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面向对象设计原则

面向对象设计原则

作者: badcyc | 来源:发表于2017-11-13 19:48 被阅读0次

    面向对象的3个基本要素:

    封装、继承、多态

    面向对象的5个基本设计原则:

    单一职责原则(Single-Resposibility Principle)

    其核心思想为:
    

    一个类,最好只做一件事,只有一个引起它的变化。

    单一职责原则可以看做是低耦合、高内聚在面向对象原则上的引申,将职责定义为引起变化的原因,以提高内聚性来减少引起变化的原因。职责过多,可能引起它变化的原因就越多,这将导致职责依赖,相互之间就产生影响,从而大大损伤其内聚性和耦合度。通常意义下的单一职责,就是指只有一种单一功能,不要为类实现过多的功能点,以保证实体只有一个引起它变化的原因。

    专注,是一个人优良的品质;同样的,单一也是一个类的优良设计。交杂不清的职责将使得代码看起来特别别扭牵一发而动全身,有失美感和必然导致丑陋的系统错误风险。

    开放封闭原则(Open-Closed principle)

    其核心思想是:软件实体应该是可扩展的,而不可修改的。也就是,
    

    对扩展开放,对修改封闭的。

    开放封闭原则主要体现在两个方面1、对扩展开放,意味着有新的需求或变化时,可以对现有代码进行扩展,以适应新的情况。2、对修改封闭,意味着类一旦设计完成,就可以独立完成其工作,而不要对其进行任何尝试的修改。

    实现开开放封闭原则的核心思想就是对抽象编程,而不对具体编程,因为抽象相对稳定。让类依赖于固定的抽象,所以修改就是封闭的;而通过面向对象的继承和多态机制,又可以实现对抽象类的继承,通过覆写其方法来改变固有行为,实现新的拓展方法,所以就是开放的。

    “需求总是变化”没有不变的软件,所以就需要用封闭开放原则来封闭变化满足需求,同时还能保持软件内部的封装体系稳定,不被需求的变化影响。

    Liskov替换原则(Liskov-Substituion Principle)

    其核心思想是:
    

    子类必须能够替换其基类。

    这一思想体现为对继承机制的约束规范,只有子类能够替换基类时,才能保证系统在运行期内识别子类,这是保证继承复用的基础。在父类和子类的具体行为中,必须严格把握继承层次中的关系和特征,将基类替换为子类,程序的行为不会发生任何变化。同时,这一约束反过来则是不成立的,子类可以替换基类,但是基类不一定能替换子类。

    Liskov替换原则,主要着眼于对抽象和多态建立在继承的基础上,因此只有遵循了Liskov替换原则,才能保证继承复用是可靠地。实现的方法是面向接口编程:将公共部分抽象为基类接口或抽象类,通过Extract Abstract Class,在子类中通过覆写父类的方法实现新的方式支持同样的职责。

    Liskov替换原则是关于继承机制的设计原则,违反了Liskov替换原则就必然导致违反开放封闭原则。

    Liskov替换原则能够保证系统具有良好的拓展性,同时实现基于多态的抽象机制,能够减少代码冗余,避免运行期的类型判别。

    依赖倒置原则(Dependecy-Inversion Principle)

    其核心思想是:
    

    依赖于抽象。

    具体而言就是高层模块不依赖于底层模块,二者都同依赖于抽象;抽象不依赖于具体,具体依赖于抽象。

    我们知道,依赖一定会存在于类与类、模块与模块之间。当两个模块之间存在紧密的耦合关系时,最好的方法就是分离接口和实现:在依赖之间定义一个抽象的接口使得高层模块调用接口,而底层模块实现接口的定义,以此来有效控制耦合关系,达到依赖于抽象的设计目标。

    抽象的稳定性决定了系统的稳定性,因为抽象是不变的,依赖于抽象是面向对象设计的精髓,也是依赖倒置原则的核心。

    依赖于抽象是一个通用的原则,而某些时候依赖于细节则是在所难免的,必须权衡在抽象和具体之间的取舍,方法不是一层不变的。依赖于抽象,就是对接口编程,不要对实现编程。

    接口隔离原则(Interface-Segregation Principle)

    其核心思想是:
    

    使用多个小的专门的接口,而不要使用一个大的总接口。

    具体而言,接口隔离原则体现在:接口应该是内聚的,应该避免“胖”接口。一个类对另外一个类的依赖应该建立在最小的接口上,不要强迫依赖不用的方法,这是一种接口污染。

    接口有效地将细节和抽象隔离,体现了对抽象编程的一切好处,接口隔离强调接口的单一性。而胖接口存在明显的弊端,会导致实现的类型必须完全实现接口的所有方法、属性等;而某些时候,实现类型并非需要所有的接口定义,在设计上这是“浪费”,而且在实施上这会带来潜在的问题,对胖接口的修改将导致一连串的客户端程序需要修改,有时候这是一种灾难。在这种情况下,将胖接口分解为多个特点的定制化方法,使得客户端仅仅依赖于它们的实际调用的方法,从而解除了客户端不会依赖于它们不用的方法。

    分离的手段主要有以下两种:1、委托分离,通过增加一个新的类型来委托客户的请求,隔离客户和接口的直接依赖,但是会增加系统的开销。2、多重继承分离,通过接口多继承来实现客户的需求,这种方式是较好的。

    下面进行一一详细介绍。

    SRP--Single-Responsibility Principle

    一、SRP简介(SRP--Single-Responsibility Principle):

    就一个类而言,应该只专注于做一件事和仅有一个引起它变化的原因。

    所谓职责,我们可以理解他为功能,就是设计的这个类功能应该只有一个,而不是两个或更多。也可以理解为引用变化的原因,当你发现有两个变化会要求我们修改这个类,那么你就要考虑撤分这个类了。因为职责是变化的一个轴线,当需求变化时,该变化会反映类的职责的变化。

    “就像一个人身兼数职,而这些事情相互关联不大,,甚至有冲突,那他就无法很好的解决这些职责,应该分到不同的人身上去做才对。”

    二、举例说明:

    违反SRP原则代码:

    modem接口明显具有两个职责:连接管理和数据通讯;

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

    如果应用程序变化影响连接函数,那么就需要重构:

    interface DataChannel{  
        public void send(char c);  
        public void recv();  
    }  
    interface Connection{  
        public void dial(string pno);  
        public void hangup();  
    }  
    

    三、SRP优点:

    消除耦合,减小因需求变化引起代码僵化性臭味

    四、使用SRP注意点:

    1、一个合理的类,应该仅有一个引起它变化的原因,即单一职责;

    2、在没有变化征兆的情况下应用SRP或其他原则是不明智的;

    3、在需求实际发生变化时就应该应用SRP等原则来重构代码;

    4、使用测试驱动开发会迫使我们在设计出现臭味之前分离不合理代码;

    5、如果测试不能迫使职责分离,僵化性和脆弱性的臭味会变得很强烈,那就应该用Facade或Proxy模式对代码重构;

    OCP--Open-Closed Principle

    一、OCP简介(OCP--Open-Closed Principle):

    Software entities(classes,modules,functions,etc.) should be open for extension, but closed for modification。

    软件实体应当对扩展开放,对修改关闭,即软件实体应当在不修改(在.Net当中可能通过代理模式来达到这个目的)的前提下扩展。

    Open for extension:当新需求出现的时候,可以通过扩展现有模型达到目的。

    Close for modification:对已有的二进制代码,如dll,jar等,则不允许做任何修改。

    二、OCP举例:

    1、例子一

    假如我们要写一个工资税类,工资税在不同国家有不同计算规则,如果我们不坚持OCP,直接写一个类封装工资税的算税方法,而每个国家对工资税的具体实现细节是不尽相同的!如果我们允许修改,即把现在系统需要的所有工资税(中国工资税、美国工资税等)都放在一个类里实现,谁也不能保证未来系统不会被卖到日本,一旦出现新的工资税,而在软件中必须要实现这种工资税,这个时候我们能做的只有找出这个类文件,在每个方法里加上日本税的实现细节并重新编译成DLL!虽然在.NET的运行环境中,我们只要将新的DLL覆盖到原有的DLL即可,并不影响现有程序的正常运行,但每次出现新情况都要找出类文件,添加新的实现细节,这个类文件不断扩大,以后维护起来就变的越来越困难,也并不满足我们以前说的单一职责原则(SRP),因为不同国家的工资税变化都会引起对这个类的改变动机!如果我们在设计这个类的时候坚持了OCP的话,把工资税的公共方法抽象出来做成一个接口,封闭修改,在客户端(使用该接口的类对象)只依赖这个接口来实现对自己所需要的工资税,以后如果系统需要增加新的工资税,只要扩展一个具体国家的工资税实现我们先前定义的接口,就可以正常使用,而不必重新修改原有类文件!

    2、例子二

    下面这个例子就是既不开放也不封闭的,因为Client和Server都是具体类,如果我要Client使用不同的一个Server类那就要修改Client类中所有使用Server类的地方为新的Server类。

    Java代码
    class Client{  
       Server server;  
       void GetMessage(){  
          server.Message();  
       }  
    }  
       
    class Server{  
       void Message();  
    }  
    

    下面为修改后符合OCP原则的实现,我们看到Server类是从ClientInterface继承的,不过ClientInterface却不叫ServerInterface,原因是我们希望对Client来说ClientInterface是固定下来的,变化的只是Server。这实际上就变成了一种策略模式(Gof Strategy)

    Java代码

    interface ClientInterface{  
        public void Message();  
        //Other functions  
    }  
       
    class Server:ClientInterface{  
        public void Message();  
    }  
       
    class Client {  
       ClientInterface ci;  
       public void GetMessage(){  
           ci.Message();  
       }  
       public void Client(ClientInterface paramCi){  
           ci=paramCi;  
       }  
    }  
       
    //那么在主函数(或主控端)则  
    public static void Main(){  
       ClientInterface ci = new Server();  
       //在上面如果有新的Server类只要替换Server()就行了.  
       Client client = new Client(ci);  
       client.GetMessage();  
    }  
    
    

    3、例子三

    使用Template Method实现OCP:

    public abstract class Policy{  
        private int[] i ={ 1, 1234, 1234, 1234, 132 };  
        public bool Sort(){  
            SortImp();  
        }  
        protected virtual bool SortImp(){  
       
        }  
    }  
       
    class Bubbleimp : Policy{  
        protected override bool SortImp(){  
            //冒泡排序  
        }  
    }  
    class Bintreeimp : Policy{  
        protected override bool SortImp(){  
            //二分法排序  
        }  
    }  
       
    //主函数中实现  
    static void Main(string[] args){  
        //如果要使用冒泡排序,只要把下面的Bintreeimp改为Bubbleimp  
        Policy sort = new Bintreeimp();  
        sort.Sort();  
    }  
    

    三、OCP优点:

    1、降低程序各部分之间的耦合性,使程序模块互换成为可能;

    2、使软件各部分便于单元测试,通过编制与接口一致的模拟类(Mock),可以很容易地实现软件各部分的单元测试;

    3、利于实现软件的模块的呼唤,软件升级时可以只部署发生变化的部分,而不会影响其它部分;

    四、使用OCP注意点:

    1、实现OCP原则的关键是抽象;

    2、两种安全的实现开闭原则的设计模式是:Strategy pattern(策略模式),Template Methord(模版方法模式);

    3、依据开闭原则,我们尽量不要修改类,只扩展类,但在有些情况下会出现一些比较怪异的状况,这时可以采用几个类进行组合来完成;

    4、将可能发生变化的部分封装成一个对象,如: 状态, 消息,,算法,数据结构等等 , 封装变化是实现"开闭原则"的一个重要手段,如经常发生变化的状态值,如温度,气压,颜色,积分,排名等等,可以将这些作为独立的属性,如果参数之间有关系,有必要进行抽象。对于行为,如果是基本不变的,则可以直接作为对象的方法,否则考虑抽象或者封装这些行为;

    5、在许多方面,OCP是面向对象设计的核心所在。遵循这个原则可带来面向对象技术所声称的巨大好处(灵活性、可重用性以及可维护性)。然而,对于应用程序的每个部分都肆意地进行抽象并不是一个好主意。应该仅仅对程序中呈现出频繁变化的那部分作出抽象。拒绝不成熟的抽象和抽象本身一样重要;

    LSP--Liskov Substitution Principle

    一、LSP简介(LSP--Liskov Substitution Principle):

    定义:如果对于类型S的每一个对象o1,都有一个类型T的对象o2,使对于任意用类型T定义的程序P,将o2替换为o1,P的行为保持不变,则称S为T的一个子类型。

    子类型必须能够替换它的基类型。LSP又称里氏替换原则。

    对于这个原则,通俗一些的理解就是,父类的方法都要在子类中实现或者重写。

    二、举例说明:

    对于依赖倒置原则,说的是父类不能依赖子类,它们都要依赖抽象类。这种依赖是我们实现代码扩展和运行期内绑定(多态)的基础。因为一旦类的使用者依赖某个具体的类,那么对该依赖的扩展就无从谈起;而依赖某个抽象类,则只要实现了该抽象类的子类,都可以被类的使用者使用,从而实现了系统的扩展。

    但是,光有依赖倒置原则,并不一定就使我们的代码真正具有良好的扩展性和运行期内绑定。请看下面的代码:

    public class Animal{  
        private string name;  
        public Animal(string name){  
            this.name = name;  
        }  
        public void Description(){  
            Console.WriteLine("This is a(an) " + name);  
        }  
    }  
       
    //下面是它的子类猫类:  
    public class Cat : Animal{  
        public Cat(string name){  
              
        }  
        public void Mew(){  
            Console.WriteLine("The cat is saying like 'mew'");  
        }  
    }  
       
    //下面是它的子类狗类:  
    public class Dog : Animal{  
        public Dog(string name){  
       
        }  
        public void Bark(){  
            Console.WriteLine("The dog is saying like 'bark'");  
        }  
    }  
       
    //最后,我们来看客户端的调用:  
    public void DecriptionTheAnimal(Animal animal){  
        if (typeof(animal) is Cat){  
            Cat cat = (Cat)animal;  
            Cat.Decription();  
            Cat.Mew();  
        }  
        else if (typeof(animal) is Dog){  
            Dog dog = (Dog)animal;  
            Dog.Decription();  
            Dog.Bark();  
        }  
    }  
    
    
    

    通过上面的代码,我们可以看到虽然客户端的依赖是对抽象的依赖,但依然这个设计的扩展性不好,运行期绑定没有实现。

    是什么原因呢?其实就是因为不满足里氏替换原则,子类如Cat有Mew()方法父类根本没有,Dog类有Bark()方法父类也没有,两个子类都不能替换父类。这样导致了系统的扩展性不好和没有实现运行期内绑定。

    现在看来,一个系统或子系统要拥有良好的扩展性和实现运行期内绑定,有两个必要条件:第一是依赖倒置原则;第二是里氏替换原则。这两个原则缺一不可。

    我们知道,在我们的大多数的模式中,我们都有一个共同的接口,然后子类和扩展类都去实现该接口。

    下面是一段原始代码:

    if(action.Equals(“add”)){  
      //do add action  
    }  
    else if(action.Equals(“view”)){  
      //do view action  
    }  
    else if(action.Equals(“delete”)){  
      //do delete action  
    }  
    else if(action.Equals(“modify”)){  
      //do modify action  
    }  
    
    

    我们首先想到的是把这些动作分离出来,就可能写出如下的代码:

    public class AddAction{  
        public void add(){  
            //do add action  
        }  
    }  
    public class ViewAction{  
        public void view(){  
            //do view action  
        }  
    }  
    public class deleteAction{  
        public void delete(){  
            //do delete action  
        }  
    }  
    public class ModifyAction{  
        public void modify(){  
            //do modify action  
        }  
    }  
    

    我们可以看到,这样代码将各个行为独立出来,满足了单一职责原则,但这远远不够,因为它不满足依赖颠倒原则和里氏替换原则。

    下面我们来看看命令模式对该问题的解决方法:

    public interface Action{  
        public void doAction();  
    }  
    //然后是各个实现:  
    public class AddAction : Action{  
        public void doAction(){  
            //do add action  
        }  
    }  
    public class ViewAction : Action{  
        public void doAction(){  
            //do view action  
        }  
    }  
    public class deleteAction : Action{  
        public void doAction(){  
            //do delete action  
        }  
    }  
    public class ModifyAction : Action{  
        public void doAction(){  
            //do modify action  
        }  
    }  
    //这样,客户端的调用大概如下:  
    public void execute(Action action){  
        action.doAction();  
    }  
    

    看,上面的客户端代码再也没有出现过typeof这样的语句,扩展性良好,也有了运行期内绑定的优点。

    三、LSP优点:

    1、保证系统或子系统有良好的扩展性。只有子类能够完全替换父类,才能保证系统或子系统在运行期内识别子类就可以了,因而使得系统或子系统有了良好的扩展性。

    2、实现运行期内绑定,即保证了面向对象多态性的顺利进行。这节省了大量的代码重复或冗余。避免了类似instanceof这样的语句,或者getClass()这样的语句,这些语句是面向对象所忌讳的。

    3、有利于实现契约式编程。契约式编程有利于系统的分析和设计,指我们在分析和设计的时候,定义好系统的接口,然后再编码的时候实现这些接口即可。在父类里定义好子类需要实现的功能,而子类只要实现这些功能即可。

    四、使用LSP注意点:

    1、此原则和OCP的作用有点类似,其实这些面向对象的基本原则就2条:1:面向接口编程,而不是面向实现;2:用组合而不主张用继承

    2、LSP是保证OCP的重要原则

    3、这些基本的原则在实现方法上也有个共同层次,就是使用中间接口层,以此来达到类对象的低偶合,也就是抽象偶合!

    4、派生类的退化函数:派生类的某些函数退化(变得没有用处),Base的使用者不知道不能调用f,会导致替换违规。在派生类中存在退化函数并不总是表示违反了LSP,但是当存在这种情况时,应该引起注意。

    5、从派生类抛出异常:如果在派生类的方法中添加了其基类不会抛出的异常。如果基类的使用者不期望这些异常,那么把他们添加到派生类的方法中就可以能会导致不可替换性。

    DIP--Dependency Inversion Principle

    一、DIP简介(DIP--Dependency Inversion Principle):

    1、高层模块不应该依赖于低层模块,二者都应该依赖于抽象。

    2、抽象不应该依赖于细节,细节应该依赖于抽象。

    高层模块包含了一个应该程序中的重要的策略选择和业务模型,正是这些高层模块才使得其所有的应用程序区别于其他,如果高层依赖于低层,那么对低层模块的改动就会直接影响到高层模块,从而迫使它们依次做出改动。

    二、举例说明:

    反面例子:

    image

    缺点:耦合太紧密,Light发生变化将影响ToggleSwitch。

    解决办法一:

    将Light作成Abstract,然后具体类继承自Light。

    image

    优点:ToggleSwitch依赖于抽象类Light,具有更高的稳定性,而BulbLight与TubeLight继承自Light,可以根据"开放-封闭"原则进行扩展。只要Light不发生变化,BulbLight与TubeLight的变化就不会波及ToggleSwitch。

    缺点:如果用ToggleSwitch控制一台电视就很困难了。总不能让TV继承自Light吧。

    解决方法二:

    image

    优点:更为通用、更为稳定。

    三、DIP优点:

    使用传统过程化程序设计所创建的依赖关系,策略依赖于细节,这是糟糕的,因为策略受到细节改变的影响。依赖倒置原则使细节和策略都依赖于抽象,抽象的稳定性决定了系统的稳定性。

    四、启发式规则:

    1、任何变量都不应该持有一个指向具体类的指针或者引用

    2、任何类都不应该从具体类派生(始于抽象,来自具体)

    3、任何方法都不应该覆写它的任何基类中的已经实现了的方法

    ISP--Interface Segregation Principle

    一、ISP简介(ISP--Interface Segregation Principle):

    使用多个专门的接口比使用单一的总接口要好。

    一个类对另外一个类的依赖性应当是建立在最小的接口上的。

    一个接口代表一个角色,不应当将不同的角色都交给一个接口。没有关系的接口合并在一起,形成一个臃肿的大接口,这是对角色和接口的污染。

    “不应该强迫客户依赖于它们不用的方法。接口属于客户,不属于它所在的类层次结构。”这个说得很明白了,再通俗点说,不要强迫客户使用它们不用的方法,如果强迫用户使用它们不使用的方法,那么这些客户就会面临由于这些不使用的方法的改变所带来的改变。

    二、举例说明:

    参考下图的设计,在这个设计里,取款、存款、转帐都使用一个通用界面接口,也就是说,每一个类都被强迫依赖了另两个类的接口方法,那么每个类有可能因为另外两个类的方法(跟自己无关)而被影响。拿取款来说,它根本不关心“存款操作”和“转帐操作”,可是它却要受到这两个方法的变化的影响。

    image

    那么我们该如何解决这个问题呢?参考下图的设计,为每个类都单独设计专门的操作接口,使得它们只依赖于它们关系的方法,这样就不会互相影了!

    image

    三、实现方法:

    1、使用委托分离接口

    2、使用多重继承分离接口

    以上就是5个基本的面向对象设计原则,它们就像面向对象程序设计中的金科玉律,遵守它们可以使我们的代码更加鲜活,易于复用,易于拓展,灵活优雅。不同的设计模式对应不同的需求,而设计原则则代表永恒的灵魂,需要在实践中时时刻刻地遵守。就如ARTHUR J.RIEL在那边《OOD启示录》中所说的:“你并不必严格遵守这些原则,违背它们也不会被处以宗教刑罚。但你应当把这些原则看做警铃,若违背了其中的一条,那么警铃就会响起。”

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