1、第2章 面向?qū)ο笤O計原則,本章教學內(nèi)容,面向?qū)ο笤O計原則概述 單一職責原則 開閉原則 里氏代換原則 依賴倒轉(zhuǎn)原則 接口隔離原則 合成復用原則 迪米特法則,面向?qū)ο笤O計原則概述,軟件的可維護性和可復用性 知名軟件大師Robert C.Martin認為一個可維護性較低的軟件設計，通常由于如下四個原因造成： 過于僵硬(Rigidity) 過于脆弱(Fragility) 復用率低(Immobility) 黏度過高(Viscosity),Robert C.Martin,面向?qū)ο笤O計原則概述,軟件的可維護性和可復用性 軟件工程和建模大師Peter Coad認為，一個好的系統(tǒng)設計應該具備如下三個性質(zhì)： 可擴

2、展性(Extensibility) 靈活性(Flexibility) 可插入性(Pluggability),Peter Coad,面向?qū)ο笤O計原則概述,軟件的可維護性和可復用性 軟件的復用(Reuse)或重用擁有眾多優(yōu)點，如可以提高軟件的開發(fā)效率，提高軟件質(zhì)量，節(jié)約開發(fā)成本，恰當?shù)膹陀眠€可以改善系統(tǒng)的可維護性。 面向?qū)ο笤O計復用的目標在于實現(xiàn)支持可維護性的復用。 在面向?qū)ο蟮脑O計里面，可維護性復用都是以面向?qū)ο笤O計原則為基礎的，這些設計原則首先都是復用的原則，遵循這些設計原則可以有效地提高系統(tǒng)的復用性，同時提高系統(tǒng)的可維護性。,面向?qū)ο笤O計原則概述,軟件的可維護性和可復用性 面向?qū)ο笤O計原則和

3、設計模式也是對系統(tǒng)進行合理重構(gòu)的指南針，重構(gòu)(Refactoring)是在不改變軟件現(xiàn)有功能的基礎上，通過調(diào)整程序代碼改善軟件的質(zhì)量、性能，使其程序的設計模式和架構(gòu)更趨合理，提高軟件的擴展性和維護性。,Martin Fowler,面向?qū)ο笤O計原則概述,面向?qū)ο笤O計原則簡介 常用的面向?qū)ο笤O計原則包括七個，這些原則并不是孤立存在的，它們相互依賴，相互補充。,單一職責原則,單一職責原則定義 單一職責原則(Single Responsibility Principle, SRP)定義如下： 在軟件系統(tǒng)中，一個類只負責一個功能領域中的相應職責。 另一種定義方式如下： 就一個類而言，應該僅有一個引起它變

4、化的原因。,單一職責原則,單一職責原則分析 一個類（或者大到模塊，小到方法）承擔的職責越多，它被復用的可能性越小。而且如果一個類承擔的職責過多，就相當于將這些職責耦合在一起，當其中一個職責變化時，可能會影響其他職責的運作。 類的職責主要包括兩個方面：數(shù)據(jù)職責和行為職責，數(shù)據(jù)職責通過其屬性來體現(xiàn)，而行為職責通過其方法來體現(xiàn)。 單一職責原則是實現(xiàn)高內(nèi)聚、低耦合的指導方針，在很多代碼重構(gòu)手法中都能找到它的存在，它是最簡單但又最難運用的原則，需要設計人員發(fā)現(xiàn)類的不同職責并將其分離，而發(fā)現(xiàn)類的多重職責需要設計人員具有較強的分析設計能力和相關重構(gòu)經(jīng)驗。,單一職責原則,單一職責原則實例 實例說明 某基于Ja

5、va的C/S系統(tǒng)的“登錄功能”通過如下登錄類(Login)實現(xiàn)： 現(xiàn)使用單一職責原則對其進行重構(gòu)。,單一職責原則,單一職責原則實例 實例解析 使用單一職責原則重構(gòu)后的類圖：,開閉原則,開閉原則定義 開閉原則(Open-Closed Principle, OCP)定義如下： 一個軟件實體應當對擴展開放，對修改關閉。也就是說在設計一個模塊的時候，應當使這個模塊可以在不被修改的前提下被擴展，即實現(xiàn)在不修改源代碼的情況下改變這個模塊的行為。,開閉原則,開閉原則分析 開閉原則由Bertrand Meyer于1988年提出，它是面向?qū)ο笤O計中最重要的原則之一。 在開閉原則的定義中，軟件實體可以指一個軟件模

6、塊、一個由多個類組成的局部結(jié)構(gòu)或一個獨立的類。,開閉原則,開閉原則分析 抽象化是開閉原則的關鍵。 絕大部分的設計模式都符合開閉原則，在對每一個模式進行優(yōu)缺點評價時都會以開閉原則作為一個重要的評價依據(jù)，以判斷基于該模式設計的系統(tǒng)是否具備良好的靈活性和可擴展性。,開閉原則,開閉原則實例 實例說明 某圖形界面系統(tǒng)提供了各種不同形狀的按鈕，客戶端代碼可針對這些按鈕進行編程，用戶可能會改變需求要求使用不同的按鈕，原始設計方案如圖所示： 現(xiàn)對該系統(tǒng)進行重構(gòu)，使之滿足開閉原則的要求。,開閉原則,開閉原則實例 實例解析,里氏代換原則,里氏代換原則定義 里氏代換原則(Liskov Substitution Pr

7、inciple, LSP)有兩種定義方式，第一種定義方式相對嚴格，其定義如下： 如果對每一個類型為S的對象o1，都有類型為T的對象o2，使得以T定義的所有程序P在所有的對象o1都代換成o2時，程序P的行為沒有變化，那么類型S是類型T的子類型。 第二種更容易理解的定義方式如下： 所有引用基類（父類）的地方必須能透明地使用其子類的對象。,里氏代換原則,里氏代換原則分析 里氏代換原則由2008年圖靈獎得主、美國第一位計算機科學女博士、麻省理工學院Barbara Liskov教授和卡內(nèi)基-梅隆大學Jeannette Wing教授于1994年提出。,芭芭拉利斯科夫（Barbara Liskov），美國計

8、算機科學家，2008年圖靈獎（計算機領域的諾貝爾獎）得主，2004年約翰馮諾依曼獎得主。美國工程院院士，美國藝術(shù)與科學院院士，美國計算機協(xié)會會士。現(xiàn)任麻省理工學院電子電氣與計算機科學系教授。她是美國第一個計算機科學女博士，第二位獲得圖靈獎的女科學家。,里氏代換原則,里氏代換原則分析 里氏代換原則可以通俗表述為：在軟件中如果能夠使用基類對象，那么一定能夠使用其子類對象。把基類都替換成它的子類，程序?qū)⒉粫a(chǎn)生任何錯誤和異常，反過來則不成立，如果一個軟件實體使用的是一個子類的話，那么它不一定能夠使用基類。 里氏代換原則是實現(xiàn)開閉原則的重要方式之一，由于使用基類對象的地方都可以使用子類對象，因此在程序

9、中盡量使用基類類型來對對象進行定義，而在運行時再確定其子類類型，用子類對象來替換父類對象。,里氏代換原則,里氏代換原則分析,喜歡動物喜歡貓 因為貓是動物 ,里氏代換原則,里氏代換原則實例 實例說明 某系統(tǒng)需要實現(xiàn)對重要數(shù)據(jù)（如用戶密碼）的加密處理，在數(shù)據(jù)操作類(DataOperator)中需要調(diào)用加密類中定義的加密算法，系統(tǒng)提供了兩個不同的加密類，CipherA和CipherB，它們實現(xiàn)不同的加密方法，在DataOperator中可以選擇其中的一個實現(xiàn)加密操作。如圖所示：,里氏代換原則,里氏代換原則實例 實例說明 如果需要更換一個加密算法類或者增加并使用一個新的加密算法類，如將CipherA改

10、為CipherB，則需要修改客戶類Client和數(shù)據(jù)操作類DataOperator的源代碼，違背了開閉原則。 現(xiàn)使用里氏代換原則對其進行重構(gòu)，使得系統(tǒng)可以靈活擴展，符合開閉原則。,里氏代換原則,里氏代換原則實例 實例解析,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則定義 依賴倒轉(zhuǎn)原則(Dependence Inversion Principle, DIP)的定義如下： 高層模塊不應該依賴低層模塊，它們都應該依賴抽象。抽象不應該依賴于細節(jié)，細節(jié)應該依賴于抽象。 另一種表述為： 要針對接口編程，不要針對實現(xiàn)編程。,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則分析 依賴倒轉(zhuǎn)原則是Robert C. Martin在1996年為C+ Re

11、porter所寫的專欄Engineering Notebook的第三篇，后來加入到他在2002年出版的經(jīng)典著作Agile Software Development, Principles, Patterns, and Practices中。,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則分析 簡單來說，依賴倒轉(zhuǎn)原則就是指：代碼要依賴于抽象的類，而不要依賴于具體的類；要針對接口或抽象類編程，而不是針對具體類編程。 實現(xiàn)開閉原則的關鍵是抽象化，并且從抽象化導出具體化實現(xiàn)，如果說開閉原則是面向?qū)ο笤O計的目標的話，那么依賴倒轉(zhuǎn)原則就是面向?qū)ο笤O計的主要手段。,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則分析 依賴倒轉(zhuǎn)原則的常用實現(xiàn)方式之一

12、是在代碼中使用抽象類，而將具體類放在配置文件中。 “將抽象放進代碼，將細節(jié)放進元數(shù)據(jù)” 程序員修煉之道：從小工到專家,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則分析 類之間的耦合 零耦合關系 具體耦合關系 抽象耦合關系 依賴倒轉(zhuǎn)原則要求客戶端依賴于抽象耦合，以抽象方式耦合是依賴倒轉(zhuǎn)原則的關鍵。,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則分析 依賴注入,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則分析 依賴注入 構(gòu)造注入(Constructor Injection)：通過構(gòu)造函數(shù)注入實例變量。 設值注入(Setter Injection)：通過Setter方法注入實例變量。 接口注入(Interface Injection)：通過接口方法注入實

13、例變量。,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則分析 構(gòu)造注入,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則分析 設值注入,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則分析 接口注入,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則實例 實例說明 某系統(tǒng)提供一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，可以將來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多種格式，如可以轉(zhuǎn)換來自數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)(DatabaseSource)、也可以轉(zhuǎn)換來自文本文件的數(shù)據(jù)(TextSource)，轉(zhuǎn)換后的格式可以是xml文件(XMLTransformer)、也可以是xls文件(XLSTransformer)等。,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則實例 實例說明 由于需求的變化，該系統(tǒng)可能需要增加新的數(shù)據(jù)源或者新的文件格式，每增加一個新的類

14、型的數(shù)據(jù)源或者新的類型的文件格式，客戶類MainClass都需要修改源代碼，以便使用新的類，違背了開閉原則。現(xiàn)使用依賴倒轉(zhuǎn)原則對其進行重構(gòu)。,依賴倒轉(zhuǎn)原則,依賴倒轉(zhuǎn)原則實例 實例解析,接口隔離原則,接口隔離原則定義 接口隔離原則(Interface Segregation Principle, ISP)的定義如下： 客戶端不應該依賴那些它不需要的接口。 注意，在該定義中的接口指的是所定義的方法。 另一種定義方法如下： 一旦一個接口太大，則需要將它分割成一些更細小的接口，使用該接口的客戶端僅需知道與之相關的方法即可。,接口隔離原則,接口隔離原則分析 接口隔離原則是指使用多個專門的接口，而不使用單

15、一的總接口。每一個接口應該承擔一種相對獨立的角色，不多不少，不干不該干的事，該干的事都要干。 (1) 一個接口就只代表一個角色，每個角色都有它特定的一個接口，此時這個原則可以叫做“角色隔離原則”。 (2) 接口僅僅提供客戶端需要的行為，即所需的方法，客戶端不需要的行為則隱藏起來，應當為客戶端提供盡可能小的單獨的接口，而不要提供大的總接口。,接口隔離原則,接口隔離原則分析 使用接口隔離原則拆分接口時，首先必須滿足單一職責原則，將一組相關的操作定義在一個接口中，且在滿足高內(nèi)聚的前提下，接口中的方法越少越好。 可以在進行系統(tǒng)設計時采用定制服務的方式，即為不同的客戶端提供寬窄不同的接口，只提供用戶需要

16、的行為，而隱藏用戶不需要的行為。,接口隔離原則,接口隔離原則實例 實例說明 下圖展示了一個擁有多個客戶類的系統(tǒng)，在系統(tǒng)中定義了一個巨大的接口AbstractService來服務所有的客戶類。可以使用接口隔離原則對其進行重構(gòu)。,接口隔離原則,接口隔離原則實例 實例解析,合成復用原則,合成復用原則定義 合成復用原則(Composite Reuse Principle, CRP)又稱為組合/聚合復用原則(Composition/ Aggregate Reuse Principle, CARP)，其定義如下： 盡量使用對象組合，而不是繼承來達到復用的目的。,合成復用原則,合成復用原則分析 合成復用原則

17、就是指在一個新的對象里通過關聯(lián)關系（包括組合關系和聚合關系）來使用一些已有的對象，使之成為新對象的一部分；新對象通過委派調(diào)用已有對象的方法達到復用其已有功能的目的。簡言之：要盡量使用組合/聚合關系，少用繼承。,合成復用原則,合成復用原則分析 在面向?qū)ο笤O計中，可以通過兩種基本方法在不同的環(huán)境中復用已有的設計和實現(xiàn)，即通過組合/聚合關系或通過繼承。 繼承復用：實現(xiàn)簡單，易于擴展。破壞系統(tǒng)的封裝性，從基類繼承而來的實現(xiàn)是靜態(tài)的，不可能在運行時發(fā)生改變，沒有足夠的靈活性；只能在有限的環(huán)境中使用。（“白箱”復用 ） 組合/聚合復用：耦合度相對較低，選擇性地調(diào)用成員對象的操作；可以在運行時動態(tài)進行。（“

18、黑箱”復用 ）,合成復用原則,合成復用原則分析 組合/聚合可以使系統(tǒng)更加靈活，類與類之間的耦合度降低，一個類的變化對其他類造成的影響相對較少，因此一般首選使用組合/聚合來實現(xiàn)復用； 其次才考慮繼承，在使用繼承時，需要嚴格遵循里氏代換原則，有效使用繼承會有助于對問題的理解，降低復雜度，而濫用繼承反而會增加系統(tǒng)構(gòu)建和維護的難度以及系統(tǒng)的復雜度，因此需要慎重使用繼承復用。,合成復用原則,合成復用原則實例 實例說明 某教學管理系統(tǒng)部分數(shù)據(jù)庫訪問類設計如圖所示：,合成復用原則,合成復用原則實例 實例說明 如果需要更換數(shù)據(jù)庫連接方式，如原來采用JDBC連接數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)在采用數(shù)據(jù)庫連接池連接，則需要修改DBU

19、til類源代碼。如果StudentDAO采用JDBC連接，但是TeacherDAO采用連接池連接，則需要增加一個新的DBUtil類，并修改StudentDAO或TeacherDAO的源代碼，使之繼承新的數(shù)據(jù)庫連接類，這將違背開閉原則，系統(tǒng)擴展性較差。 現(xiàn)使用合成復用原則對其進行重構(gòu)。,合成復用原則,合成復用原則實例 實例解析,迪米特法則,迪米特法則定義 迪米特法則(Law of Demeter, LoD)又稱為最少知識原則(Least Knowledge Principle, LKP)，它有多種定義方法，其中幾種典型定義如下： (1) 不要和“陌生人”說話。 (2) 只與你的直接朋友通信。 (

20、3) 每一個軟件單位對其他的單位都只有最少的知識，而且局限于那些與本單位密切相關的軟件單位。,迪米特法則,迪米特法則分析 迪米特法則來自于1987年秋美國東北大學(Northeastern University)一個名為“Demeter”的研究項目。 簡單來說，迪米特法則就是指一個軟件實體應當盡可能少的與其他實體發(fā)生相互作用。這樣，當一個模塊修改時，就會盡量少的影響其他的模塊，擴展會相對容易，這是對軟件實體之間通信的限制，它要求限制軟件實體之間通信的寬度和深度。,迪米特法則,迪米特法則分析 在迪米特法則中，對于一個對象，其朋友包括以下幾類： (1) 當前對象本身(this)； (2) 以參數(shù)形

21、式傳入到當前對象方法中的對象； (3) 當前對象的成員對象； (4) 如果當前對象的成員對象是一個集合，那么集合中的元素也都是朋友； (5) 當前對象所創(chuàng)建的對象。 任何一個對象，如果滿足上面的條件之一，就是當前對象的“朋友”，否則就是“陌生人”。,迪米特法則,迪米特法則分析 迪米特法則可分為狹義法則和廣義法則。在狹義的迪米特法則中，如果兩個類之間不必彼此直接通信，那么這兩個類就不應當發(fā)生直接的相互作用，如果其中的一個類需要調(diào)用另一個類的某一個方法的話，可以通過第三者轉(zhuǎn)發(fā)這個調(diào)用。,迪米特法則,迪米特法則分析 狹義的迪米特法則：可以降低類之間的耦合，但是會在系統(tǒng)中增加大量的小方法并散落在系統(tǒng)的各個角落，它可以使一個系統(tǒng)的局部設計簡化，因為每一個局部都不會和遠距離的對象有直接的關聯(lián)，但是也會造成系統(tǒng)的不同模塊之間的通信效率降低，使得系統(tǒng)的不同模塊之間不容易協(xié)調(diào)。 廣義的迪米特法則：指對對象之間的信息流量、流向以及信息的影響的控制，主要是對信息隱藏的控制。信息的隱藏可以使各個子系統(tǒng)之間脫耦，從而允許它們獨立地被開發(fā)、優(yōu)化、使用和修改，同時可以促進軟件的復用，由于每一個模塊都不依賴于其他模塊而存在，因此每一個模塊都可以獨立地在其他的地方使用。一個系統(tǒng)