Java程序设计（面向对象）- 设计原理

单一职责

一个类，只有一个引起它变化的原因。应该只有一个职责。每一个职责都是变化的一个轴线，如果一个类有一个以上的职责，这些职责就耦合在了一起。这会导致脆弱的设计。当一个职责发生变化时，可能会影响其它的职责。另外，多个职责耦合在一起，会影响复用性。例如：要实现逻辑和界面的分离。

简单通俗的来说：一个类只负责一项职责。

问题：比如一个类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。

解决方法：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。

扩展：说到单一职责原则，其实很多人不知不觉的都在使用，即使没有学习过设计模式的人，或者没有听过单一职责原则这个概念的人也会自觉的遵守这个重要原则，因为这是一个常识，比如你去在原有的项目上开发一个新的业务功能的时候，你肯定是会从新建立一个类，来实现一个新的功能，肯定不会基于原有的A功能身上直接写B业务的功能，肯定一般都是会新写一个类来实现B功能。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。

比如：类T只负责一个职责P，这样设计是符合单一职责原则的。后来由于某种原因，也许是需求变更了，也许是程序的设计者境界提高了，需要将职责P细分为粒度更细的职责P1，P2，这时如果要使程序遵循单一职责原则，需要将类T也分解为两个类T1和T2，分别负责P1、P2两个职责。但是在程序已经写好的情况下，这样做简直太费时间了。所以，简单的修改类T，用它来负责两个职责是一个比较不错的选择，虽然这样做有悖于单一职责原则。（这样做的风险在于职责扩散的不确定性，因为我们不会想到这个职责P，在未来可能会扩散为P1，P2，P3，P4……Pn。所以记住，在职责扩散到我们无法控制的程度之前，立刻对代码进行重构。）

举例，用一个类描述动物呼吸这个场景：

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");
    }
}

运行结果：

牛呼吸空气
羊呼吸空气
猪呼吸空气

在程序拓展维护的时候发现问题了，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){
        Terrestrial terrestrial = new Terrestrial();
        terrestrial.breathe("牛");
        terrestrial.breathe("羊");
        terrestrial.breathe("猪");
        
        Aquatic aquatic = new Aquatic();
        aquatic.breathe("鱼");
    }
}

运行结果：

牛呼吸空气
羊呼吸空气
猪呼吸空气
鱼呼吸水

然后发现如果这样修改花销是很大的，不利于后期的拓展和维护，除了将原来的类分解之外，还需要修改客户端。而直接修改类Animal来达成目的虽然违背了单一职责原则，但花销却小的多，代码如下：

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");
    }
}

可以看到，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。还有一种修改方式：

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");
    }
}

可以看到，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，这样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。这三种方式各有优缺点，那么在实际编程中，采用哪一中呢？其实这真的比较难说，需要根据实际情况来确定。我的原则是：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；
比如本文所举的这个例子，它太简单了，它只有一个方法，所以，无论是在代码级别上违反单一职责原则，还是在方法级别上违反，都不会造成太大的影响。实际应用中的类都要复杂的多，一旦发生职责扩散而需要修改类时，除非这个类本身非常简单，否则还是遵循单一职责原则的好。

遵循单一职责原的优点有：

• 可以降低类的复杂度，一个类只负责一项职责，其逻辑肯定要比负责多项职责简单的多；
• 提高类的可读性，提高系统的可维护性；
• 变更引起的风险降低，变更是必然的，如果单一职责原则遵守的好，当修改一个功能时，可以显著降低对其他功能的影响。

需要说明的一点是单一职责原则不只是面向对象编程思想所特有的，只要是模块化的程序设计，都适用单一职责原则。

单一职责看似简单，实际上在实际运用过程中，会发现真的会出现很多职责扩展的现象，这个时候采用直接违反还会方法上遵循还是完全遵循单一职责原则还是取决于当前业务开发的人员的技能水平和这个需求的时间，如果技能水平不足，肯定会简单的if else 去解决，不会想什么原则，直接实现功能就好了，这也是为什么在很多小公司会发现代码都是业务堆起来的，当然也有好的小公司代码是写的好的，这个也是不可否认的。不过不管采用什么方式解决，心中至少要知道有几种解决方法。

开闭原则

开闭原则（Open Closed Principle）是Java世界里最基础的设计原则，它指导我们如何建立一个稳定的、灵活的系统。
定义：一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放，对修改关闭。
含义：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。

软件实体包括以下几个部分：

• 项目或软件产品中按照一定的逻辑规则划分的模块
• 抽象和类
• 方法

开闭原则是为软件实体的未来事物而制定的对现行开发设计进行约束的一个原则。

注意：开闭原则对扩展开放，对修改关闭，并不意味着不做任何修改，低层模块的变更，必然要有高层模块进行耦合，否则就是一个孤立无意义的代码片段了。

变化的类型：逻辑变化、子模块变化、可见试图变化。

一个项目的基本路径应该是这样的：项目开发、重构、测试、投产、运维，其中的重构可以对原有的设计和代码进行修改，运维尽量减少对原有代码修改，保持历史代码的纯洁性，提高系统的稳定性。

• 开闭原则的重要性：

  • 开闭原则对测试的影响
    开闭原则可是保持原有的测试代码仍然能够正常运行，我们只需要对扩展的代码进行测试就可以了。

  • 开闭原则可以提高复用性
    在面向对象的设计中，所有的逻辑都是从原子逻辑组合而来的，而不是在一个类中独立实现一个业务逻辑。只有这样代码才可以复用，粒度越小，被复用的可能性就越大。

  • 开闭原则可以提高可维护性

  • 面向对象开发的要求

如何使用开闭原则：

• 抽象约束
  第一，通过接口或者抽象类约束扩展，对扩展进行边界限定，不允许出现在接口或抽象类中不存在的public方法；
  第二，参数类型、引用对象尽量使用接口或者抽象类，而不是实现类；
  第三，抽象层尽量保持稳定，一旦确定即不允许修改。

• 元数据（metadata）控制模块行为
  元数据就是用来描述环境和数据的数据，通俗地说就是配置参数，参数可以从文件中获得，也可以从数据库中获得。
  Spring容器就是一个典型的元数据控制模块行为的例子，其中达到极致的就是控制反转（Inversion of Control）

• 制定项目章程
  在一个团队中，建立项目章程是非常重要的，因为章程中指定了所有人员都必须遵守的约定，对项目来说，约定优于配置。

• 封装变化
  对变化的封装包含两层含义：
  第一，将相同的变化封装到一个接口或者抽象类中；
  第二，将不同的变化封装到不同的接口或抽象类中，不应该有两个不同的变化出现在同一个接口或抽象类中。

依赖倒置原则 （Dependence Inversion Principle）

所谓依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle）就是要依赖于抽象，不要依赖于具体。实现开闭原则的关键是抽象化，并且从抽象化导出具体化实现，如果说开闭原则是面向对象设计的目标的话，那么依赖倒转原则就是面向对象设计的主要手段。

定义：高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节；细节应该依赖抽象。
通俗点说：要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合。

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。

解决方案：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。

依赖倒置原则基于这样一个事实：相对于细节的多变性，抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建起来的架构比以细节为基础搭建起来的架构要稳定的多。在java中，抽象指的是接口或者抽象类，细节就是具体的实现类，使用接口或者抽象类的目的是制定好规范和契约，而不去涉及任何具体的操作，把展现细节的任务交给他们的实现类去完成。

依赖倒置原则的核心思想是面向接口编程，我们依旧用一个例子来说明面向接口编程比相对于面向实现编程好在什么地方。
传递依赖关系有三种方式:

• 使用的方法是接口传递
• 构造方法传递
• setter方法传递

在实际编程中，我们一般需要做到如下三点：

• 低层模块尽量都要有抽象类或接口，或者两者都有。
• 变量的声明类型尽量是抽象类或接口。
• 使用继承时遵循里氏替换原则。

依赖倒置原则的核心就是要我们面向接口编程，理解了面向接口编程，也就理解了依赖倒置。

接口隔离原则 （Interface Segregation Principle）

其原则字面的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。本意降低类之间的耦合度，而设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。

原定义：客户端不应该依赖它不需要的接口；一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

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。也就是采用接口隔离原则。
如图所示：

上图就没有实现接口隔离，类B 和 类 D 中都会实现不是自己的方法。
如果接口过于臃肿，只要接口中出现的方法，不管对依赖于它的类有没有用处，实现类中都必须去实现这些方法，这显然不是好的设计。如果将这个设计修改为符合接口隔离原则，就必须对接口I进行拆分。在这里我们将原有的接口I拆分为三个接口，拆分后的设计如下图所示：

接口隔离原则的含义是：建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口，尽量细化接口，接口中的方法尽量少。也就是说，我们要为各个类建立专用的接口，而不要试图去建立一个很庞大的接口供所有依赖它的类去调用。本文例子中，将一个庞大的接口变更为3个专用的接口所采用的就是接口隔离原则。在程序设计中，依赖几个专用的接口要比依赖一个综合的接口更灵活。接口是设计时对外部设定的“契约”，通过分散定义多个接口，可以预防外来变更的扩散，提高系统的灵活性和可维护性。

说到这里，很多人会觉的接口隔离原则跟之前的单一职责原则很相似，其实不然。
其一，单一职责原则原注重的是职责；而接口隔离原则注重对接口依赖的隔离。
其二，单一职责原则主要是约束类，其次才是接口和方法，它针对的是程序中的实现和细节；而接口隔离原则主要约束接口接口，主要针对抽象，针对程序整体框架的构建。

采用接口隔离原则对接口进行约束时，要注意以下几点：

• 接口尽量小，但是要有限度。对接口进行细化可以提高程序设计灵活性是不挣的事实，但是如果过小，则会造成接口数量过多，使设计复杂化。所以一定要适度。
• 为依赖接口的类定制服务，只暴露给调用的类它需要的方法，它不需要的方法则隐藏起来。只有专注地为一个模块提供定制服务，才能建立最小的依赖关系。
• 提高内聚，减少对外交互。使接口用最少的方法去完成最多的事情。

运用接口隔离原则，一定要适度，接口设计的过大或过小都不好。设计接口的时候，只有多花些时间去思考和筹划，才能准确地实践这一原则。

合成/聚合复用原则(Composite/Aggregate Reuse Principle,CARP)

定义：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分；新的对象通过向这些对象的委派达到复用这些对象的目的。应首先使用合成/聚合，合成/聚合则使系统灵活，其次才考虑继承，达到复用的目的。而使用继承时，要严格遵循里氏代换原则。有效地使用继承会有助于对问题的理解，降低复杂度，而滥用继承会增加系统构建、维护时的难度及系统的复杂度。

如果两个类是“Has-a”关系应使用合成、聚合，如果是“Is-a”关系可使用继承。“Is-A"是严格的分类学意义上定义，意思是一个类是另一个类的"一种”。而"Has-A"则不同，它表示某一个角色具有某一项责任。

什么是合成?什么是聚合？
合成（Composition）和聚合（Aggregation）都是关联（Association）的特殊种类。
聚合表示整体和部分的关系，表示“拥有”。如奔驰S360汽车，对奔驰S360引擎、奔驰S360轮胎的关系是聚合关系，离开了奔驰S360汽车，引擎、轮胎就失去了存在的意义。在设计中, 聚合不应该频繁出现，这样会增大设计的耦合度。
合成则是一种更强的“拥有”，部分和整体的生命周期一样。合成的新的对象完全支配其组成部分，包括它们的创建和湮灭等。一个合成关系的成分对象是不能与另一个合成关系共享的。
换句话说，合成是值的聚合（Aggregation by Value），而一般说的聚合是引用的聚合（Aggregation by Reference）。
明白了合成和聚合关系，再来理解合成/聚合原则应该就清楚了，要避免在系统设计中出现，一个类的继承层次超过3层，则需考虑重构代码，或者重新设计结构。当然最好的办法就是考虑使用合成/聚合原则。

• 通过合成/聚合来进行复用的优缺点

  • 优点:
  1. 新对象存取成分对象的唯一方法是通过成分对象的接口。
  2. 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见的。
  3. 这种复用支持包装。
  4. 这种复用所需的依赖较少。
  5. 每一个新的类可以将焦点集中在一个任务上。
  6. 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。
  7. 作为复用手段可以应用到几乎任何环境中去。
  • 缺点:就是系统中会有较多的对象需要管理。

• 通过继承来进行复用的优缺点

  • 优点：
    1.新的实现较为容易，因为超类的大部分功能可以通过继承的关系自动进入子类。
    2.修改和扩展继承而来的实现较为容易。

• 缺点：

1. 继承复用破坏包装，因为继承将超类的实现细节暴露给子类。由于超类的内部细节常常是对于子类透明的，所以这种复用是透明的复用，又称“白箱”复用。
2. 如果超类发生改变，那么子类的实现也不得不发生改变。
3. 从超类继承而来的实现是静态的，不可能在运行时间内发生改变，没有足够的灵活性。
4. 继承只能在有限的环境中使用。

迪米特法则（最少知道原则） （Demeter Principle）

为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。也就是说一个软件实体应当尽可能少的与其他实体发生相互作用。这样，当一个模块修改时，就会尽量少的影响其他的模块，扩展会相对容易，这是对软件实体之间通信的限制，它要求限制软件实体之间通信的宽度和深度。

定义：一个对象应该对其他对象保持最少的了解。

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：尽量降低类与类之间的耦合。

自从我们接触编程开始，就知道了软件编程的总的原则：低耦合，高内聚。无论是面向过程编程还是面向对象编程，只有使各个模块之间的耦合尽量的低，才能提高代码的复用率。低耦合的优点不言而喻，但是怎么样编程才能做到低耦合呢？那正是迪米特法则要去完成的。

迪米特法则又叫最少知道原则，最早是在1987年由美国Northeastern University的Ian Holland提出。通俗的来讲，就是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。
迪米特法则还有一个更简单的定义：只与直接的朋友通信。首先来解释一下什么是直接的朋友：每个对象都会与其他对象有耦合关系，只要两个对象之间有耦合关系，我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多，依赖、关联、组合、聚合等。其中，我们称出现成员变量、方法参数、方法返回值中的类为直接的朋友，而出现在局部变量中的类则不是直接的朋友。也就是说，陌生的类最好不要作为局部变量的形式出现在类的内部。
迪米特法则的初衷是降低类之间的耦合，由于每个类都减少了不必要的依赖，因此的确可以降低耦合关系。但是凡事都有度，虽然可以避免与非直接的类通信，但是要通信，必然会通过一个“中介”来发生联系，例如本例中，总公司就是通过分公司这个“中介”来与分公司的员工发生联系的。过分的使用迪米特原则，会产生大量这样的中介和传递类，导致系统复杂度变大。所以在采用迪米特法则时要反复权衡，既做到结构清晰，又要高内聚低耦合。

总结

用抽象构建框架，用实现扩展细节的注意事项而已：

• 单一职责原则告诉我们实现类要职责单一；
• 里氏替换原则告诉我们不要破坏继承体系；
• 依赖倒置原则告诉我们要面向接口编程；
• 接口隔离原则告诉我们在设计接口的时候要精简单一；
• 迪米特法则告诉我们要降低耦合。
• 合成/聚合复用原则告诉我们开发程序要尽可能的简单高效；
• 开闭原则是总纲，他告诉我们要对扩展开放，对修改关闭。