}

• 加入应用程序连接 Modem 的方式会发生变化，例如： dial 的参数会因此而变化，那么这个设计会导致 "僵化性" 的问题。此时，应该把连接和收发这两个职责分离：

何时分离职责？当变化发生时。

一种常见的违反 SRP 情景

Employee 包含了两个职责：

• 业务逻辑

• 持久化逻辑



这两个职责通常不应该混合在一起：

• 业务变化快，持久化逻辑变化慢。

• 变化的原因也不同



OOD原则五：接口分离原则（ISP）

ISP -- Interface Segregation Principle

• 不应该强迫客户程序依赖它们不需要的方法。



ISP 和 SRP 的关系

• ISP 和 SRP 是相关的，都和 "内聚性" 有关。

• SRP 指出应该如何设计一个类 -- 只能有一种原因才能促使该类发生变化。

• ISP 指出改如何设计一个接口 -- 从客户的需要出发，强调不要让客户看到他们不需要的方法。



以前面 Modem 为例

事实上，要完全做到 SRP 是困难的，例如在 Modem 例子中，”连接“ 环节和 ”收发数据“ 环节有内在的关系，可能必须写在一个类中。



但是我们仍然可以把接口分开，这样当 ”连接“ 的方法改变时，那些只关系 ”收发数据“ 的程序不会受到影响。

胖接口 -- 另一个例子

这是一个可定时关闭的门。

Interface Door extends TimerClient {
	void lock();
	void unlock();
	boolean isDoorOpen();
}
class Timer {
	void register(int timeout, TimeClient client);
}
interface TimerClient {
	void timeout();
}



在这个例子中， Door 类的接口中包含了 timeout 方法，然而这个方法对不需要 timeout 机制的门是没有用的。



客户对接口的反作用

Timer 是 Door 的客户；另外还有一些不需要定时功能的 Door 客户。

当 Timer 发生改变时：

class Timer {
	public void register(int timeout, int timeoutID, TimerClient client);
}

TimerClient 也被迫改变：

interface TimerClient {
	void timeout(int timeoutID);
}

从而所有不需要定时功能的 Door 的客户程序都收到影响。



改进：分离 Door 接口和 TimerClient 接口

方法1： 适配器模式

方法2： 多继承

总结

优秀的程序员：欢迎需求变更。你的设计就是为了需求变更而设计。开闭原则，对修改关闭，对扩展开发。



推荐阅读：《敏捷软件开发原则、模式与实践》，作者Robert C. Martim



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