设计模式六原则
前言
我相信很多开发人员或多或少都听过或使用过设计模式，但不知道有多少人会思考过遵循这些设计模式的目的是什么？或者说遵循这些设计模式能为软件开发带来什么好处？即便知道遵循设计模式是「好」，但是这个「好」该如何衡量？这篇关于设计模式之原则的文章希望能帮助有类似疑惑的同学厘清思路，找到答案
1. 单一职责原则
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
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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 -
解决方案
遵循单一职责原则。分别建立两个类T1、T2，使T1完成职责P1功能，T2完成职责P2功能。这样，当修改类T1时，不会使职责P2发生故障风险；同理，当修改T2时，也不会使职责P1发生故障风险
2. 里氏替换原则
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。
另外肯定有不少人跟我刚看到这项原则的时候一样，对这个原则的名字充满疑惑。其实原因就是这项原则最早是在1988年，由麻省理工学院的一位姓里的女士（Barbara Liskov）提出来的
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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
3. 依赖倒置原则
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
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
有点不好理解，先来看段代码
interface I {
public void method1();
public void method2();
public void method3();
public void method4();
public 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 implements I{
public void method1() {
System.out.println("类B实现接口I的方法1");
}
public void method2() {
System.out.println("类B实现接口I的方法2");
}
public void method3() {
System.out.println("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 implements I{
public void method1() {
System.out.println("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() {
System.out.println("类D实现接口I的方法4");
}
public void method5() {
System.out.println("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
interface I1 {
public void method1();
}
interface I2 {
public void method2();
public void method3();
}
interface I3 {
public void method4();
public 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 implements I1, I2{
public void method1() {
System.out.println("类B实现接口I1的方法1");
}
public void method2() {
System.out.println("类B实现接口I2的方法2");
}
public void method3() {
System.out.println("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 implements I1, I3{
public void method1() {
System.out.println("类D实现接口I1的方法1");
}
public void method4() {
System.out.println("类D实现接口I3的方法4");
}
public void method5() {
System.out.println("类D实现接口I3的方法5");
}
}
接口隔离原则的含义是：建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口，尽量细化接口，接口中的方法尽量少。也就是说，我们要为各个类建立专用的接口，而不要试图去建立一个很庞大的接口供所有依赖它的类去调用。本文例子中，将一个庞大的接口变更为3个专用的接口所采用的就是接口隔离原则。在程序设计中，依赖几个专用的接口要比依赖一个综合的接口更灵活。接口是设计时对外部设定的「契约」，通过分散定义多个接口，可以预防外来变更的扩散，提高系统的灵活性和可维护性
5. 迪米特法则
一个对象应该对其他对象保持最少的了解
迪米特法则又叫最少知道原则，最早是在1987年由美国Northeastern University的Ian Holland提出。通俗的来讲，就是一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说，对于被依赖的类来说，无论逻辑多么复杂，都尽量地的将逻辑封装在类的内部，对外除了提供的public方法，不对外泄漏任何信息。迪米特法则还有一个更简单的定义：只与直接的朋友通信。首先来解释一下什么是直接的朋友：每个对象都会与其他对象有耦合关系，只要两个对象之间有耦合关系，我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多，依赖、关联、组合、聚合等。其中，我们称出现成员变量、方法参数、方法返回值中的类为直接的朋友，而出现在局部变量中的类则不是直接的朋友。也就是说，陌生的类最好不要作为局部变量的形式出现在类的内部
- 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 ArrayList<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 ArrayList<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();
for(SubEmployee e:list1){
System.out.println(e.getId());
}
List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
for(Employee e:list2){
System.out.println(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 ArrayList<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;
}
public void printEmployee(){
List<SubEmployee> list = this.getAllEmployee();
for(SubEmployee e:list){
System.out.println(e.getId());
}
}
}
class CompanyManager{
public List<Employee> getAllEmployee(){
List<Employee> list = new ArrayList<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();
for(Employee e:list2){
System.out.println(e.getId());
}
}
}
修改后，为分公司增加了打印人员ID的方法，总公司直接调用来打印，从而避免了与分公司的员工发生耦合。
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
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。以前，如果有人告诉我「你进行设计的时候一定要遵守开闭原则」，我会觉的他什么都没说，但貌似又什么都说了。因为开闭原则真的太虚了
在仔细思考以及仔细阅读很多设计模式的文章后，终于对开闭原则有了一点认识。其实，我们遵循设计模式前面5大原则，以及使用23种设计模式的目的就是遵循开闭原则。也就是说，只要我们对前面5项原则遵守的好了，设计出的软件自然是符合开闭原则的，这个开闭原则更像是前面五项原则遵守后的自然结果，前面5项原则遵守的好，说明软件设计开闭原则遵守的好；如果前面5项原则遵守的不好，则说明开闭原则遵守的不好
开闭原则从另外一个角度也可以理解为：用抽象构建框架，用实现扩展细节。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，我们用从抽象派生的实现类来进行扩展，当软件需要发生变化时，我们只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了。当然前提是我们的抽象要合理，要对需求的变更有前瞻性和预见性才行
说到这里，再回想一下前面说的5项原则，恰恰是告诉我们用抽象构建框架，用实现扩展细节的注意事项而已：单一职责原则告诉我们实现类要职责单一；里氏替换原则告诉我们不要破坏继承体系；依赖倒置原则告诉我们要面向接口编程；接口隔离原则告诉我们在设计接口的时候要精简单一；迪米特法则告诉我们要降低耦合。而开闭原则是总纲，他告诉我们要对扩展开放，对修改关闭
最后说明一下如何去遵守这六个原则。对这六个原则的遵守并不是是和否的问题，而是多和少的问题，也就是说，我们一般不会说有没有遵守，而是说遵守程度的多少。任何事都是过犹不及，设计模式的六个设计原则也是一样，制定这六个原则的目的并不是要我们刻板的遵守他们，而需要根据实际情况灵活运用。对他们的遵守程度只要在一个合理的范围内，就算是良好的设计
