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java 设计原则

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文章目录

  • 一、软件设计原则
    • 1.开闭原则
    • 2.依赖倒置原则
    • 3.单一职责原则
    • 4.接口隔离原则
    • 5.迪米特法则
    • 6.里氏替换原则
    • 7.合成复用原则



一、软件设计原则

1.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。

1.课程接口ICourse

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

2.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;}
}

3.现在我们要给 Java 架构课程做活动,价格优惠。如果修改 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

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;}

2.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

tom正在学习技术

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");}
}

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  void  study(ICourse  course){ 
	course.study();
}

然后调用

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();
}

调用

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();}
}

调用

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

3.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");}
	}
}

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:

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

调用

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

public interface ICourseInfo { 
String getCourseName(); 
byte[] getCourseVideo();
}
public interface ICourseManager { 
void studyCourse();
void refundCourse();
}

类图:
在这里插入图片描述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";
}

4.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() {}
}

5.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
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();}
}

6.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);
}

在这里插入图片描述

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

7.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";}
}

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