做好软件开发的扩展性,必须了解的六大设计原则

我们常说软件开发要尽量具有良好的可扩展性,做到高内聚低耦合。那么究竟该如何实现呢?在面向对象软件设计领域有一系列大家所认可的设计原则,依据这些原则来设计软件,就可以让软件有很好的可扩展性,其中最重要的一条原则就是开闭原则,其他原则可以说都是以开闭原则为基础的。

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开闭原则是软件设计原则的基础

开闭原则

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Bertrand Meyer

开闭原则(Open-Closed Principle, OCP)是最重要的面向对象设计原则,由Bertrand Meyer于1988年提出:

一个软件实体应当对扩展开放,对修改关闭。

软件实体应尽量在不修改原有代码的情况下进行扩展。

其中软件实体可以是指一个软件模块、一个由多个类组成的结构或者是一个独立的类。

任何软件都面临一个问题,就是它们的需求会随着时间的推移而发生变化。当软件系统要面对新的需求时,应当尽量保证系统的整体框架是稳定的,不会有大的改变。

如果一个软件设计符合开闭原则,那么就比较容易对系统进行扩展,软件系统在具有适应性和灵活性的同时,也具备较好的稳定性和延续性。

为了满足开闭原则,需要对系统进行抽象化设计,抽象化是开闭原则的关键。在Java、C#、C++等OOP编程语言中,都提供了接口、抽象类等抽象化的语言机制,通过它们可以定义软件的抽象层,再通过具体的实现类来扩展。如果要修改系统的行为,无须对抽象层进行任何改动,只需要增加新的具体类来实现新的功能即可。

单一职责原则

单一职责原则(SRP:Single Responsibility Principle)是最简单的面向对象设计原则,它用于控制类的粒度大小。定义如下:

一个类只负责一个功能领域中的职责,或者可以这样说,就一个类而言,应该只有一个引起它变化的原因。

在软件系统中,一个类承担的功能越多,被复用的可能性就越小,这些功能耦合在一起,当其中一个发生变化时,还可能会影响其他功能。因此要将功能分离,除非多个功能总是同时发生变化,才可将它们封装在同一个类中。

单一职责原则是实现高内聚、低耦合的指导方针,它是最简单但又最难运用的原则,需要设计人员具有较强的分析设计能力和实践经验。这个原则不仅是针对类的设计,在微服务架构中,同样适用于服务的功能划分。不要把不相关领域的功能都放在同一个服务中。

里氏替换原则

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图灵奖得主Barbara Liskov教授

里氏代换原则(LSP: Liskov Substitution Principle)由2008年图灵奖得主Barbara Liskov教授和卡内基·梅隆大学Jeannette Wing教授于1994年提出。其定义如下:

所有引用基类(父类)的地方必须能透明地使用其子类的对象。

里氏代换原则要求:在软件中将一个基类对象替换成它的子类对象,程序将不会产生任何错误和异常,但反过来则不成立。

由于使用基类对象的地方都可以使用子类对象,因此在程序中尽量使用基类类型来对对象进行定义,而在运行时再确定其子类类型,用子类对象来替换父类对象。

依赖倒转原则

依赖倒转原则(DIP: Dependency Inversion Principle)是OOP设计的主要实现机制之一,由Robert C. Martin在1996年提出。定义如下:

抽象不应该依赖于细节,细节应当依赖于抽象。换言之,要针对接口编程,而不是针对实现编程。

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高层模块只针对接口编程,不依赖低层模块

在实现依赖倒转原则时,我们需要针对抽象层编程,将具体类的对象通过依赖注入(DI: Dependency Injection)的方式注入到其他对象中。

常用的注入方式有三种,分别是:构造注入设值注入(Setter注入)和接口注入。构造注入是指通过构造函数来传入具体类的对象,设值注入是指通过Setter方法来传入具体类的对象,而接口注入是指通过在接口中声明的业务方法来传入具体类的对象。这些方法在定义时使用的是抽象类型,在运行时再传入具体类型的对象,由子类对象来覆盖父类对象。

5 接口隔离原则

接口隔离原则(ISP:Interface Segregation Principle)与单一职责原则类似只不过单一职责原则说的是类,接口隔离原则说的是接口。其定义如下:

使用多个专门的接口,而不使用单一的总接口,即客户端不应该依赖那些它不需要的接口。

当一个接口太大时,我们需要将它分割成一些更细小的接口。每一个接口应该承担一种相对独立的角色,不该干的事不干,该干的事都要干。

6 迪米特原则

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适配器模式就是LoD原则的一种体现

迪米特原则(LoD:Law of Demeter)来自于1987年美国东北大学(Northeastern University)一个名为“Demeter”的研究项目。迪米特法则又称为最少知识原则(LKP:Least Knowledge Principle),其定义如下:

只和朋友交流,不和陌生人说话。也就是说,一个软件实体应当尽可能少地与其他实体发生相互作用。

如果一个系统符合迪米特法则,那么当其中某一个模块发生修改时,就会尽量少地影响其他模块,扩展就会相对容易,这是对软件实体之间通信的宽度和深度的限制,通过限制交互可降低系统的耦合度,使类与类之间保持松散的耦合关系。

总结

掌握这些软件开发的设计原则,对我们开发高内聚、低耦合的系统是非常有帮助的。互联网系统的功能迭代非常频繁,如果在软件设计阶段就做好足够的扩展性设计,那么后面的功能修改都会变得更加容易,上线发布的周期也会大大缩短。千万不要为了赶进度,牺牲了扩展性设计,还是要尽量多花点时间在设计上。

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