架构师内功修为-设计模式之7大设计原则

开闭原则
开闭原则（Open-Closed Principle, OCP）是指一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放，对修改关闭。所谓的开闭，也正是对扩展和修改两个行为的一个原则。强调的是用抽象构建框架，用实现扩展细节。可以提高软件系统的可复用性及可维护性。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，例如：我们版本更新，我尽可能不修改源代码，但是可以增加新功能。在现实生活中对于开闭原则也有体现。比如，很多互联网公司都实行弹性制作息时间，规定每天工作8 小时。意思就是说，对于每天工作8 小时这个规定是关闭的，但是你什么时候来，什么时候走是开放的。早来早走，晚来晚走。实现开闭原则的核心思想就是面向抽象编程，接下来我们来看一段代码：
以课程体系为例，首先创建一个课程接口ICourse：

public interface ICourse {
	Integer getId();
	String getName();
	Double getPrice();
}

整个课程生态有Java 架构、大数据、人工智能、前端、软件测试等，我们来创建一个Java架构课程的类JavaCourse：

public class JavaCourse implements ICourse{
	private Integer Id;
	private String name;
	private Double price;
	public JavaCourse(Integer id, String name, Double price) {
		this.Id = id;
		this.name = name;
		this.price = price;
	}
	public Integer getId() {
		return this.Id;
	}
	public String getName() {
		return this.name;
	}
	public Double getPrice() {
		return this.price;
	}
}

现在我们要给Java 架构课程做活动，价格优惠。如果修JavaCourse 中的getPrice()方法，则会存在一定的风险，可能影响其他地方的调用结果。我们如何在不修改原有代码前提前下，实现价格优惠这个功能呢？现在，我们再写一个处理优惠逻辑的类,JavaDiscountCourse 类（ 思考一下为什么要叫JavaDiscountCourse ， 而不叫DiscountCourse）：

public class JavaDiscountCourse extends JavaCourse {
	public JavaDiscountCourse(Integer id, String name, Double price) {
		super(id, name, price);
	}
	public Double getOriginPrice(){
		return super.getPrice();
	}
	public Double getPrice(){
		return super.getPrice() * 0.61;
	}
}

回顾一下，简单一下类结构图：

依赖倒置原则
依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle,DIP）是指设计代码结构时，高层模块不应该依赖底层模块，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。通过依赖倒置，可以减少类与类之间的耦合性，提高系统的稳定性，提高代码的可读性和可维护性，并能够降低修改程序所造成的风险。接下来看一个案例，还是以课程为例，先来创建一个类Tom：

public class Tom {
	public void studyJavaCourse(){
		System.out.println("Tom 在学习Java 的课程");
	}
	public void studyPythonCourse(){
		System.out.println("Tom 在学习Python 的课程");
	}
}

来调用一下：

public static void main(String[] args) {
	Tom tom = new Tom();
	tom.studyJavaCourse();
	tom.studyPythonCourse();
}

Tom 热爱学习，目前正在学习Java 课程和Python 课程。大家都知道，学习也是会上瘾的。随着学习兴趣的暴涨，现在Tom 还想学习AI 人工智能的课程。这个时候，业务扩展，我们的代码要从底层到高层（调用层）一次修改代码。在Tom 类中增加studyAICourse()的方法，在高层也要追加调用。如此一来，系统发布以后，实际上是非常不稳定的，在修改代码的同时也会带来意想不到的风险。接下来我们优化代码，创建一个课程的抽象ICourse 接口：

public interface ICourse {
	void study();
}

然后写JavaCourse 类：

public class JavaCourse implements ICourse {
	@Override
	public void study() {
		System.out.println("Tom 在学习Java 课程");
	}
}

再实现PythonCourse 类：

public class PythonCourse implements ICourse {
	@Override
	public void study() {
		System.out.println("Tom 在学习Python 课程");
	}
}

修改Tom 类：

public class Tom {
	public void study(ICourse course){
		course.study();
	}
}

来看调用：

public static void main(String[] args) {
	Tom tom = new Tom();
	tom.study(new JavaCourse());
	tom.study(new PythonCourse());
}

我们这时候再看来代码，Tom 的兴趣无论怎么暴涨，对于新的课程，我只需要新建一个类，通过传参的方式告诉Tom，而不需要修改底层代码。实际上这是一种大家非常熟悉的方式，叫依赖注入。注入的方式还有构造器方式和setter 方式。我们来看构造器注入
方式：

public class Tom {
	private ICourse course;
	public Tom(ICourse course){
		this.course = course;
	}
	public void study(){
		course.study();
	}
}

看调用代码：

public static void main(String[] args) {
	Tom tom = new Tom(new JavaCourse());
	tom.study();
}

根据构造器方式注入，在调用时，每次都要创建实例。那么，如果Tom 是全局单例，则我们就只能选择用Setter 方式来注入，继续修改Tom 类的代码：

public class Tom {
	private ICourse course;
	public void setCourse(ICourse course) {
		this.course = course;
	}
	public void study(){
		course.study();
	}
}

看调用代码：

public static void main(String[] args) {
	Tom tom = new Tom();
	tom.setCourse(new JavaCourse());
	tom.study();
	tom.setCourse(new PythonCourse());
	tom.study();
}

现在我们再来看最终的类图：

大家要切记：以抽象为基准比以细节为基准搭建起来的架构要稳定得多，因此大家在拿到需求之后，要面向接口编程，先顶层再细节来设计代码结构。
单一职责原则
单一职责（Simple Responsibility Pinciple，SRP）是指不要存在多于一个导致类变更的原因。假设我们有一个Class 负责两个职责，一旦发生需求变更，修改其中一个职责的逻辑代码，有可能会导致另一个职责的功能发生故障。这样一来，这个Class 存在两个导致类变更的原因。如何解决这个问题呢？我们就要给两个职责分别用两个Class 来实现，进行解耦。后期需求变更维护互不影响。这样的设计，可以降低类的复杂度，提高类的可读性， 提高系统的可维护性， 降低变更引起的风险。总体来说就是一个Class/Interface/Method 只负责一项职责。接下来，我们来看代码实例，还是用课程举例，我们的课程有直播课和录播课。直播课不能快进和快退，录播可以可以任意的反复观看，功能职责不一样。还是先创建一个
Course 类：

public class Course {
	public void study(String courseName){
		if("直播课".equals(courseName)){
			System.out.println(courseName + "不能快进");
		}else{
			System.out.println(courseName + "可以反复回看");
		}
	}
}

看代码调用：

public static void main(String[] args) {
	Course course = new Course();
	course.study("直播课");
	course.study("录播课");
}

从上面代码来看，Course 类承担了两种处理逻辑。假如，现在要对课程进行加密，那么直播课和录播课的加密逻辑都不一样，必须要修改代码。而修改代码逻辑势必会相互影响容易造成不可控的风险。我们对职责进行分离解耦，来看代码，分别创建两个类ReplayCourse 和LiveCourse：
LiveCourse 类：

public class LiveCourse {
	public void study(String courseName){
		System.out.println(courseName + "不能快进看");
	}
}

ReplayCourse 类：

public class ReplayCourse {
	public void study(String courseName){
		System.out.println(courseName + "可以反复回");
	}
}

调用代码：

public static void main(String[] args) {
	LiveCourse liveCourse = new LiveCourse();
	liveCourse.study("直播课");
	ReplayCourse replayCourse = new ReplayCourse();
	replayCourse.study("录播课");
}

业务继续发展，课程要做权限。没有付费的学员可以获取课程基本信息，已经付费的学员可以获得视频流，即学习权限。那么对于控制课程层面上至少有两个职责。我们可以把展示职责和管理职责分离开来，都实现同一个抽象依赖。设计一个顶层接口,创建ICourse 接口：

public interface ICourse {
	//获得基本信息
	String getCourseName();
	//获得视频流
	byte[] getCourseVideo();
	//学习课程
	void studyCourse();
	//退款
	void refundCourse();
}

我们可以把这个接口拆成两个接口，创建一个接口ICourseInfo 和ICourseManager：
ICourseInfo 接口：

public interface ICourseInfo {
	String getCourseName();
	byte[] getCourseVideo();
}

ICourseManager 接口：

public interface ICourseManager {
	void studyCourse();
	void refundCourse();
}

来看一下类图：
下面我们来看一下方法层面的单一职责设计。有时候，我们为了偷懒，通常会把一个方法写成下面这样：

private void modifyUserInfo(String userName,String address){
	userName = "Tom";
	address = "Changsha";
}

还可能写成这样：

private void modifyUserInfo(String userName,String... fileds){
	userName = "Tom";
	// address = "Changsha";
}


	private void modifyUserInfo(String userName,String address,boolean bool){
	if(bool){
	}else{
	}
	userName = "Tom";
	address = "Changsha";
}

显然，上面的modifyUserInfo()方法中都承担了多个职责，既可以修改userName,也可以修改address，甚至更多，明显不符合单一职责。那么我们做如下修改，把这个方法拆成两个：

private void modifyUserName(String userName){
	userName = "Tom";
}
private void modifyAddress(String address){
	address = "Changsha";
}

这修改之后，开发起来简单，维护起来也容易。但是，我们在实际开发中会项目依赖，组合，聚合这些关系，还有还有项目的规模，周期，技术人员的水平，对进度的把控，很多类都不符合单一职责。但是，我们在编写代码的过程，尽可能地让接口和方法保持单一职责，对我们项目后期的维护是有很大帮助的。
接口隔离原则
接口隔离原则（Interface Segregation Principle, ISP）是指用多个专门的接口，而不使用单一的总接口，客户端不应该依赖它不需要的接口。这个原则指导我们在设计接口时应当注意一下几点：
1、一个类对一类的依赖应该建立在最小的接口之上。
2、建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口。
3、尽量细化接口，接口中的方法尽量少（不是越少越好，一定要适度）。接口隔离原则符合我们常说的高内聚低耦合的设计思想，从而使得类具有很好的可读性、可扩展性和可维护性。我们在设计接口的时候，要多花时间去思考，要考虑业务模型，包括以后有可能发生变更的地方还要做一些预判。所以，对于抽象，对业务模型的理解是非常重要的。下面我们来看一段代码，写一个动物行为的抽象：
IAnimal 接口：

public interface IAnimal {
	void eat();
	void fly();
	void swim();
}

Bird 类实现：

public class Bird implements IAnimal {
	@Override
	public void eat() {}
	@Override
	public void fly() {}
	@Override
	public void swim() {}
}

Dog 类实现：

public class Dog implements IAnimal {
	@Override
	public void eat() {}
	@Override
	public void fly() {}
	@Override
	public void swim() {}
}

可以看出，Bird 的swim()方法可能只能空着，Dog 的fly()方法显然不可能的。这时候，我们针对不同动物行为来设计不同的接口，分别设计IEatAnimal，IFlyAnimal 和ISwimAnimal 接口，来看代码：
IEatAnimal 接口：

public interface IEatAnimal {
	void eat();
}

IFlyAnimal 接口：

public interface IFlyAnimal {
	void fly();
}

ISwimAnimal 接口：

public interface ISwimAnimal {
	void swim();
}

Dog 只实现IEatAnimal 和ISwimAnimal 接口：
public class Dog implements ISwimAnimal,IEatAnimal {
@Override

public void eat() {}
@Override
public void swim() {}
}

来看下两种类图的对比，还是非常清晰明了的：

迪米特法则
迪米特原则（Law of Demeter LoD）是指一个对象应该对其他对象保持最少的了解，又叫最少知道原则（Least Knowledge Principle,LKP），尽量降低类与类之间的耦合。迪米特原则主要强调只和朋友交流，不和陌生人说话。出现在成员变量、方法的输入、输出参数中的类都可以称之为成员朋友类，而出现在方法体内部的类不属于朋友类。

现在来设计一个权限系统，Boss 需要查看目前发布到线上的课程数量。这时候，Boss要找到TeamLeader 去进行统计，TeamLeader 再把统计结果告诉Boss。接下来我们还是来看代码：

Course 类：
public class Course {
}
TeamLeader 类：
public class TeamLeader {
	public void checkNumberOfCourses(List<Course> courseList){
		System.out.println("目前已发布的课程数量是："+courseList.size());
	}
}
Boss 类：
public class Boss {
	public void commandCheckNumber(TeamLeader teamLeader){
		//模拟Boss 一页一页往下翻页，TeamLeader 实时统计
		List<Course> courseList = new ArrayList<Course>();
		for (int i= 0; i < 20 ;i ++){
			courseList.add(new Course());
		}
		teamLeader.checkNumberOfCourses(courseList);
	}
}

测试代码：

public static void main(String[] args) {
	Boss boss = new Boss();
	TeamLeader teamLeader = new TeamLeader();
	boss.commandCheckNumber(teamLeader);
}

写到这里，其实功能已经都已经实现，代码看上去也没什么问题。根据迪米特原则，Boss只想要结果，不需要跟Course 产生直接的交流。而TeamLeader 统计需要引用Course对象。Boss 和Course 并不是朋友，从下面的类图就可以看出来：

下面来对代码进行改造：

TeamLeader 类：
public class TeamLeader {
	public void checkNumberOfCourses(){
		List<Course> courseList = new ArrayList<Course>();
		for(int i = 0 ;i < 20;i++){
			courseList.add(new Course());
		}
		System.out.println("目前已发布的课程数量是："+courseList.size());
	}
}
Boss 类：
public class Boss {
	public void commandCheckNumber(TeamLeader teamLeader){
		teamLeader.checkNumberOfCourses();
	}
}

再来看下面的类图，Course 和Boss 已经没有关联了。

学习软件设计原则，千万不能形成强迫症。碰到业务复杂的场景，我们需要随机应变。
里氏替换原则
里氏替换原则（Liskov Substitution Principle,LSP）是指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 都替换成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。定义看上去还是比较抽象，我们重新理解一下，可以理解为一个软件实体如果适用一个父类的话，那一定是适用于其子类，所有引用父类的地方必须能透明地使用其子类的对象，子类对象能够替换父类对象，而程序逻辑不变。根据这个理解，我们总结一下：
引申含义：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。
1、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。
2、子类中可以增加自己特有的方法。
3、当子类的方法重载父类的方法时，方法的前置条件（即方法的输入/入参）要比父类方法的输入参数更宽松。
4、当子类的方法实现父类的方法时（重写/重载或实现抽象方法），方法的后置条件（即方法的输出/返回值）要比父类更严格或相等。

在前面讲开闭原则的时候埋下了一个伏笔，我们记得在获取折后时重写覆盖了父类的getPrice()方法，增加了一个获取源码的方法getOriginPrice()，显然就违背了里氏替换原则。我们修改一下代码，不应该覆盖getPrice()方法，增加getDiscountPrice
()方法：

public class JavaDiscountCourse extends JavaCourse {
	public JavaDiscountCourse(Integer id, String name, Double price) {
		super(id, name, price);
	}
	public Double getDiscountPrice(){
		return super.getPrice() * 0.61;
	}
}

使用里氏替换原则有以下优点：
1、约束继承泛滥，开闭原则的一种体现。
2、加强程序的健壮性，同时变更时也可以做到非常好的兼容性，提高程序的维护性、扩展性。降低需求变更时引入的风险。
现在来描述一个经典的业务场景，用正方形、矩形和四边形的关系说明里氏替换原则，我们都知道正方形是一个特殊的长方形，那么就可以创建一个长方形父类Rectangle 类：

public class Rectangle {
	private long height;
	private long width;
	@Override
	public long getWidth() {
		return width;
	}
	@Override
	public long getLength() {
		return length;
	}
	public void setLength(long length) {
		this.length = length;
	}
	public void setWidth(long width) {
		this.width = width;
	}
}

创建正方形Square 类继承长方形：

public class Square extends Rectangle {
	private long length;
	public long getLength() {
		return length;
	}
	public void setLength(long length) {
		this.length = length;
	}
	@Override
	public long getWidth() {
		return getLength();
	}
	@Override
	public long getHeight() {
		return getLength();
	}
	@Override
	public void setHeight(long height) {
		setLength(height);
	}
	@Override
	public void setWidth(long width) {
		setLength(width);
	}
}

在测试类中创建resize()方法，根据逻辑长方形的宽应该大于等于高，我们让高一直自增，知道高等于宽变成正方形：

public static void resize(Rectangle rectangle){
	while (rectangle.getWidth() >= rectangle.getHeight()){
		rectangle.setHeight(rectangle.getHeight() + 1);
		System.out.println("width:"+rectangle.getWidth() + ",height:"+rectangle.getHeight());
	}
	System.out.println("resize 方法结束" +
	"\nwidth:"+rectangle.getWidth() + ",height:"+rectangle.getHeight());
}
测试代码：
public static void main(String[] args) {
	Rectangle rectangle = new Rectangle();
	rectangle.setWidth(20);
	rectangle.setHeight(10);
	resize(rectangle);
}

运行结果：
发现高比宽还大了，在长方形中是一种非常正常的情况。现在我们再来看下面的代码，把长方形Rectangle 替换成它的子类正方形Square，修改测试代码：

public static void main(String[] args) {
	Square square = new Square();
	square.setLength(10);
	resize(square);
}

这时候我们运行的时候就出现了死循环，违背了里氏替换原则，将父类替换为子类后，程序运行结果没有达到预期。因此，我们的代码设计是存在一定风险的。里氏替换原则只存在父类与子类之间，约束继承泛滥。我们再来创建一个基于长方形与正方形共同的
抽象四边形Quadrangle 接口：

public interface Quadrangle {
	long getWidth();
	long getHeight();
}

修改长方形Rectangle 类：

public class Rectangle implements Quadrangle {
	private long height;
	private long width;
	@Override
	public long getWidth() {
		return width;
	}
	public long getHeight() {
		return height;
	}
	public void setHeight(long height) {
		this.height = height;
	}
	public void setWidth(long width) {
		this.width = width;
	}
}

修改正方形类Square 类：

public class Square implements Quadrangle {
	private long length;
	public long getLength() {
		return length;
	}
	public void setLength(long length) {
		this.length = length;
	}
	@Override
	public long getWidth() {
		return length;
	}
	@Override
	public long getHeight() {
		return length;
	}
}

此时，如果我们把resize()方法的参数换成四边形Quadrangle 类，方法内部就会报错。因为正方形Square 已经没有了setWidth()和setHeight()方法了。因此，为了约束继承泛滥，resize()的方法参数只能用Rectangle 长方形。当然，我们在后面的设计模式课程
中还会继续深入讲解。
合成复用原则
合成复用原则（Composite/Aggregate Reuse Principle,CARP）是指尽量使用对象组合(has-a)/聚合(contanis-a)，而不是继承关系达到软件复用的目的。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。继承我们叫做白箱复用，相当于把所有的实现细节暴露给子类。组合/聚合也称之为黑箱
复用，对类以外的对象是无法获取到实现细节的。要根据具体的业务场景来做代码设计，其实也都需要遵循OOP 模型。还是以数据库操作为例，先来创建DBConnection 类：

public class DBConnection {
	public String getConnection(){
		return "MySQL 数据库连接";
	}
}
创建ProductDao 类：
public class ProductDao{
	private DBConnection dbConnection;
	public void setDbConnection(DBConnection dbConnection) {
		this.dbConnection = dbConnection;
	}
	public void addProduct(){
		String conn = dbConnection.getConnection();
		System.out.println("使用"+conn+"增加产品");
	}
}

这就是一种非常典型的合成复用原则应用场景。但是，目前的设计来说，DBConnection还不是一种抽象，不便于系统扩展。目前的系统支持MySQL 数据库连接，假设业务发生变化，数据库操作层要支持Oracle 数据库。当然，我们可以在DBConnection 中增加对
Oracle 数据库支持的方法。但是违背了开闭原则。其实，我们可以不必修改Dao 的代码，将DBConnection 修改为abstract，来看代码：

public abstract class DBConnection {
public abstract String getConnection();
}

然后，将MySQL 的逻辑抽离：

public class MySQLConnection extends DBConnection {
	@Override
	public String getConnection() {
		return "MySQL 数据库连接";
	}
}

再创建Oracle 支持的逻辑：

public class OracleConnection extends DBConnection {
	@Override
	public String getConnection() {
		return "Oracle 数据库连接";
	}
}

具体选择交给应用层，来看一下类图：

设计原则总结
学习设计原则，学习设计模式的基础。在实际开发过程中，并不是一定要求所有代码都遵循设计原则，我们要考虑人力、时间、成本、质量，不是刻意追求完美，要在适当的场景遵循设计原则，体现的是一种平衡取舍，帮助我们设计出更加优雅的代码结构。