深圳嘉华_架构师进阶之路_13设计模式六大原则

一、引言

设计模式（Design pattern）代表了最佳的实践，通常被有经验的面向对象的软件开发人员所采用。设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。

1、单一职责原则

定义：不要存在多于一个导致类变更的原因。通俗的说，即一个类只负责一项职责。
问题由来：类T负责两个不同的职责：职责P1，职责P2。当由于职责P1需求发生改变而需要修改类T时，有可能会导致原本运行正常的职责P2功能发生故障。
举例说明，用一个类描述动物呼吸这个场景：

class Animal 
{ 
    public void Breathe(String animal) 
    {
        Console.WriteLine(animal + "呼吸空气"); 
    } 
}
public class Program 
{
    static void Main(String[] args)
    {
        Animal animal = new Animal();
        animal.Breathe("牛");
        animal.Breathe("羊");
        animal.Breathe("猪");
    }
}

运行结果：
牛呼吸空气
羊呼吸空气
猪呼吸空气

程序上线后，发现问题了，并不是所有的动物都呼吸空气的，比如鱼就是呼吸水的。修改时如果遵循单一职责原则，需要将Animal类细分为陆生动物类Terrestrial，水生动物Aquatic，代码如下：

class Terrestrial
{
    public void Breathe(String animal)
    {
	    Console.WriteLine(animal + "呼吸空气");
    }
}
class Aquatic
{
    public void Breathe(String animal)
    {
	    Console.WriteLine(animal + "呼吸水");
    }
}
public class Client
{
    public static void Main(String[] args)
    {
	    Terrestrial terrestrial = new Terrestrial();
	    terrestrial.Breathe("牛");
	    terrestrial.Breathe("羊");
	    terrestrial.Breathe("猪");
		Aquatic aquatic = new Aquatic();
    	aquatic.Breathe("鱼");
	}
}

运行结果：

牛呼吸空气
羊呼吸空气
猪呼吸空气
鱼呼吸水>

我们会发现如果这样修改花销是很大的，除了将原来的类分解之外，还需要修改客户端。而直接修改类Animal来达成目的虽然违背了单一职责原则，但花销却小的多，代码如下：

class Animal
{
	public void Breathe(String animal)
	{
		if ("鱼".Equals(animal))
		{
			Console.WriteLine(animal + "呼吸水");
		}
		else
		{
			Console.WriteLine(animal + "呼吸空气");
		}
	}
}
public class Client
{
	public static void Main(String[] args)
	{
		Animal animal = new Animal();
		animal.Breathe("牛");
		animal.Breathe("羊");
		animal.Breathe("猪");
		animal.Breathe("鱼");
	}
}

可以看到，这种修改方式要简单的多。但是却存在着隐患：有一天需要将鱼分为呼吸淡水的鱼和呼吸海水的鱼，则又需要修改Animal类的breathe方法，而对原有代码的修改会对调用“猪”“牛”“羊”等相关功能带来风险，也许某一天你会发现程序运行的结果变为“牛呼吸水”了。这种修改方式直接在代码级别上违背了单一职责原则，虽然修改起来最简单，但隐患却是最大的。还有一种修改方式：

class Animal
{
	public void Breathe(String animal)
	{
		Console.WriteLine(animal + "呼吸空气");
	}
	public void Breathe2(String animal)
	{
		Console.WriteLine(animal + "呼吸水");
	}
}
public class Client
{
	public static void main(String[] args)
	{
		Animal animal = new Animal();
		animal.Breathe("牛");
		animal.Breathe("羊");
		animal.Breathe("猪");
		animal.Breathe2("鱼");
	}
}

可以看到，这种修改方式没有改动原来的方法，而是在类中新加了一个方法，这样虽然也违背了单一职责原则，但在方法级别上却是符合单一职责原则的，因为它并没有动原来方法的代码。这三种方式各有优缺点，那么在实际编程中，采用哪一中呢？其实这真的比较难说，需要根据实际情况来确定。我的原则是：只有逻辑足够简单，才可以在代码级别上违反单一职责原则；只有类中方法数量足够少，才可以在方法级别上违反单一职责原则；

遵循单一职责原的优点有：

• 可以降低类的复杂度，一个类只负责一项职责，其逻辑肯定要比负责多项职责简单的多；
• 提高类的可读性，提高系统的可维护性；
• 变更引起的风险降低，变更是必然的，如果单一职责原则遵守的好，当修改一个功能时，可以显著降低对其他功能的影响。
  需要说明的一点是单一职责原则不只是面向对象编程思想所特有的，只要是模块化的程序设计，都适用单一职责原则。

2、里氏替换原则

定义1：如果对每一个类型为 T1的对象 o1，都有类型为 T2 的对象o2，使得以 T1定义的所有程序 P 在所有的对象 o1 都代换成 o2 时，程序 P 的行为没有发生变化，那么类型 T2 是类型 T1 的子类型。

问题由来：有一功能P1，由类A完成。现需要将功能P1进行扩展，扩展后的功能为P，其中P由原有功能P1与新功能P2组成。新功能P由类A的子类B来完成，则子类B在完成新功能P2的同时，有可能会导致原有功能P1发生故障。

解决方案：当使用继承时，遵循里氏替换原则。类B继承类A时，除添加新的方法完成新增功能P2外，尽量不要重写父类A的方法，也尽量不要重载父类A的方法。

举例说明继承的风险，我们需要完成一个两数相减的功能，由类A来负责。

class A
{
    public int Func1(int a, int b)
    {
        return a - b;
    }
}
public class Client
{
    public static void main(String[] args)
    {
        A a = new A();
		Console.WriteLine("100-50=" + a.func1(100, 50));
		Console.WriteLine("100-80=" + a.func1(100, 80));
	}
}

运行结果：

100-50=50
100-80=20

后来，我们需要增加一个新的功能：完成两数相加，然后再与100求和，由类B来负责。即类B需要完成两个功能：

两数相减。
两数相加，然后再加100。

由于类A已经实现了第一个功能，所以类B继承类A后，只需要再完成第二个功能就可以了，代码如下：

​class B : A
{
    public int Func1(int a, int b)
    {
        return a + b;
    }
    public int Func2(int a, int b)
    {
        return Func1(a, b) + 100;
    }
}
public class Client
{
    public static void main(String[] args)
    {
        B b = new B();
        Console.WriteLine("100-50=" + b.Func1(100, 50));
        Console.WriteLine("100-80=" + b.Func1(100, 80));
        Console.WriteLine("100+20+100=" + b.Func2(100, 20));
    }
}

类B完成后，运行结果：

100-50=150
100-80=180
100+20+100=220

里氏替换原则通俗的来讲就是：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。它包含以下4层含义：

子类可以实现父类的抽象方法，但不能覆盖父类的非抽象方法。
子类中可以增加自己特有的方法。
当子类的方法重载父类的方法时，方法的前置条件（即方法的形参）要比父类方法的输入参数更宽松。

当子类的方法实现父类的抽象方法时，方法的后置条件（即方法的返回值）要比父类更严格。

3、依赖倒置原则

定义：高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节；细节应该依赖抽象。
问题由来：类A直接依赖类B，假如要将类A改为依赖类C，则必须通过修改类A的代码来达成。这种场景下，类A一般是高层模块，负责复杂的业务逻辑；类B和类C是低层模块，负责基本的原子操作；假如修改类A，会给程序带来不必要的风险。

解决方案：将类A修改为依赖接口I，类B和类C各自实现接口I，类A通过接口I间接与类B或者类C发生联系，则会大大降低修改类A的几率。

依赖倒置原则的核心思想是面向接口编程，我们依旧用一个例子来说明面向接口编程比相对于面向实现编程好在什么地方。场景是这样的，母亲给孩子讲故事，只要给她一本书，她就可以照着书给孩子讲故事了。代码如下：

class Book
{
	public String getContent()
	{
		return "很久很久以前有一个阿拉伯的故事……";
	}
}
class Mother
{
	public void narrate(Book book)
	{
		Console.WriteLine("妈妈开始讲故事");
		Console.WriteLine(book.getContent());
	}
}
public class Client
{
	public static void main(String[] args)
	{
		Mother mother = new Mother();
		mother.narrate(new Book());
	}
} 

运行结果：

妈妈开始讲故事
很久很久以前有一个阿拉伯的故事……

运行良好，假如有一天，需求变成这样：不是给书而是给一份报纸，让这位母亲讲一下报纸上的故事，报纸的代码如下：

class Newspaper{
	public String getContent(){
		return "林书豪38+7领导尼克斯击败湖人……";
	}
} 

这位母亲却办不到，因为她居然不会读报纸上的故事，这太荒唐了，只是将书换成报纸，居然必须要修改Mother才能读。假如以后需求换成杂志呢？换成网页呢？还要不断地修改Mother，这显然不是好的设计。原因就是Mother与Book之间的耦合性太高了，必须降低他们之间的耦合度才行。

我们引入一个抽象的接口IReader。读物，只要是带字的都属于读物：

interface IReader{
	public String getContent();
} 

Mother类与接口IReader发生依赖关系，而Book和Newspaper都属于读物的范畴，他们各自都去实现IReader接口，这样就符合依赖倒置原则了，代码修改为：

class Newspaper :IReader
{

    public String getContent()
    {
        return "林书豪17+9助尼克斯击败老鹰……";
    }
}
class Book : IReader
{

    public String getContent()
    {
    return "很久很久以前有一个阿拉伯的故事……";
    }
}
class Mother
{
    public void narrate(IReader reader)
    {
        Console.WriteLine("妈妈开始讲故事");
        Console.WriteLine(reader.getContent());
    }
}
public class Client
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Mother mother = new Mother();
        mother.narrate(new Book());
        mother.narrate(new Newspaper());
    }
}

运行结果：

妈妈开始讲故事
很久很久以前有一个阿拉伯的故事……
妈妈开始讲故事
林书豪17+9助尼克斯击败老鹰……

在实际编程中，我们一般需要做到如下3点：

低层模块尽量都要有抽象类或接口，或者两者都有。
变量的声明类型尽量是抽象类或接口。
使用继承时遵循里氏替换原则。
依赖倒置原则的核心就是要我们面向接口编程，理解了面向接口编程，也就理解了依赖倒置。

4、 接口隔离原则

客户端不应该依赖它不需要的接口；一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。
问题由来：类A通过接口I依赖类B，类C通过接口I依赖类D，如果接口I对于类A和类B来说不是最小接口，则类B和类D必须去实现他们不需要的方法。

解决方案：将臃肿的接口I拆分为独立的几个接口，类A和类C分别与他们需要的接口建立依赖关系。也就是采用接口隔离原则。

举例来说明接口隔离原则：
​​
这个图的意思是：类A依赖接口I中的方法1、方法2、方法3，类B是对类A依赖的实现。类C依赖接口I中的方法1、方法4、方法5，类D是对类C依赖的实现。对于类B和类D来说，虽然他们都存在着用不到的方法（也就是图中红色字体标记的方法），但由于实现了接口I，所以也必须要实现这些用不到的方法。对类图不熟悉的可以参照程序代码来理解，代码如下：

interface I
{
	void method1();
	void method2();
	void method3();
	void method4();
	void method5();
}

class A
{
	public void depend1(I i)
	{
		i.method1();
	}
	public void depend2(I i)
	{
		i.method2();
	}
	public void depend3(I i)
	{
		i.method3();
	}
}

class B : I
{
	public void method1()
	{
		Console.WriteLine("类B实现接口I的方法1");
	}
	public void method2()
	{
		Console.WriteLine("类B实现接口I的方法2");
	}
	public void method3()
	{
		Console.WriteLine("类B实现接口I的方法3");
	}
	//对于类B来说，method4和method5不是必需的，但是由于接口A中有这两个方法，
	//所以在实现过程中即使这两个方法的方法体为空，也要将这两个没有作用的方法进行实现。
	public void method4() { }
	public void method5() { }
}

class C
{
	public void depend1(I i)
	{
		i.method1();
	}
	public void depend2(I i)
	{
		i.method4();
	}
	public void depend3(I i)
	{
		i.method5();
	}
}

class D : I
{
	public void method1()
	{
		Console.WriteLine("类D实现接口I的方法1");
	}
	//对于类D来说，method2和method3不是必需的，但是由于接口A中有这两个方法，
	//所以在实现过程中即使这两个方法的方法体为空，也要将这两个没有作用的方法进行实现。
	public void method2() { }
	public void method3() { }

	public void method4()
	{
		Console.WriteLine("类D实现接口I的方法4");
	}
	public void method5()
	{
		Console.WriteLine("类D实现接口I的方法5");
	}
}

public class Client
{
	public static void main(String[] args)
	{
		A a = new A();
		a.depend1(new B());
		a.depend2(new B());
		a.depend3(new B());

		C c = new C();
		c.depend1(new D());
		c.depend2(new D());
		c.depend3(new D());
	}
}

可以看到，如果接口过于臃肿，只要接口中出现的方法，不管对依赖于它的类有没有用处，实现类中都必须去实现这些方法，这显然不是好的设计。如果将这个设计修改为符合接口隔离原则，就必须对接口I进行拆分。在这里我们将原有的接口I拆分为三个接口，拆分后的设计如图2所示：

interface I1
{
	void method1();
}

interface I2
{
	void method2();
	void method3();
}

interface I3
{
	void method4();
	void method5();
}

class A
{
	public void depend1(I1 i)
	{
		i.method1();
	}
	public void depend2(I2 i)
	{
		i.method2();
	}
	public void depend3(I2 i)
	{
		i.method3();
	}
}

class B : I1, I2
{
	public void method1()
	{
		Console.WriteLine("类B实现接口I1的方法1");
	}
	public void method2()
	{
		Console.WriteLine("类B实现接口I2的方法2");
	}
	public void method3()
	{
		Console.WriteLine("类B实现接口I2的方法3");
	}
}

class C
{
	public void depend1(I1 i)
	{
		i.method1();
	}
	public void depend2(I3 i)
	{
		i.method4();
	}
	public void depend3(I3 i)
	{
		i.method5();
	}
}

class D : I1, I3{
	public void method1()
	{
		Console.WriteLine("类D实现接口I1的方法1");
	}
	public void method4()
	{
		Console.WriteLine("类D实现接口I3的方法4");
	}
	public void method5()
	{
		Console.WriteLine("类D实现接口I3的方法5");
	}
}  

采用接口隔离原则对接口进行约束时，要注意以下几点：

接口尽量小，但是要有限度。对接口进行细化可以提高程序设计灵活性是不挣的事实，但是如果过小，则会造成接口数量过多，使设计复杂化。所以一定要适度。
为依赖接口的类定制服务，只暴露给调用的类它需要的方法，它不需要的方法则隐藏起来。只有专注地为一个模块提供定制服务，才能建立最小的依赖关系。
提高内聚，减少对外交互。使接口用最少的方法去完成最多的事情。
运用接口隔离原则，一定要适度，接口设计的过大或过小都不好。设计接口的时候，只有多花些时间去思考和筹划，才能准确地实践这一原则。

5、迪米特法则

定义：一个对象应该对其他对象保持最少的了解。

问题由来：类与类之间的关系越密切，耦合度越大，当一个类发生改变时，对另一个类的影响也越大。

解决方案：尽量降低类与类之间的耦合。

举一个例子：有一个集团公司，下属单位有分公司和直属部门，现在要求打印出所有下属单位的员工ID。先来看一下违反迪米特法则的设计。

//总公司员工
class Employee
{
	private String id;
	public void setId(String id)
	{
		this.id = id;
	}
	public String getId()
	{
		return id;
	}
}

//分公司员工
class SubEmployee
{
	private String id;
	public void setId(String id)
	{
		this.id = id;
	}
	public String getId()
	{
		return id;
	}
}

class SubCompanyManager
{
	public List<SubEmployee> getAllEmployee()
	{
		List<SubEmployee> list = new List<SubEmployee>();
		for (int i = 0; i < 100; i++)
		{
			SubEmployee emp = new SubEmployee();
			//为分公司人员按顺序分配一个ID
			emp.setId("分公司" + i);
			list.Add(emp);
		}
		return list;
	}
}

class CompanyManager
{
	public List<Employee> getAllEmployee()
	{
		List<Employee> list = new List<Employee>();
		for (int i = 0; i < 30; i++)
		{
			Employee emp = new Employee();
			//为总公司人员按顺序分配一个ID
			emp.setId("总公司" + i);
			list.Add(emp);
		}
		return list;
	}

	public void printAllEmployee(SubCompanyManager sub)
	{
		List<SubEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();
		foreach (SubEmployee e in list1)
		{
			Console.WriteLine(e.getId());
		}

		List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
		foreach (Employee e in list2)
		{
			Console.WriteLine(e.getId());
		}
	}
}
public class Client
{
	public static void main(String[] args)
	{
		CompanyManager e = new CompanyManager();
		e.printAllEmployee(new SubCompanyManager());
	}
}

现在这个设计的主要问题出在CompanyManager中，根据迪米特法则，只与直接的朋友发生通信，而SubEmployee类并不是CompanyManager类的直接朋友（以局部变量出现的耦合不属于直接朋友），从逻辑上讲总公司只与他的分公司耦合就行了，与分公司的员工并没有任何联系，这样设计显然是增加了不必要的耦合。按照迪米特法则，应该避免类中出现这样非直接朋友关系的耦合。修改后的代码如下:

class SubCompanyManager
{
	public List<SubEmployee> getAllEmployee()
	{
		List<SubEmployee> list = new List<SubEmployee>();
		foreach (int i = 0; i < 100; i++)
		{
			SubEmployee emp = new SubEmployee();
			//为分公司人员按顺序分配一个ID
			emp.setId("分公司" + i);
			list.Add(emp);
		}
		return list;
	}
	public void printEmployee()
	{
		List<SubEmployee> list = this.getAllEmployee();
		foreach (SubEmployee e in list)
		{
			Console.WriteLine(e.getId());
		}
	}
}

class CompanyManager
{
	public List<Employee> getAllEmployee()
	{
		List<Employee> list = new List<Employee>();
		for (int i = 0; i < 30; i++)
		{
			Employee emp = new Employee();
			//为总公司人员按顺序分配一个ID
			emp.setId("总公司" + i);
			list.Add(emp);
		}
		return list;
	}

	public void printAllEmployee(SubCompanyManager sub)
	{
		sub.printEmployee();
		List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
		foreach (Employee e in list2)
		{
			Console.WriteLine(e.getId());
		}
	}
}

迪米特法则的初衷是降低类之间的耦合，由于每个类都减少了不必要的依赖，因此的确可以降低耦合关系。但是凡事都有度，虽然可以避免与非直接的类通信，但是要通信，必然会通过一个“中介”来发生联系，例如本例中，总公司就是通过分公司这个“中介”来与分公司的员工发生联系的。过分的使用迪米特原则，会产生大量这样的中介和传递类，导致系统复杂度变大。所以在采用迪米特法则时要反复权衡，既做到结构清晰，又要高内聚低耦合。

6、开闭原则

定义：一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放，对修改关闭。

问题由来：在软件的生命周期内，因为变化、升级和维护等原因需要对软件原有代码进行修改时，可能会给旧代码中引入错误，也可能会使我们不得不对整个功能进行重构，并且需要原有代码经过重新测试。

解决方案：当软件需要变化时，尽量通过扩展软件实体的行为来实现变化，而不是通过修改已有的代码来实现变化。

开闭原则是面向对象设计中最基础的设计原则，它指导我们如何建立稳定灵活的系统。开闭原则可能是设计模式六项原则中定义最模糊的一个了，它只告诉我们对扩展开放，对修改关闭，可是到底如何才能做到对扩展开放，对修改关闭，并没有明确的告诉我们。