设计模式中的一些原则简介

简介

对于面向对象软件系统的设计而言，在支持可维护性的同时，提高系统的可复用性是一个至关重要的问题。与此同时，提高一个软件系统的可维护性和可复用性是面向对象设计需要解决的核心问题之一。在面向对象设计中，可维护性的复用是以设计原则为基础的。每一个原则都蕴含一些面向对象设计的思想，可以从不同的角度提升一个软件结构的设计水平，同时，这些原则也是设计模式的本质。

常见的7种面向对象设计原则：

单一职责原则 (SRP)

定义：一个类只负责一个功能领域中的相应职责，或者可以定义为：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，一个类或者说一个功能模块承担的职责越多，它所需要的方法/函数就越多，能复用的可能性就越小，并且承担的职责过多，就相当于将这些职责混合在一起，当其中一个职责变化时，会大大增加影响其他职责的可能性，造成类的不稳定性的增加。因此我们要将这些职责进行分离，将不同的职责封装在不同的类中。如果有几种类中的职责需要相互配合，那么就可以再创建一个相对抽象的类来包含这个功能。

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，需要恰如其分地发现类的不同职责并将其合理归类分离。

开闭原则 (OCP)

定义：一个软件实体应当对扩展开放，对修改关闭。即软件实体应尽量在不修改原有代码的情况下进行扩展。

任何软件都会面临这样的问题，即它们的需求会随时间的推移而发生变化。当软件系统需要面对新的需求时，我们应该尽量保证系统的设计框架是稳定的。如果一个软件设计符合开闭原则，那么可以非常方便地对系统进行扩展，而且在扩展时无须修改现有代码，使得软件系统在拥有适应性和灵活性的同时具备较好的稳定性和延续性。随着软件规模越来越大，软件生命周期越来越长，软件维护成本越来越高，设计满足开闭原则的软件系统也变得越来越重要。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# 等面向对象语言中，可以为系统设计一个相对稳定的抽象层，而将不同的实现行为移至具体的实现层中完成。在很多面向对象编程语言中都提供了接口、抽象类等机制，可以通过它们实现系统的抽象层，再通过具体类来进行扩展。如果需要修改系统的行为，无须（少量）在抽象层进行任何改动，只需要增加新的具体类来实现新的需求即可，这样就可以实现在不修改已有代码的基础上扩展系统的要求。

里氏代换原则 (LSP)

定义：所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。

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，反过来则不成立，如果一个软件实体^[1]使用的是一个子类对象的话，那么它不一定能够使用基类对象。里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一，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。

在使用该原则时需要注意如下几个问题：

1. 子类的所有方法必须在父类中声明，或子类必须实现父类中声明的所有方法。根据里氏代换原则，为了保证系统的扩展性，在程序中通常使用父类来进行定义，如果一个方法只存在子类中，在父类中不提供相应的声明，则无法在以父类定义的对象中使用该方法。
2. 在运用里氏代换原则时，尽量把父类设计为抽象类或者接口，让子类继承父类或实现父接口，并实现在父类中声明的方法，运行时，子类实例替换父类实例，我们可以很方便地扩展系统的功能，同时无须修改原有子类的代码，增加新的功能可以通过增加一个新的子类来实现。里氏代换原则是开闭原则的具体实现手段之一。

依赖倒转原则 (DIP)

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

这个原则要求我们在程序代码中传递参数或在关联关系中，尽量引用高层次的抽象层类，即使用接口和抽象类进行变量类型声明、参数类型声明、方法返回类型声明和数据类型的转换等，而不要用具体类来做这些事情。为了确保该原则的应用，一个具体类应当只实现接口或抽象类中声明过的方法，而不要给出多余的方法，否则将无法调用到在子类中增加的新方法。 在引入抽象层后，系统将具有很好的灵活性，在程序中尽量使用抽象层进行编程，而将具体类写在配置文件中，这样一来，如果系统行为发生变化，只需要对抽象层进行扩展，并修改配置文件，而无须修改原有系统的源代码，在不修改的情况下来扩展系统的功能，满足开闭原则的要求。在实现依赖倒转原则时，我们需要针对抽象层编程，而将具体类的对象通过依赖注入的方式注入到其他对象中。

在上述的重构过程中，使用到了 开闭原则 作为目标、 里氏代换原则 作为基础和 依赖倒转原则 作为手段，在大多数情况下，这三个设计原则会同时出现。

接口隔离原则 (ISP)

定义：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小的接口，使用该接口的客户端仅需知道与之相关的方法即可。每一个接口应该承担一种相对独立的角色/职责。 这里的“接口”有两种含义：

1. 一种是指一个类型所具有的方法特征的集合，仅仅是一种逻辑上的抽象。接口的划分将直接带来类型的划分，可以把接口理解成角色。一个接口只能代表一个角色，每个角色都有它特定的一个接口，此时，这个原则可以叫做“角色隔离原则”。
2. 另一种是指某种语言具体的“接口”定义，有严格的定义和结构，比如 C# 语言的 interface。接口仅仅提供客户端需要的行为，客户端不需要的行为则隐藏起来，应当为客户端提供尽可能小的单独的接口，而不要提供大的总接口。在面向对象编程语言中，实现一个接口就需要实现该接口中定义的所有方法，因此大的总接口使用起来不一定很方便，为了使接口的职责单一，需要将大接口中的方法根据其职责不同分别放在不同的小接口中，以确保每个接口使用起来都较为方便，并都承担某一单一角色。

合成复用原则 (CARP)

定义：尽量使用对象组合，而不是继承来达到复用的目的。

合成复用原则就是在一个新的对象里通过组合/聚合关系来使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部分，新对象通过委派调用已有对象的方法达到复用功能的目的。 在面向对象设计中，可以通过两种方法在不同的环境中复用已有的设计和实现，即通过组合/聚合关系或通过继承，首先应该考虑使用前者，这样可以使系统更加灵活，降低类与类之间的耦合度，一个类的变化对其他类造成的影响相对较少。其次才应该考虑使用继承。在使用继承时，需要严格遵循 里氏代换原则 ，有效使用继承会有助于对问题的理解，降低复杂度，而相反则会增加系统构建和维护的难度以及系统的复杂度，因此需要慎重使用继承复用。 通过继承来进行复用的主要问题在于它会破坏系统的封装性，因为继承会将基类的实现细节暴露给子类，由于基类的内部细节通常对子类来说是可见的，所以这种复用又被称白箱复用。如果基类发生改变，那么子类的实现也不得不发生改变。从基类继承而来的实现是静态的，不可能在运行时发生改变，没有足够的灵活性，而且继承只能在有限的环境中使用，比如类没有声明为不能被继承。 由于组合或聚合关系可以将已有的对象（也可称为成员对象）纳入到新对象中，使之成为新对象的一部分，因此新对象可以调用已有对象的功能，这样做可以使得成员对象的内部实现细节对于新对象不可见，所以这种复用又称为黑箱复用。 相对继承关系而言，其耦合度相对较低，成员对象的变化对新对象的影响不大，可以在新对象中根据实际需要有选择性地调用成员对象的操作；合成复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态地引用与成员对象类型相同的其他对象。

一般而言，如果两个类之间是 Has-A 的关系应使用组合或聚合，如果是Is-A关系可使用继承。Is-A 是严格的分类学意义上的定义，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。

迪米特法则 (LoD)

定义：一个软件实体¹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，扩展会相对容易，这是对软件实体之间通信的限制，比如不要和“陌生人”说话和只与你的****直接**朋友通信等。迪米特法则可降低系统的耦合度，使类与类之间保持松散的耦合关系。

在迪米特法则中，对于一个对象，其朋友包括以下几类：

1. 当前对象本身(this)
2. 以参数形式传入到当前对象方法中的对象
3. 当前对象的成员对象
4. 如果当前对象的成员对象是一个集合，那么集合中的元素也都是朋友
5. 当前对象所创建的对象

任何一个对象，如果满足上面的条件之一，就是当前对象的“朋友”，否则就是“陌生人”。在应用迪米特法则时，一个对象只能与直接朋友发生交互，不要与“陌生人”发生直接交互，这样做可以降低系统的耦合度，一个对象的改变不会给太多其他对象带来影响。 迪米特法则要求我们在设计系统时，应该尽量减少对象之间的交互，如果两个对象之间不必彼此直接通信，那么这两个对象就不应当发生任何直接的相互作用，如果其中的一个对象需要调用另一个对象的某一个方法的话，可以通过第三者转发这个调用。简言之，就是通过引入一个合理的第三者来降低现有对象之间的耦合度。

在将迪米特法则运用到系统设计中时，要注意下面的几点：

1. 在类的划分上，应当尽量创建松耦合的类，类之间的耦合度越低，就越有利于复用，一个处在松耦合中的类一旦被修改，不会对关联的类造成太大波及。
2. 在类的结构设计上，每一个类都应当尽量降低其成员变量和成员函数的访问权限。
3. 在类的设计上，只要有可能，一个类型应当设计成不变类；在对其他类的引用上，一个对象对其他对象的引用应当降到最低。