Java 软件设计原则

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在软件开发中,为了提高软件系统的可维护性和可复用性,增加软件的可扩展性和灵活性,程序员要尽量根据6条原则来开发程序,从而提高软件开发效率、节约软件开发成本和维护成本。

1、开闭原则

对扩展开放,对修改关闭。 在程序需要进行拓展的时候,不能去修改原有的代码,实现一个热插拔的效果。简言之,是为了使程序的扩展性好,易于维护和升级。

想要达到这样的效果,我们需要使用接口和抽象类。

因为抽象灵活性好,适应性广,只要抽象的合理,可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节可以从抽象派生来的实现类来进行扩展,当软件需要发生变化时,只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了。

下面以搜狗输入法的皮肤为例介绍开闭原则的应用。

【例】搜狗输入法的皮肤设计。

分析:搜狗输入法的皮肤是输入法背景图片、窗口颜色和声音等元素的组合。用户可以根据自己的喜爱更换自己的输入法的皮肤,也可以从网上下载新的皮肤。这些皮肤有共同的特点,可以为其定义一个抽象类(AbstractSkin),而每个具体的皮肤(DefaultSpecificSkinHeimaSpecificSkin)是其子类。用户窗体可以根据需要选择或者增加新的主题,而不需要修改原代码,所以它是满足开闭原则的。

image.png

2、里氏代换原则

里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。

里氏代换原则:任何基类可以出现的地方,子类一定可以出现。通俗理解:子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。换句话说,子类继承父类时,除添加新的方法完成新增功能外,尽量不要重写父类的方法。

如果通过重写父类的方法来完成新的功能,这样写起来虽然简单,但是整个继承体系的可复用性会比较差,特别是运用多态比较频繁时,程序运行出错的概率会非常大。

下面看一个里氏替换原则中经典的一个例子

【例】正方形不是长方形。

在数学领域里,正方形毫无疑问是长方形,它是一个长宽相等的长方形。所以,我们开发的一个与几何图形相关的软件系统,就可以顺理成章的让正方形继承自长方形。

image.png

//矩形
public class Rectangle {
    private double length;
    private double width;

    public double getLength() {
        return length;
    }

    public void setLength(double length) {
        this.length = length;
    }

    public double getWidth() {
        return width;
    }

    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }
}

//正方形
public class Square extends Rectangle {
    // 调用父类方法设置边长
    @Override
    public void setLength(double length) {
        super.setLength(length);
        super.setWidth(length);
    }

    @Override
    public void setWidth(double width) {
        super.setWidth(width);
        super.setLength(width);
    }
}
public class RectangleDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Rectangle r = new Rectangle();
        r.setLength(20);
        r.setWidth(10);
        resize(r);
        printLengthAndWidth(r); //    长:20.0|宽:21.0

        System.out.println("=====================");
        Square s = new Square();
        s.setLength(20);
        resize(s);
        printLengthAndWidth(s); //    死循环
    }

    private static void resize(Rectangle rectangle) {
        // 拓宽
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        }
    }

    private static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {
        System.out.println("长:" + rectangle.getLength() + "|宽:" + rectangle.getWidth());
    }
}

我们运行一下这段代码就会发现,假如我们把一个普通长方形作为参数传入resize方法,就会看到长方形宽度逐渐增长的效果,当宽度大于长度,代码就会停止,这种行为的结果符合我们的预期;

假如我们再把一个正方形作为参数传入resize方法后,就会看到正方形的宽度和长度都在不断增长,代码会一直运行下去,直至系统产生溢出错误。所以,普通的长方形是适合这段代码的,正方形不适合。

我们得出结论:在resize方法中,Rectang1e类型的参数是不能被Square类型的参数所代替,如果进行了替换就得不到预期结果。因此,Square类和Rectang1e类之间的继承关系违反了里氏代换原则,它们之间的继承关系不成立,正方形不是长方形。

如何改进呢?此时我们需要重新设计他们之间的关系。抽象出来一个四边形接口(Quadrilateral),让Rectangle类和square类实现Quadrilateral接口

image.png

public interface Quadrilateral {

    double getLength();

    double getWidth();
}
public class Rectangle implements Quadrilateral {
    private double length;
    private double width;

    public void setLength(double length) {
        this.length = length;
    }

    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }

    @Override
    public double getLength() {
        return length;
    }

    @Override
    public double getWidth() {
        return width;
    }
}
public class Square implements Quadrilateral {

    private double side;

    public double getSide() {
        return side;
    }

    public void setSide(double side) {
        this.side = side;
    }

    @Override
    public double getLength() {
        return side;
    }

    @Override
    public double getWidth() {
        return side;
    }
}
public class RectangleDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Rectangle r = new Rectangle();
        r.setLength(20);
        r.setWidth(10);
        resize(r);
        printLengthAndWidth(r); //    长:20.0|宽:21.0

        System.out.println("=====================");
        Square s = new Square();
        s.setSide(20);
        printLengthAndWidth(s); //    长:20.0|宽:20.0
    }
	 // 改良后 矩形和正方形无继承关系
    private static void resize(Rectangle rectangle) {
        // 拓宽
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        }
    }

    private static void printLengthAndWidth(Quadrilateral quadrilateral) {
        System.out.println("长:" + quadrilateral.getLength() + "|宽:" + quadrilateral.getWidth());
    }
}

3、依赖倒转原则

高层模块不应该依赖低层模块,两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。简单的说就是要求对抽象进行编程,不要对实现进行编程,这样就降低了客户与实现模块间的耦合。

下面看一个例子来理解依赖倒转原则

【例】组装电脑

现要组装一台电脑,需要配件cpu,硬盘,内存条。只有这些配置都有了,计算机才能正常的运行。选择cpu有很多选择,如Intel,AMD等,硬盘可以选择希捷,西数等,内存条可以选择金士顿,海盗船等。

image.png

// 希捷硬盘
public class XijieHardDisk {
    public void save(String data) {
        System.out.println("使用了希捷硬盘存储数据:" + data);
    }

    public String get() {
        System.out.println("使用了希捷硬盘读取数据");
        return "数据";
    }
}
//英特尔CPU
public class IntelCPU {
    public void run() {
        System.out.println("使用英特尔处理器");
    }
}
//金士顿内存条
public class KingstonMemory {
    public void save(){
        System.out.println("使用金士顿内存条");
    }
}
// 计算机
public class Computer {
    private XijieHardDisk hardDisk;
    private IntelCPU cpu;
    private KingstonMemory memory;

    public void run(){
        System.out.println("运行计算机...");
        String data = hardDisk.get();
        System.out.println("从硬盘上读取的数据是:"+data);
        cpu.run();
        memory.save();
    }

    public XijieHardDisk getHardDisk() {
        return hardDisk;
    }

    public void setHardDisk(XijieHardDisk hardDisk) {
        this.hardDisk = hardDisk;
    }

    public IntelCPU getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(IntelCPU cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public KingstonMemory getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(KingstonMemory memory) {
        this.memory = memory;
    }
}
public class ComputerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 新电脑
        Computer computer = new Computer();
        // 装机
        computer.setCpu(new IntelCPU());
        computer.setHardDisk(new XijieHardDisk());
        computer.setMemory(new KingstonMemory());
        //运行
        computer.run();
        /*
        运行计算机...
        使用了希捷硬盘读取数据
        从硬盘上读取的数据是:数据
        使用英特尔处理器
        使用金士顿内存条
        */
    }
}

上面代码可以看到已经组装了一台电脑,但是似乎组装的电脑的cpu只能是Intel的,内存条只能是金士顿的,硬盘只能是希捷的,这对用户肯定是不友好的,用户有了机箱肯定是想按照自己的喜好,选择自己喜欢的配件。

根据依赖倒转原则进行改进

代码我们只需要修改Computer类,让Computer类依赖抽象(各个配件的接口),而不是依赖于各个组件具体的实现类。

image.png

设计接口

public interface Cpu {
    void run();
}
public interface HardDisk {

    void save(String data);
    String get();
}
public interface Memory {
    void save();
}

具体硬件实现

public class XijieHardDisk implements HardDisk {

    @Override
    public void save(String data) {
        System.out.println("使用了希捷硬盘存储数据:" + data);
    }

    @Override
    public String get() {
        System.out.println("使用了希捷硬盘读取数据");
        return "数据";
    }
}
public class IntelCPU implements Cpu {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("使用英特尔处理器");
    }
}
public class KingstonMemory implements Memory {
    @Override
    public void save() {
        System.out.println("使用金士顿内存条");
    }
}

设计电脑

public class Computer {
    // 不再是具体的实现,而是抽象的接口
    private HardDisk hardDisk;
    private Cpu cpu;
    private Memory memory;

    public void run(){
        System.out.println("运行计算机...");
        String data = hardDisk.get();
        System.out.println("从硬盘上读取的数据是:"+data);
        cpu.run();
        memory.save();
    }

    public HardDisk getHardDisk() {
        return hardDisk;
    }

    public void setHardDisk(HardDisk hardDisk) {
        this.hardDisk = hardDisk;
    }

    public Cpu getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(Cpu cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public Memory getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(Memory memory) {
        this.memory = memory;
    }
}

开始装机

public class ComputerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 新电脑
        Computer computer = new Computer();
        // 装机,新配件只用实现各自的接口就能使用了
        computer.setCpu(new IntelCPU());
        computer.setHardDisk(new XijieHardDisk());
        computer.setMemory(new KingstonMemory());
        //运行
        computer.run();
        /*
        运行计算机...
        使用了希捷硬盘读取数据
        从硬盘上读取的数据是:数据
        使用英特尔处理器
        使用金士顿内存条
        */
    }
}

4、接口隔离原则

客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法;一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

image.png

下面看一个例子来理解接口隔离原则

【例】安全门案例

我们需要创建一个黑马品牌的安全门,该安全门具有防火、防水、防盗的功能。可以将防火,防水,防盗功能提取成一个接口,形成一套规范。类图如下:

image.png

上面的设计我们发现了它存在的问题,黑马品牌的安全门具有防盗,防水,防火的功能。现在如果我们还需要再创建一个传智品牌的安全门,而该安全门只具有防盗、防水功能呢?很显然如果实现SafetyDoor接口就违背了接口隔离原则,那么我们如何进行修改呢?看如下类图:

image.png

5、迪米特法则

迪米特法则又叫最少知识原则。

只和你的直接朋友交谈,不跟“陌生人”说话(Talk only to your immediate friends and not to strangers)。

其含义是:如果两个软件实体无须直接通信,那么就不应当发生直接的相互调用,可以通过第三方转发该调用。其目的是降低类之间的耦合度,提高模块的相对独立性。

迪米特法则中的“朋友”是指:当前对象本身、当前对象的成员对象、当前对象所创建的对象、当前对象的方法参数等,这些对象同当前对象存在关联、聚合或组合关系,可以直接访问这些对象的方法。

下面看一个例子来理解迪米特法则

【例】明星与经纪人的关系实例

明星由于全身心投入艺术,所以许多日常事务由经纪人负责处理,如和粉丝的见面会,和媒体公司的业务洽淡等。这里的经纪人是明星的朋友,而粉丝和媒体公司是陌生人,所以适合使用迪米特法则。

类图如下:

image.png

//明星
public class Star {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}
// 商业公司
public class Company {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}
// 经纪人(公司)第三方
public class Agent {
    private Star star;
    private Fans fans;
    private Company company;

    public void meeting(){
        System.out.println(fans.getName()+"与明星"+star.getName()+"见面了");
    }
    public void business(){
        System.out.println(company.getName()+"与明星"+star.getName()+"洽谈业务");
    }
    public void setStar(Star star) {
        this.star = star;
    }

    public void setFans(Fans fans) {
        this.fans = fans;
    }

    public void setCompany(Company company) {
        this.company = company;
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        Star star = new Star();
        Company company = new Company();
        Fans fans = new Fans();
        star.setName("周杰伦");
        fans.setName("王先生");
        company.setName("火山公司");

        Agent agent = new Agent();
        agent.setCompany(company);
        agent.setStar(star);
        agent.setFans(fans);

        agent.business();   //火山公司与明星周杰伦洽谈业务
        agent.meeting();    //王先生与明星周杰伦见面了
    }
}

6、合成复用原则

合成复用原则是指:尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现,其次才考虑使用继承关系来实现。

通常类的复用分为继承复用和合成复用两种。

继承复用虽然有简单和易实现的优点,但它也存在以下缺点:

  1. 继承复用破坏了类的封装性。因为继承会将父类的实现细节暴露给子类,父类对子类是透明的,所以这种复用又称为“白箱”复用。

  2. 子类与父类的耦合度高。父类的实现的任何改变都会导致子类的实现发生变化,这不利于类的扩展与维护。

  3. 它限制了复用的灵活性。从父类继承而来的实现是静态的,在编译时已经定义,所以在运行时不可能发生变化。

采用组合或聚合复用时,可以将已有对象纳入新对象中,使之成为新对象的一部分,新对象可以调用已有对象的功能,它有以下优点:

  1. 它维持了类的封装性。因为成分对象的内部细节是新对象看不见的,所以这种复用又称为“黑箱"复用。

  2. 对象间的耦合度低。可以在类的成员位置声明抽象。

  3. 复用的灵活性高。这种复用可以在运行时动态进行,新对象可以动态地引用与成分对象类型相同的对象。

下面看一个例子来理解合成复用原则

【例】汽车分类管理程序

汽车按“动力源”划分可分为汽油汽车、电动汽车等;按“颜色”划分可分为白色汽车、黑色汽车和红色汽年等。如果同时考虑这两种分类,其组合就很多。类图如下:

image.png

从上面类图我们可以看到使用继承复用产生了很多子类,如果现在又有新的动力源或者新的颜色的话,就需要再定义新的类。我们试着将继承复用改为聚合复用看一下。

image.png