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（DefaultSpecificSkin和HeimaSpecificSkin)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;
    }
}

复制代码
//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);
    }
}
复制代码
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());
    }
}
复制代码

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();
}
复制代码
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;
    }
}
复制代码
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;
    }
}
复制代码
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());
    }
}
复制代码

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Inte1，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";
    }
}
复制代码
//英特尔CPU
public class IntelCPU {
    public void run() {
        System.out.println("使用英特尔处理器");
    }
}
复制代码
//金士顿内存条
public class KingstonMemory {
    public void save(){
        System.out.println("使用金士顿内存条");
    }
}
复制代码
// 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;
    }
}
复制代码
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
        */
    }
}
复制代码

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();
}
复制代码
public interface HardDisk {

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

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";
    }
}
复制代码
public class IntelCPU implements Cpu {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("使用英特尔处理器");
    }
}
复制代码
public class KingstonMemory implements Memory {
    @Override
    public void save() {
        System.out.println("使用金士顿内存条");
    }
}
复制代码

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;
    }
}
复制代码

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
        */
    }
}
复制代码

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;
    }
}
复制代码
// 商业公司
public class Company {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}
复制代码
// 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;
    }
}
复制代码
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
    }
}
复制代码

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

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THE END
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