面向对象设计原则概述

面向对象设计原则概述

面向对象设计原则概述

• 面向对象设计原则概述
• • 单一职责原则
  • 开闭原则
  • 里氏代换原则
  • 依赖倒转原则
  • 接口隔离原则
  • 合成复用原则
  • 迪米特法则

内容来自《设计模式与艺术》一文。后续会陆续分享书中值得深思观点。

面向对象设计的目标之一在于支持可维护性复用，一方面需要实现设计方案或者源代码的重用，另一方面要确保系统能够易于扩展和修改，具有较好的灵活性。面向对象设计原则为支持可维护性复用而诞生，这些原则蕴含在很多设计模式中，它们是从许多设计方案中总结出的指导性原则。面向对象设计原则也是用于评价一个设计模式的使用效果的重要指标之一，在之后的设计模式学习中，大家经常会看到诸如“×××模式符合×××原则”“×××模式违反了×××原则”这样的语句。

最常用的7种面向对象设计原则如表所示。

单一职责原则

单一职责原则是最简单的面向对象设计原则，它用于控制类的粒度大小。单一职责原则定义如下：

单一职责原则（Single Responsibility Principle，SRP）：一个类只负责一个功能领域中的相应职责。或者可以定义为：就一个类而言，应该只有一个引起它变化的原因。

单一职责原则的核心思想是：一个类不能太“累”！在软件系统中，一个类（大到模块，小到方法）承担的职责越多，它被复用的可能性就越小，而且一个类承担的职责过多，就相当于将这些职责耦合在一起，当其中一个职责变化时，可能会影响其他职责的运作。因此要将这些职责进行分离，将不同的职责封装在不同的类中，即将不同的变化原因封装在不同的类中；如果多个职责总是同时发生改变，则可将它们封装在同一类中。

单一职责原则是实现高内聚、低耦合的指导方针，它是最简单但又最难运用的原则，需要设计人员发现类的不同职责并将其分离，这需要设计人员具有较强的分析设计能力和相关实践经验。

下面通过一个简单实例来进一步分析单一职责原则。

在图中，CustomerDataChart类中的方法说明如下：getConnection（）方法用于连接数据库，findCustomers（）方法用于查询所有的客户信息，createChart（）方法用于创建图表，displayChart（）方法用于显示图表。

现使用单一职责原则对其进行重构。

CustomerDataChart类承担了太多的职责，既包含与数据库相关的方法，又包含与图表生成和显示相关的方法。如果在其他类中也需要连接数据库或者使用findCustomers（）方法查询客户信息，则难以实现代码的重用。无论是修改数据库连接方式，还是修改图表显示方式，都需要修改该类，它拥有不止一个引起它变化的原因，违背了单一职责原则。因此需要对该类进行拆分，使其满足单一职责原则。

类CustomerDataChart可拆分为如下3个类。

• DBUtil：负责连接数据库，包含数据库连接方法getConnection（）。
• CustomerDAO：负责操作数据库中的Customer表，包含对Customer表的增／删／改／查等方法，如findCustomers（）。
• CustomerDataChart：负责图表的生成和显示，包含方法createChart（）和displayChart（）。

开闭原则

开闭原则是面向对象的可复用设计的第一块基石，它是最重要的面向对象设计原则。开闭原则由Bertrand Meyer于1988年提出，其定义如下：

开闭原则（Open-Closed Principle，OCP）：一个软件实体应当对扩展开放，对修改关闭。即软件实体应尽量在不修改原有代码的情况下进行扩展。在开闭原则的定义中，软件实体可以指一个软件模块、一个由多个类组成的局部结构或一个独立的类。

任何软件都需要面临一个很重要的问题，即它们的需求会随时间的推移而发生变化。当软件系统需要面对新的需求时，应该尽量保证系统的设计框架是稳定的。如果一个软件设计符合开闭原则，那么可以非常方便地对系统进行扩展，而且在扩展时无须修改现有代码，使得软件系统在拥有适应性和灵活性的同时具备较好的稳定性和延续性。随着软件规模越来越大，软件寿命越来越长，软件维护成本越来越高，设计满足开闭原则的软件系统也变得越来越重要。

为了满足开闭原则，需要对系统进行抽象化设计，抽象化是开闭原则的关键。在Java、C＃等编程语言中，可以为系统定义一个相对稳定的抽象层，而将不同的实现行为移至具体的实现层中完成。在很多面向对象编程语言中都提供了接口、抽象类等机制，可以通过它们定义系统的抽象层，再通过具体类来进行扩展。如果需要修改系统的行为，无须对抽象层进行任何改动，只需要增加新的具体类来实现新的业务功能即可，实现在不修改已有代码的基础上扩展系统的功能，达到开闭原则的要求。

在24种设计模式中，大部分设计模式都符合开闭原则。在对每个模式进行优缺点评价时，都会将开闭原则作为一个重要的评价依据，以判断基于该模式设计的系统是否具备良好的灵活性和可扩展性。

里氏代换原则

里氏代换原则由2008年图灵奖得主、美国第一位计算机科学女博士Barbara Liskov教授和卡内基·梅隆大学Jeannette Wing教授于1994年提出。其严格表述如下：如果对每个类型为S的对象o1，都有类型为T的对象o2，使得以T定义的所有程序P在所有的对象o1都代换o2时，程序P的行为没有变化，那么类型S是类型T的子类型。这个定义比较拗口且难以理解，因此一般使用它的另一个通俗版定义：

里氏代换原则表明，在软件中将一个基类对象替换成它的子类对象，程序将不会产生任何错误和异常，反过来则不成立。如果一个软件实体使用的是一个子类对象，那么它不一定能够使用基类对象。例如，我喜欢动物，那我一定喜欢狗，因为狗是动物的子类；但是我喜欢狗，不能据此断定我喜欢动物，因为我并不喜欢老鼠，虽然它也是动物。

里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一。由于使用基类对象的地方都可以使用子类对象，因此在程序中尽量使用基类类型来对对象进行定义，而在运行时再确定其子类类型，用子类对象来替换父类对象。

在运用里氏代换原则时，应该将父类设计为抽象类或者接口，让子类继承父类或实现父接口，并实现在父类中声明的方法。程序运行时，子类实例替换父类实例，可以很方便地扩展系统的功能，无须修改原有子类的代码，增加新的功能可以通过增加一个新的子类来实现。

依赖倒转原则

如果说开闭原则是面向对象设计的目标的话，那么依赖倒转原则就是面向对象设计的主要实现机制之一，它是系统抽象化的具体实现。依赖倒转原则是Robert C. Martin在1996年为“C++Reporter”所写的专栏Engineering Notebook的第3篇，后来加入他在2002年出版的经典著作Agile Software Development，Principles，Patterns，and Practices一书中。依赖倒转原则定义如下：

依赖倒转原则（Dependency Inversion Principle，DIP）：抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。换言之，要针对接口编程，而不是针对实现编程。

依赖倒转原则要求在程序代码中传递参数时或在关联关系中，尽量引用层次高的抽象层类，即使用接口和抽象类进行变量类型声明、参数类型声明、方法返回类型声明，以及数据类型的转换等，而不要用具体类来做这些事情。为了确保该原则的应用，一个具体类应当只实现接口或抽象类中声明过的方法，而不要给出多余的方法，否则将无法调用到在子类中增加的新方法。

在引入抽象层后，系统将具有很好的灵活性。在程序中尽量使用抽象层进行编程，而将具体类写在配置文件中。这样一来，如果系统行为发生变化，只需要对抽象层进行扩展，并修改配置文件，而无须修改原有系统的源代码，就能扩展系统的功能，满足开闭原则的要求。

在实现依赖倒转原则时，需要针对抽象层编程，而将具体类的对象通过依赖注入（Dependency Injection，DI）的方式注入其他对象中。依赖注入是指当一个对象要与其他对象发生依赖关系时，通过抽象来注入所依赖的对象。常用的注入方式有3种：构造注入、设值注入（Setter注入）和接口注入。构造注入是指通过构造函数来传入具体类的对象，设值注入是指通过Setter方法来传入具体类的对象，而接口注入是指通过实现在接口中声明的业务方法来传入具体类的对象。这些方法在定义时使用的是抽象类型，在运行时再传入具体类型的对象，由子类对象来覆盖父类对象。

下面通过一个简单实例来加深对开闭原则、里氏代换原则和依赖倒转原则的理解。

Sunny软件公司开发人员在开发某CRM系统时发现：该系统经常需要将存储在TXT或Excel文件中的客户信息转存到数据库中，因此需要进行数据格式转换。在客户数据操作类中将调用数据格式转换类的方法实现格式转换和数据库插入操作，初始设计方案结构如图

在编码实现图所示结构时，Sunny软件公司开发人员发现该设计方案存在一个非常严重的问题，由于每次转换数据时数据来源不一定相同，因此需要更换数据转换类，如有时需要将TXTDataConvertor改为ExcelDataConvertor。此时，需要修改CustomerDAO的源代码，而且在引入并使用新的数据转换类时也不得不修改CustomerDAO的源代码，系统扩展性较差，违反了开闭原则，现需要对该方案进行重构。

在本实例中，由于CustomerDAO针对具体数据转换类编程，因此在增加新的数据转换类或者更换数据转换类时都不得不修改CustomerDAO的源代码。可以通过引入抽象数据转换类解决该问题。在引入抽象数据转换类DataConvertor之后，CustomerDAO针对抽象类DataConvertor编程，而将具体数据转换类的类名存储在配置文件中，符合依赖倒转原则。根据里氏代换原则，程序运行时，具体数据转换类对象将替换DataConvertor类型的对象，程序不会产生任何异常。更换具体数据转换类时无须修改源代码，只需要修改配置文件；如果需要增加新的具体数据转换类，只要将新增数据转换类作为DataConvertor的子类并修改配置文件即可，原有代码无须做任何修改，满足开闭原则。重构后的结构如图所示。

在上述重构过程中，使用了开闭原则、里氏代换原则和依赖倒转原则。在大多数情况下，这3个设计原则会同时出现，开闭原则是目标，里氏代换原则是基础，依赖倒转原则是手段，它们相互补充，相辅相成，目标一致，只是分析问题时所站角度不同而已。

接口隔离原则

接口隔离原则定义如下：

接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）：使用多个专门的接口，而不使用单一的总接口，即客户端不应该依赖那些它不需要的接口。

根据接口隔离原则，当一个接口太大时，需要将它分割成一些更细小的接口，使用该接口的客户端仅需知道与之相关的方法即可。每个接口应该承担一种相对独立的角色。这里的“接口”有两种不同的含义：一种是指一个类型所具有的方法特征的集合，仅仅是一种逻辑上的抽象；另一种是指某种语言具体的“接口”定义，有严格的定义和结构，例如Java语言中的interface。对于这两种不同的含义，ISP的表达方式以及含义都有所不同。

• 当把“接口”理解成一个类型所提供的所有方法特征的集合时，这就是一种逻辑上的概念，接口的划分将直接带来类型的划分。可以把接口理解成角色，一个接口只能代表一个角色，每个角色都有它特定的一个接口，此时，这个原则可以叫作“角色隔离原则”。
• 如果把“接口”理解成狭义的特定语言的接口，那么ISP表达的意思是指接口仅仅提供客户端需要的行为，客户端不需要的行为则隐藏起来，应当为客户端提供尽可能小的单独的接口，而不要提供大的总接口。在面向对象编程语言中，实现一个接口就需要实现该接口中定义的所有方法，因此大的总接口使用起来不一定很方便。为了使接口的职责单一，需要将大接口中的方法根据其职责不同分别放在不同的小接口中，以确保每个接口使用起来都较为方便，并各承担某一单一角色。接口应该尽量细化，同时接口中的方法应该尽量少，每个接口中只包含一个客户端（如子模块或业务逻辑类）所需的方法即可，这种机制也称为“定制服务”，即为不同的客户端提供宽窄不同的接口。

下面通过一个简单实例来加深对接口隔离原则的理解。Sunny软件公司开发人员针对某CRM系统的客户数据显示模块设计了如图所示的CustomerDataDisplay接口。其中，方法readData（）用于从文件中读取数据；方法transformToXML（）用于将数据转换成XML格式；方法createChart（）用于创建图表；方法displayChart（）用于显示图表；方法createReport（）用于创建文字报表；方法displayReport（）用于显示文字报表。

在实际使用过程中发现该接口很不灵活。例如，如果一个具体的数据显示类无须进行数据转换（源文件本身就是XML格式），但由于实现了该接口，将不得不实现其中声明的transformToXML（）方法（至少需要提供一个空实现）。如果需要创建和显示图表，除了需实现与图表相关的方法外，还需要实现创建和显示文字报表的方法，否则程序在编译时将报错。

现使用接口隔离原则对其进行重构。

在图中，由于在接口CustomerDataDisplay中定义了太多方法，即该接口承担了太多职责。一方面导致该接口的实现类很庞大，在不同的实现类中都不得不实现接口中定义的所有方法，灵活性较差，如果出现大量的空方法，将导致系统中产生大量的无用代码，影响代码质量；另一方面由于客户端针对大接口编程，将在一定程度上破坏程序的封装性，客户端看到了不应该看到的方法，没有为客户端定制接口。因此需要将该接口按照接口隔离原则和单一职责原则进行重构，将其中的一些方法封装在不同的小接口中，确保每个接口使用起来都较为方便，并各承担某一单一角色，每个接口中只包含一个客户端（如模块或类）所需的方法即可。

通过使用接口隔离原则，本实例重构后的结构如图所示。

在使用接口隔离原则时，需要注意控制接口的粒度。接口不能太小，如果太小会导致系统中接口泛滥，不利于维护；接口也不能太大，太大的接口将违背接口隔离原则，灵活性较差，使用起来很不方便。一般而言，接口中仅包含为某一类用户定制的方法即可。

合成复用原则

合成复用原则又称为组合／聚合复用原则（Composition/Aggregate Reuse Principle，CARP），其定义如下：

合成复用原则（Composite Reuse Principle，CRP）：尽量使用对象组合，而不是继承来达到复用的目的。

合成复用原则就是在一个新的对象里通过关联关系（包括组合关系和聚合关系）来使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部分；新对象通过委派调用已有对象的方法达到复用功能的目的。简言之：复用时要尽量使用组合／聚合关系（关联关系），少用继承。

在面向对象设计中，可以通过两种方法在不同的环境中复用已有的设计和实现，即通过组合／聚合关系或通过继承，但首先应该考虑使用组合／聚合，组合／聚合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。其次才考虑继承，在使用继承时，需要严格遵循里氏代换原则，有效使用继承会有助于对问题的理解，降低复杂度，而滥用继承反而会增加系统构建和维护的难度以及系统的复杂度，因此需要慎重使用继承复用。

通过继承来进行复用的主要问题在于继承复用会破坏系统的封装性，因为继承会将基类的实现细节暴露给子类，由于基类的内部细节通常对子类来说是可见的，所以这种复用又称“白箱”复用。如果基类发生改变，那么子类的实现也不得不发生改变。从基类继承而来的实现是静态的，不可能在运行时发生改变，没有足够的灵活性。而且继承只能在有限的环境中使用（如类没有声明为不能被继承）。

由于组合或聚合关系可以将已有的对象（也可称为成员对象）纳入新对象中，使之成为新对象的一部分，因此新对象可以调用已有对象的功能，这样做可以使得成员对象的内部实现细节对于新对象不可见，所以这种复用又称为“黑箱”复用。相对继承关系而言，“黑箱”复用的耦合度相对较低，成员对象的变化对新对象的影响不大，可以在新对象中根据实际需要有选择性地调用成员对象的操作。合成复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态地引用与成员对象类型相同的其他对象。

一般而言，如果两个类之间是“Has-A”的关系，应使用组合或聚合；如果是“Is-A”关系，可使用继承。“Is-A”是严格的分类学意义上的定义，意思是一个类是另一个类的“一种”；而“Has-A”则不同，它表示某一个角色具有某一项责任。

下面通过一个简单实例来加深对合成复用原则的理解。

随着客户数量的增加，系统决定升级为Oracle数据库，因此需要增加一个新的OracleDBUtil类来连接Oracle数据库。由于在初始设计方案中CustomerDAO和DBUtil之间是继承关系，因此在更换数据库连接方式时需要修改CustomerDAO类的源代码，将CustomerDAO作为OracleDBUtil的子类，这将违反开闭原则。（当然也可以修改DBUtil类的源代码，同样会违反开闭原则。）

现使用合成复用原则对其进行重构。根据合成复用原则，在实现复用时应该多用关联，少用继承。因此在本实例中可以使用关联复用来取代继承复用，重构后的结构如图所示。

在图中，CustomerDAO和DBUtil之间的关系由继承关系变为关联关系，采用依赖注入的方式将DBUtil对象注入CustomerDAO中，可以使用构造注入，也可以使用设值注入。如果需要对DBUtil的功能进行扩展，可以通过其子类来实现，如通过子类OracleDBUtil来连接Oracle数据库。由于CustomerDAO针对DBUtil编程，根据里氏代换原则，DBUtil子类的对象可以覆盖DBUtil对象，只需在CustomerDAO中注入子类对象即可使用子类所扩展的方法。例如在CustomerDAO中注入OracleDBUtil对象，即可实现Oracle数据库连接，原有代码无须修改，而且还可以很灵活地增加新的数据库连接方式。

迪米特法则

迪米特法则来自1987年美国东北大学（Northeastern University）一个名为Demeter的研究项目。迪米特法则又称为最少知识原则（Least Knowledge Principle，LKP），其定义如下：

迪米特法则（Law of Demeter，LoD）：一个软件实体应当尽可能少地与其他实体发生相互作用。

如果一个系统符合迪米特法则，那么当其中某一个模块发生修改时，就会尽量少地影响其他模块，扩展会相对容易。这是对软件实体之间通信的限制。迪米特法则要求限制软件实体之间通信的宽度和深度。迪米特法则可降低系统的耦合度，使类与类之间保持松散的耦合关系。迪米特法则还有几种定义形式：不要和“陌生人”说话，只与你的直接朋友通信等。在迪米特法则中，对于一个对象，其“朋友”包括以下几类：

• 当前对象本身（this）。
• 以参数形式传入到当前对象方法中的对象。
• 当前对象的成员对象。
• 如果当前对象的成员对象是一个集合，那么集合中的元素也都是朋友。
• 当前对象所创建的对象。

任何一个对象，如果满足上面的条件之一，就是当前对象的“朋友”，否则就是“陌生人”。在应用迪米特法则时，一个对象只能与直接朋友发生交互，不要与“陌生人”发生直接交互，这样做可以降低系统的耦合度，一个对象的改变不会给太多其他对象带来影响。

迪米特法则要求在设计系统时，应该尽量减少对象之间的交互。如果两个对象之间不必彼此直接通信，那么这两个对象就不应当发生任何直接的相互作用；如果其中一个对象需要调用另一个对象的方法，可以通过第三者转发这个调用。简言之，就是通过引入一个合理的第三者来降低现有对象之间的耦合度。

在将迪米特法则运用到系统设计中时，要注意以下几点：在类的划分上，应当尽量创建松耦合的类，类之间的耦合度越低，就越有利于复用，一个处在松耦合中的类一旦被修改，不会对关联的类造成太大波及；在类的结构设计上，每个类都应当尽量降低其成员变量和成员函数的访问权限；在类的设计上，只要有可能，一个类应当设计成不变类；在对其他类的引用上，一个对象对其他对象的引用应当降到最低。

下面通过一个简单实例来加深对迪米特法则的理解。

Sunny软件公司所开发的CRM系统包含很多业务操作窗口。在这些窗口中，某些界面控件之间存在复杂的交互关系，一个控件事件的触发将导致多个其他界面控件产生响应。例如，当一个按钮（Button）被单击时，对应的列表框（List）、组合框（ComboBox）、文本框（TextBox）、文本标签（Label）等都将发生改变，在初始设计方案中，界面控件之间的交互关系可简化为如图所示结构。

在图中，由于界面控件之间的交互关系复杂，导致在该窗口中增加新的界面控件时需要修改与之交互的其他控件的源代码，系统扩展性较差，也不便于增加和删除控件。

现使用迪米特对其进行重构。

在本实例中，可以通过引入一个专门用于控制界面控件交互的中间类（Mediator）来降低界面控件之间的耦合度。引入中间类之后，界面控件之间不再发生直接引用，而是将请求先转发给中间类，再由中间类来完成对其他控件的调用。当需要增加或删除新的控件时，只需修改中间类即可，无须修改新增控件或已有控件的源代码。重构后的结构如图所示。

至此，常用的7个面向对象设计原则全部介绍完毕，在此后的设计模式讲解中会多次提到这些原则。这7个原则也如同修炼设计模式内功的“入门功夫”，将为后续设计模式的学习奠定基础。大部分设计模式都通过应用一个或多个设计原则来为系统提供设计方案，从而构建出支持可维护性复用的软件。