【软件设计】六大设计原则讲解
1. 单一职责原则 -Single Responsibility Principle
SRP，Single Responsibility Principle：
There should never be more than one reason for a class to change.
应该有且仅有一个原因引起类的变更。（如果类需要变更，那么只可能仅由某一个原因引起）
问题由来：
类T负责两个不同的职责：职责P1，职责P2。当由于职责P1需求发生改变而需要修改类T时，有可能会导致原本运行正常的职责P2功能发生故障。
解决方案：
遵循单一职责原则。分别建立两个类T1、T2，使T1完成职责P1功能，T2完成职责P2功能。这样，当修改类T1时，不会使职责P2发生故障风险；同理，当修改T2时，也不会使职责P1发生故障风险。
示例：
如果一个接口包含了两个职责，并且这两个职责的变化不互相影响，那么就可以考虑拆分成两个接口。
方法的职责应清晰、单一。一个method尽可能制作一件事情。changeUserInfo()可拆分为changeUserName()、changeUserAddr()....
说到单一职责原则，很多人都会不屑一顾。因为它太简单了。稍有经验的程序员即使从来没有读过设计模式、从来没有听说过单一职责原则，在设计软件时也会自觉的遵守这一重要原则，因为这是常识。在软件编程中，谁也不希望因为修改了一个功能导致其他的功能发生故障。而避免出现这一问题的方法便是遵循单一职责原则。虽然单一职责原则如此简单，并且被认为是常识，但是即便是经验丰富的程序员写出的程序，也会有违背这一原则的代码存在。
为什么会出现这种现象呢？因为有职责扩散。所谓职责扩散，就是因为某种原因，职责P被分化为粒度更细的职责P1和P2。此时，按照SRP 应该再新建一个类负责职责P2，但是这样会修改花销很大！除了改接口 还需要改客户端代码！所以一般就直接在原有类方法中增加判断 支持职责P2；或者在原有类中新增一个方法来处理职责P2（做到了方法级别的SRP），
例如原有一个接口，模拟动物呼吸的场景：
- class Animal{
- public void breathe(String animal){
- System.out.println(animal+"呼吸空气");
- }
- }
- public class Client{
- public static void main(String[] args){
- Animal animal = new Animal();
- animal.breathe("牛");
- animal.breathe("羊");
- animal.breathe("猪");
- }
- }
程序上线后，发现问题了，并不是所有的动物都呼吸空气的，比如鱼就是呼吸水的。
修改一：修改时如果遵循单一职责原则，需要将Animal类细分为陆生动物类Terrestrial，水生动物Aquatic，代码如下：
- class Terrestrial{
- public void breathe(String animal){
- System.out.println(animal+"呼吸空气");
- }
- }
- class Aquatic{
- public void breathe(String animal){
- System.out.println(animal+"呼吸水");
- }
- }
- public class Client{
- public static void main(String[] args){
- <strong>Terrestrial </strong>terrestrial = new Terrestrial();
- terrestrial.breathe("牛");
- terrestrial.breathe("羊");
- terrestrial.breathe("猪");
- <strong>Aquatic </strong>aquatic = new Aquatic();
- aquatic.breathe("鱼");
- }
- }
BUT，这样修改花销是很大的，除了将原来的类分解之外，还需要修改客户端。
修改二：直接修改类Animal；虽然违背了单一职责原则，但花销却小的多
- class Animal{
- public void breathe(String animal){
- if("鱼".equals(animal)){
- System.out.println(animal+"呼吸水");
- }else{
- System.out.println(animal+"呼吸空气");
- }
- }
- }
- public class Client{
- public static void main(String[] args){
- Animal animal = new Animal();
- animal.breathe("牛");
- animal.breathe("羊");
- animal.breathe("猪");
- animal.breathe("鱼");
- }
- }
这种修改方式要简单的多。但是却存在着隐患：有一天需要将鱼分为呼吸淡水的鱼和呼吸海水的鱼，则又需要修改Animal类的breathe方法，而对原有代码的修改会对调用“猪”“牛”“羊”等相关功能带来风险，也许某一天你会发现程序运行的结果变为“牛呼吸水”了。
这种修改方式直接在代码级别上违背了单一职责原则，虽然修改起来最简单，但隐患却是最大的。
修改三：
- class Animal{
- public void breathe(String animal){
- System.out.println(animal+"呼吸空气");
- }
- public void breathe2(String animal){
- System.out.println(animal+"呼吸水");
- }
- }
- public class Client{
- public static void main(String[] args){
- Animal animal = new Animal();
- animal.breathe("牛");
- animal.breathe("羊");
- animal.breathe("猪");
- animal.breathe2("鱼");
- }
- }
这种修改方式没有改动原来的方法，而是在类中新加了一个方法；虽然也违背了单一职责原则，但在方法级别上却是符合单一职责原则的，因为它并没有动原来方法的代码。
好处：
一个接口的修改只对相应的实现类有影响，对其他接口无影响；有利于系统的可扩展性、可维护性。
问题：
“职责”的粒度不好确定！
过分细分的职责也会人为地增加系统复杂性。
建议：
对于单一职责原则，建议 接口一定要做到单一职责，类的设计尽量做到只有一个原因引起变化。
只有逻辑足够简单，才可以在代码级别上违反单一职责原则；只有类中方法数量足够少，才可以在方法级别上违反单一职责原则；
2. 里氏替换原则 -Liskov Substitution Principle
LSP，Liskov Substitution Principle：
1） If for each object s of type S, there is an objectt of type T such that for all programs P defined in terms of T, the behavior of P is unchanged when s is substituted fort when S is a subtype of T.
2) Functions that use pointers or references to base classes must be able to user objects of derived classes without knowing it.
所有引用基类的地方，都能透明地替换成其子类对象。只要父类能出现的地方，子类就可以出现。
引入里氏替换原则能充分发挥继承的优点、减少继承的弊端。
继承的优点：
- 代码共享，减少创建类的工作量；每个子类都有父类的方法和属性；
- 提高代码重用性；
- 子类可以形似父类，但又异于父类；
- 提高代码可扩展性；
- 提高产品开放性。
继承的缺点：
- 继承是侵入性的——只要继承，就必须拥有父类的属性和方法；
- 降低代码的灵活性——子类必须拥有父类的属性和方法，让子类自由的世界多了些约束；
- 增强了耦合性——当父类的属性和方法被修改时，必须要考虑子类的修改。
示例（继承的缺点）：
原有类A，实现减法功能：
- class A{
- public int func1(int a, int b){
- return a-b;
- }
- }
- public class Client{
- public static void main(String[] args){
- A a = new A();
- System.out.println("100-50="+a.func1(100, 50));
- System.out.println("100-80="+a.func1(100, 80));
- }
- }
新增需求：新增两数相加、然后再与100求和的功能，由类B来负责
- class B extends A{
- public int func1(int a, int b){
- return a+b;
- }
- public int func2(int a, int b){
- return func1(a,b)+100;
- }
- }
- public class Client{
- public static void main(String[] args){
- B b = new B();
- System.out.println("100-50="+b.func1(100, 50));
- System.out.println("100-80="+b.func1(100, 80));
- System.out.println("100+20+100="+b.func2(100, 20));
- }
- }
OOPS! 原本运行正常的相减功能发生了错误。原因就是类B在给方法起名时无意中重写了父类的方法！
问题由来：
有一功能P1，由类A完成。现需要将功能P1进行扩展，扩展后的功能为P，其中P由原有功能P1与新功能P2组成。新功能P由类A的子类B来完成，则子类B在完成新功能P2的同时，有可能会导致原有功能P1发生故障。
解决方案：
LSP为继承定义了一个规范，包括四层含义：
1）子类必须完全实现父类的方法
如果子类不能完整地实现父类的方法，或者父类的某些方法在子类中已经发生畸变；则建议不要用继承，而采用依赖、聚集、组合等关系代替继承。
例如：父类AbstractGun有shoot()方法，其子类ToyGun不能完整实现父类的方法（玩具枪不能射击，ToyGun.shoot()中没有任何处理逻辑），则应该断开继承关系，另外建一个AbstractToy父类。
2）子类可以有自己得个性
即，在子类出现的地方，父类未必就能替代。
3）重载或实现父类方法时，输入参数可以被放大（入参可以更宽松）
否则，用子类替换父类后，会变成执行子类重载后的方法，而该方法可能“歪曲”父类的意图，可能引起业务逻辑混乱。
4）重写或实现父类方法时，返回类型可以被缩小（返回类型更严格）
建议：
在实际编程中，我们常常会通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的几率非常大。
父类中凡是已经实现好的方法（相对于抽象方法而言），实际上是在设定一系列的规范和契约，虽然它不强制要求所有的子类必须遵从这些契约，但是如果子类对这些非抽象方法任意修改，就会对整个继承体系造成破坏。而里氏替换原则就是表达了这一层含义。
里氏替换原则通俗的来讲就是：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。
Q：
LSP如何减少继承的弊端？
3. 依赖倒置原则 -Dependence Inversion Principle:
DIP，Dependence Inversion Principle:
High level modules should not depend upon low level modules. Both should depend upon abstractions.
Abstractions should not depend upon details. Details should depend upon abstractions.
即“面向接口编程”：
- 高层模块不应该依赖低层模块，两者都应该依赖其抽象；——模块间的依赖通过抽象发生。实现类之间不发生直接的依赖关系（eg. 类B被用作类A的方法中的参数），其依赖关系是通过接口或抽象类产生的；
- 抽象不应该依赖细节；——接口或抽象类不依赖于实现类；
- 细节应该依赖抽象；——实现类依赖接口或抽象类。
何为“倒置”？
依赖正置：类间的依赖是实实在在的实现类间的依赖，即面向实现编程，这是正常人的思维方式；
而依赖倒置是对现实世界进行抽象，产生了抽象间的依赖，代替了人们传统思维中的事物间的依赖。
依赖倒置可以减少类间的耦合性、降低并行开发引起的风险。
示例（减少类间的耦合性）：
例如有一个Driver，可以驾驶Benz：
- public class Driver{
- public void drive(Benz benz){
- benz.run();
- }
- }
- public class Benz{
- public void run(){
- System.out.println("Benz开动...");
- }
- }
问题来了：现在有变更，Driver不仅要驾驶Benz，还需要驾驶BMW，怎么办？
Driver和Benz是紧耦合的，导致可维护性大大降低、稳定性大大降低（增加一个车就需要修改Driver，Driver是不稳定的）。
示例（降低并行开发风险性）：
如上例，Benz类没开发完成前，Driver是不能编译的！不能并行开发！
问题由来：
类A直接依赖类B，假如要将类A改为依赖类C，则必须通过修改类A的代码来达成。这种场景下，类A一般是高层模块，负责复杂的业务逻辑；类B和类C是低层模块，负责基本的原子操作；假如修改类A，会给程序带来不必要的风险。
解决办法：
将类A修改为依赖接口I，类B和类C各自实现接口I，类A通过接口I间接与类B或者类C发生联系，则会大大降低修改类A的几率。
上例中，新增一个抽象ICar接口，ICar不依赖于BMW和Benz两个实现类（抽象不依赖于细节）。
1）Driver和ICar实现类松耦合
2）接口定下来，Driver和BMW就可独立开发了，并可独立地进行单元测试
依赖有三种写法：
1）构造函数传递依赖对象（构造函数注入）
- public interface IDriver{
- public void drive();
- }
- public class Driver implements IDriver{
- private ICar car;
- public <strong>Driver(ICar _car)</strong>{
- this.car = _car;
- }
- public void drive(){
- this.car.run();
- }
- }
2）setter方法传递依赖对象（setter依赖注入）
- public interface IDriver{
- public void setCar(ICar car);
- public void drive();
- }
- public class Driver implements IDriver{
- private ICar car;
- public void <strong>setCar(ICar car)</strong>{
- this.car = car;
- }
- public void drive(){
- this.car.run();
- }
- }
3）接口声明依赖对象（接口注入）
建议：
DIP的核心是面向接口编程；DIP的本质是通过抽象（接口、抽象类）使各个类或模块的实现彼此独立，不互相影响。
在项目中遵循以下原则：
- 每个类尽量都有接口或抽象类
- 变量的表面类型尽量使接口或抽象类
- 任何类都不应该从具体类派生*——否则就会依赖具体类。
- 尽量不要重写父类中已实现的方法——否则父类就不是一个真正适合被继承的抽象。
- 结合里氏替代原则使用
4. 接口隔离原则 -Interface Segregation Principle
Interface Segregation Principle:
Clients should not be forced to depend upon interfaces that they don't use.——客户端只依赖于它所需要的接口；它需要什么接口就提供什么接口，把不需要的接口剔除掉。
The dependency of one class to another one should depend on the smallest possible interface.——类间的依赖关系应建立在最小的接口上。
即，接口尽量细化，接口中的方法尽量少
问题由来：
类A通过接口I依赖类B，类C通过接口I依赖类D，如果接口I对于类A和类B来说不是最小接口，则类B和类D必须去实现他们不需要的方法。
解决方案：
将臃肿的接口I拆分为独立的几个接口，类A和类C分别与他们需要的接口建立依赖关系。包含4层含义：
1）接口要尽量小
不能出现Fat Interface；但是要有限度，首先不能违反单一职责原则（不能一个接口对应半个职责）。
2）接口要高内聚
在接口中尽量少公布public方法。
接口是对外的承诺，承诺越少对系统的开发越有利。
3）定制服务
只提供访问者需要的方法。例如，为管理员提供IComplexSearcher接口，为公网提供ISimpleSearcher接口。
4）接口的设计是有限度的
建议：
- 一个接口只服务于一个子模块或业务逻辑；
- 通过业务逻辑压缩接口中的public方法；
- 已被污染了的接口，尽量去修改；若变更的风险较大，则采用适配器模式转化处理；
- 拒绝盲从
与单一职责原则的区别：
二者审视角度不同；
单一职责原则要求的是类和接口职责单一，注重的是职责，这是业务逻辑上的划分；
接口隔离原则要求接口的方法尽量少。。。
5. 迪米特法则 -Law of Demeter
LoD，Law of Demeter:
又称最少知识原则（Least Knowledge Principle），一个对象应该对其他对象有最少的了解
一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说，对于被依赖的类来说，无论逻辑多么复杂，都尽量地的将逻辑封装在类的内部，对外除了提供的public方法，不对外泄漏任何信息。
问题由来：
类与类之间的关系越密切，耦合度越大，当一个类发生改变时，对另一个类的影响也越大。
解决方案：
迪米特法则包含4层含义：
1）只和朋友交流
Only talk to your immediate friends.两个对象之间的耦合就成为朋友关系。即，出现在成员变量、方法输入输出参数中的类就是朋友；局部变量不属于朋友。
--> 不与无关的对象发生耦合！
方针：不要调用从另一个方法中返回的对象中的方法！只应该调用以下方法：
- 该对象本身的方法
- 该对象中的任何组件的方法
- 方法参数中传入的对象的方法
- 方法内部实例化的对象的方法
例如：Teacher类可以命令TeamLeader对Students进行清点，则Teacher无需和Students耦合，只需和TeamLeader耦合即可。
反例：
- public float getTemp(){
- Thermometer t = station.getThermometer();
- return t.getTemp();
- }
客户端不应该了解气象站类中的温度计对象；应在气象站类中直接加入获取温度的方法。改为：
- public float getTemp(){
- return station.getTemp();
- }
2）朋友间也应该有距离
即使是朋友类之间也不能无话不说，无所不知。
--> 一个类公开的public属性或方法应该尽可能少！
3）是自己的就是自己的
如果一个方法放在本类中也可以、放在其他类中也可以，怎么办？
--> 如果一个方法放在本类中，既不增加类间关系，也对本类不产生负面影响，就放置在本类中。
4）谨慎使用Serializable
否则，若后来修改了属性，序列化时会抛异常NotSerializableException。
建议：
迪米特法则的核心观念是：类间解耦。
其结果是产生了大量中转或跳转类。
6. 开闭原则 -Open Closed Principle
Open Closed Principle:
Software entities like classes, modules and functions should be open for extension but closed for modifications.
对扩展开放，对修改关闭。一个软件实体应该通过扩展来实现变化，而不是通过修改已有代码来实现变化。
一个软件实体应该通过扩展来实现变化，而不是通过修改已有的代码来实现变化。——but，并不意味着不做任何修改；底层模块的扩展，必然要有高层模块进行耦合。
“变化”可分为三种类型：
- 逻辑变化——不涉及其他模块，可修改原有类中的方法；
- 子模块变化——会对其他模块产生影响，通过扩展来完成变化；
- 可见视图变化——界面变化，有时需要通过扩展来完成变化。
问题由来：
在软件的生命周期内，因为变化、升级和维护等原因需要对软件原有代码进行修改时，可能会给旧代码中引入错误，也可能会使我们不得不对整个功能进行重构，并且需要原有代码经过重新测试。
解决方案：
当软件需要变化时，尽量通过扩展软件实体的行为来实现变化，而不是通过修改已有的代码来实现变化。要求：
1）抽象约束（要实现对扩展开放，首要前提就是抽象约束）
通过接口或抽象类可以约束一组可能变化的行为，并能实现对扩展开放。包含三层含义：
- 通过接口或抽象类可以约束扩展，对扩展进行边界限定，不允许出现在接口抽象类中不存在的public方法；
- 参数类型、引用对象尽量使用接口或抽象类，而不是实现类；
- 抽象应尽量保持稳定，一旦确定即不允许修改。
2）元数据（metadata）控制模块行为
元数据，即用来描述环境和数据的数据，即配置数据。例如SpingContext。
3）制定项目章程
4）封装变化
封装可能发生的变化。将相同的变化封装到一个接口或抽象类中；将不同的变化封装到不同的接口或抽象类中。
好处：
- 易于单元测试
如果直接修改已有代码，则需要同时修改单元测试类；而通过扩展，则只需生成一个测试类。
- 可提高复用性
- 可提高可维护性
- 面向对象开发的要求
建议：
开闭原则是最基础的原则，前5个原则都是开闭原则的具体形态。
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