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开闭原则

开闭原则

作者: 凯玲之恋 | 来源:发表于2020-04-12 20:45 被阅读0次

    对扩展开放、修改关闭

    1 如何理解“对扩展开放、修改关闭”?

    开闭原则的英文全称是 Open Closed Principle,简写为 OCP

    英文描述是:software entities (modules, classes, functions, etc.) should be open for extension , but closed for modification。

    软件实体(模块、类、方法等)应该“对扩展开放、对修改关闭”。

    添加一个新的功能应该是,在已有代码基础上扩展代码(新增模块、类、方法等),而非修改已有代码(修改模块、类、方法等)。

    1.1 API 接口监控告警的代码。

    • AlertRule 存储告警规则,可以自由设置。
    • Notification 是告警通知类,支持邮件、短信、微信、手机等多种通知渠道。
    • NotificationEmergencyLevel 表示通知的紧急程度,包括 SEVERE(严重)、URGENCY(紧急)、NORMAL(普通)、TRIVIAL(无关紧要),不同的紧急程度对应不同的发送渠道。
    
    public class Alert {
      private AlertRule rule;
      private Notification notification;
    
      public Alert(AlertRule rule, Notification notification) {
        this.rule = rule;
        this.notification = notification;
      }
    
      public void check(String api, long requestCount, long errorCount, long durationOfSeconds) {
        long tps = requestCount / durationOfSeconds;
        if (tps > rule.getMatchedRule(api).getMaxTps()) {
          notification.notify(NotificationEmergencyLevel.URGENCY, "...");
        }
        if (errorCount > rule.getMatchedRule(api).getMaxErrorCount()) {
          notification.notify(NotificationEmergencyLevel.SEVERE, "...");
        }
      }
    }
    

    上面这段代码非常简单,业务逻辑主要集中在 check() 函数中。当接口的 TPS 超过某个预先设置的最大值时,以及当接口请求出错数大于某个最大允许值时,就会触发告警,通知接口的相关负责人或者团队。

    1.2 需要添加一个功能

    当每秒钟接口超时请求个数,超过某个预先设置的最大阈值时,我们也要触发告警发送通知。

    我们该如何改动代码呢?主要的改动有两处:

    • 第一处是修改 check() 函数的入参,添加一个新的统计数据 timeoutCount,表示超时接口请求数;
    • 第二处是在 check() 函数中添加新的告警逻辑
    
    public class Alert {
      // ...省略AlertRule/Notification属性和构造函数...
      
      // 改动一:添加参数timeoutCount
      public void check(String api, long requestCount, long errorCount, long timeoutCount, long durationOfSeconds) {
        long tps = requestCount / durationOfSeconds;
        if (tps > rule.getMatchedRule(api).getMaxTps()) {
          notification.notify(NotificationEmergencyLevel.URGENCY, "...");
        }
        if (errorCount > rule.getMatchedRule(api).getMaxErrorCount()) {
          notification.notify(NotificationEmergencyLevel.SEVERE, "...");
        }
        // 改动二:添加接口超时处理逻辑
        long timeoutTps = timeoutCount / durationOfSeconds;
        if (timeoutTps > rule.getMatchedRule(api).getMaxTimeoutTps()) {
          notification.notify(NotificationEmergencyLevel.URGENCY, "...");
        }
      }
    }
    

    这样的代码修改实际上存在挺多问题的。

    • 一方面,我们对接口进行了修改,这就意味着调用这个接口的代码都要做相应的修改。
    • 另一方面,修改了 check() 函数,相应的单元测试都需要修改

    上面的代码改动是基于“修改”的方式来实现新功能的

    1.3 先重构一下之前的 Alert 代码

    重构的内容主要包含两部分:

    • 第一部分是将 check() 函数的多个入参封装成 ApiStatInfo 类;
    • 第二部分是引入 handler 的概念,将 if 判断逻辑分散在各个 handler 中。
    
    public class Alert {
      private List<AlertHandler> alertHandlers = new ArrayList<>();
      
      public void addAlertHandler(AlertHandler alertHandler) {
        this.alertHandlers.add(alertHandler);
      }
    
      public void check(ApiStatInfo apiStatInfo) {
        for (AlertHandler handler : alertHandlers) {
          handler.check(apiStatInfo);
        }
      }
    }
    
    public class ApiStatInfo {//省略constructor/getter/setter方法
      private String api;
      private long requestCount;
      private long errorCount;
      private long durationOfSeconds;
    }
    
    public abstract class AlertHandler {
      protected AlertRule rule;
      protected Notification notification;
      public AlertHandler(AlertRule rule, Notification notification) {
        this.rule = rule;
        this.notification = notification;
      }
      public abstract void check(ApiStatInfo apiStatInfo);
    }
    
    public class TpsAlertHandler extends AlertHandler {
      public TpsAlertHandler(AlertRule rule, Notification notification) {
        super(rule, notification);
      }
    
      @Override
      public void check(ApiStatInfo apiStatInfo) {
        long tps = apiStatInfo.getRequestCount()/ apiStatInfo.getDurationOfSeconds();
        if (tps > rule.getMatchedRule(apiStatInfo.getApi()).getMaxTps()) {
          notification.notify(NotificationEmergencyLevel.URGENCY, "...");
        }
      }
    }
    
    public class ErrorAlertHandler extends AlertHandler {
      public ErrorAlertHandler(AlertRule rule, Notification notification){
        super(rule, notification);
      }
    
      @Override
      public void check(ApiStatInfo apiStatInfo) {
        if (apiStatInfo.getErrorCount() > rule.getMatchedRule(apiStatInfo.getApi()).getMaxErrorCount()) {
          notification.notify(NotificationEmergencyLevel.SEVERE, "...");
        }
      }
    }
    

    其中,ApplicationContext 是一个单例类,负责 Alert 的创建、组装(alertRule 和 notification 的依赖注入)、初始化(添加 handlers)工作。

    
    public class ApplicationContext {
      private AlertRule alertRule;
      private Notification notification;
      private Alert alert;
      
      public void initializeBeans() {
        alertRule = new AlertRule(/*.省略参数.*/); //省略一些初始化代码
        notification = new Notification(/*.省略参数.*/); //省略一些初始化代码
        alert = new Alert();
        alert.addAlertHandler(new TpsAlertHandler(alertRule, notification));
        alert.addAlertHandler(new ErrorAlertHandler(alertRule, notification));
      }
      public Alert getAlert() { return alert; }
    
      // 饿汉式单例
      private static final ApplicationContext instance = new ApplicationContext();
      private ApplicationContext() {
        instance.initializeBeans();
      }
      public static ApplicationContext getInstance() {
        return instance;
      }
    }
    
    public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
        ApiStatInfo apiStatInfo = new ApiStatInfo();
        // ...省略设置apiStatInfo数据值的代码
        ApplicationContext.getInstance().getAlert().check(apiStatInfo);
      }
    }
    

    1.4 如何改动代码

    基于重构之后的代码,如果再添加上面讲到的那个新功能,每秒钟接口超时请求个数超过某个最大阈值就告警,我们又该如何改动代码呢?主要的改动有下面四处。

    • 第一处改动是:在 ApiStatInfo 类中添加新的属性 timeoutCount。
    • 第二处改动是:添加新的 TimeoutAlertHander 类。
    • 第三处改动是:在 ApplicationContext 类的 initializeBeans() 方法中,往 alert 对象中注册新的 timeoutAlertHandler。
    • 第四处改动是:在使用 Alert 类的时候,需要给 check() 函数的入参 apiStatInfo 对象设置 timeoutCount 的值。
    
    public class Alert { // 代码未改动... }
    public class ApiStatInfo {//省略constructor/getter/setter方法
      private String api;
      private long requestCount;
      private long errorCount;
      private long durationOfSeconds;
      private long timeoutCount; // 改动一:添加新字段
    }
    public abstract class AlertHandler { //代码未改动... }
    public class TpsAlertHandler extends AlertHandler {//代码未改动...}
    public class ErrorAlertHandler extends AlertHandler {//代码未改动...}
    // 改动二:添加新的handler
    public class TimeoutAlertHandler extends AlertHandler {//省略代码...}
    
    public class ApplicationContext {
      private AlertRule alertRule;
      private Notification notification;
      private Alert alert;
      
      public void initializeBeans() {
        alertRule = new AlertRule(/*.省略参数.*/); //省略一些初始化代码
        notification = new Notification(/*.省略参数.*/); //省略一些初始化代码
        alert = new Alert();
        alert.addAlertHandler(new TpsAlertHandler(alertRule, notification));
        alert.addAlertHandler(new ErrorAlertHandler(alertRule, notification));
        // 改动三:注册handler
        alert.addAlertHandler(new TimeoutAlertHandler(alertRule, notification));
      }
      //...省略其他未改动代码...
    }
    
    public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
        ApiStatInfo apiStatInfo = new ApiStatInfo();
        // ...省略apiStatInfo的set字段代码
        apiStatInfo.setTimeoutCount(289); // 改动四:设置tiemoutCount值
        ApplicationContext.getInstance().getAlert().check(apiStatInfo);
    }
    

    2 修改代码就意味着违背开闭原则吗?

    在添加新的告警逻辑的时候,尽管改动二(添加新的 handler 类)是基于扩展而非修改的方式来完成的,但改动一、三、四貌似不是基于扩展而是基于修改的方式来完成的,那改动一、三、四不就违背了开闭原则吗?

    2.1 改动一:往 ApiStatInfo 类中添加新的属性 timeoutCount

    开闭原则的定义:软件实体(模块、类、方法等)应该“对扩展开放、对修改关闭”。

    开闭原则可以应用在不同粒度的代码中,可以是模块,也可以类,还可以是方法(及其属性)

    同样一个代码改动,在粗代码粒度下,被认定为“修改”,在细代码粒度下,又可以被认定为“扩展”

    改动一,添加属性和方法相当于修改类,在类这个层面,这个代码改动可以被认定为“修改”;但这个代码改动并没有修改已有的属性和方法,在方法(及其属性)这一层面,它又可以被认定为“扩展”。

    实际上,我们也没必要纠结某个代码改动是“修改”还是“扩展”,更没必要太纠结它是否违反“开闭原则”。我们回到这条原则的设计初衷:只要它没有破坏原有的代码的正常运行,没有破坏原有的单元测试,我们就可以说,这是一个合格的代码改动

    2.2 改动三和改动四

    在 ApplicationContext 类的 initializeBeans() 方法中,往 alert 对象中注册新的 timeoutAlertHandler;

    在使用 Alert 类的时候,需要给 check() 函数的入参 apiStatInfo 对象设置 timeoutCount 的值。

    这两处改动都是在方法内部进行的,不管从哪个层面(模块、类、方法)来讲,都不能算是“扩展”,而是地地道道的“修改”。

    不过,有些修改是在所难免的,是可以被接受的。

    在重构之后的 Alert 代码中,我们的核心逻辑集中在 Alert 类及其各个 handler 中,当我们在添加新的告警逻辑的时候,Alert 类完全不需要修改,而只需要扩展一个新 handler 类。

    如果我们把 Alert 类及各个 handler 类合起来看作一个“模块”,那模块本身在添加新的功能的时候,完全满足开闭原则

    而且,我们要认识到,添加一个新功能,不可能任何模块、类、方法的代码都不“修改”,这个是做不到的

    类需要创建、组装、并且做一些初始化操作,才能构建成可运行的的程序,这部分代码的修改是在所难免的。

    我们要做的是尽量让修改操作更集中、更少、更上层,尽量让最核心、最复杂的那部分逻辑代码满足开闭原则。

    3 如何做到“对扩展开放、修改关闭”?

    理论知识和实战经验

    如果某段代码在应对未来需求变化的时候,能够做到“对扩展开放、对修改关闭”,那就说明这段代码的扩展性比较好。

    为了尽量写出扩展性好的代码,我们要时刻具备扩展意识、抽象意识、封装意识。

    我们要多花点时间往前多思考一下,这段代码未来可能有哪些需求变更、如何设计代码结构,事先留好扩展点*,以便在未来需求变更的时候,不需要改动代码整体结构、做到最小代码改动的情况下,新的代码能够很灵活地插入到扩展点上,做到“对扩展开放、对修改关闭”。

    • 识别出代码可变部分和不可变部分之后,
    • 可变部分封装起来,隔离变化
    • 提供抽象化的不可变接口,给上层系统使用。

    当具体的实现发生变化的时候,我们只需要基于相同的抽象接口,扩展一个新的实现,替换掉老的实现即可,上游系统的代码几乎不需要修改。

    4、 支持开闭原则的一些更加具体的方法论。

    最常用来提高代码扩展性的方法有:多态、依赖注入、基于接口而非实现编程,以及大部分的设计模式(比如,装饰、策略、模板、职责链、状态等)

    
    // 这一部分体现了抽象意识
    public interface MessageQueue { //... }
    public class KafkaMessageQueue implements MessageQueue { //... }
    public class RocketMQMessageQueue implements MessageQueue {//...}
    
    public interface MessageFormatter { //... }
    public class JsonMessageFormatter implements MessageFormatter {//...}
    public class MessageFormatter implements MessageFormatter {//...}
    
    public class Demo {
      private MessageQueue msgQueue; // 基于接口而非实现编程
      public Demo(MessageQueue msgQueue) { // 依赖注入
        this.msgQueue = msgQueue;
      }
      
      // msgFormatter:多态、依赖注入
      public void sendNotification(Notification notification, MessageFormatter msgFormatter) {
        //...    
      }
    }
    

    5 如何在项目中灵活应用开闭原则?

    • 如果你开发的是一个业务导向的系统,比如金融系统、电商系统、物流系统等,要想识别出尽可能多的扩展点,就要对业务有足够的了解,能够知道当下以及未来可能要支持的业务需求。
    • 如果你开发的是跟业务无关的、通用的、偏底层的系统,比如,框架、组件、类库,你需要了解“它们会被如何使用?今后你打算添加哪些功能?使用者未来会有哪些更多的功能需求?”等问题。

    唯一不变的只有变化本身

    • 即便我们对业务、对系统有足够的了解,那也不可能识别出所有的扩展点
    • 即便你能识别出所有的扩展点,为这些地方都预留扩展点,这样做的成本也是不可接受的。我们没必要为一些遥远的、不一定发生的需求去提前买单,做过度设计。

    最合理的做法是,对于一些比较确定的、短期内可能就会扩展,或者需求改动对代码结构影响比较大的情况,或者实现成本不高的扩展点,在编写代码的时候之后,我们就可以事先做些扩展性设计。

    而且,开闭原则也并不是免费的。有些情况下,代码的扩展性会跟可读性相冲突

    对代码进行了重构,重构之后的代码要比之前的代码复杂很多,理解起来也更加有难度。很多时候,我们都需要在扩展性和可读性之间做权衡。

    在某些场景下,代码的扩展性很重要,我们就可以适当地牺牲一些代码的可读性;在另一些场景下,代码的可读性更加重要,那我们就适当地牺牲一些代码的可扩展性。

    参考

    16 | 理论二:如何做到“对扩展开放、修改关闭”?扩展和修改各指什么?

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