设计模式-七大软件设计原则

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简介

学习设计原则,是学习设计模式的基础。在实际开发过程中,并不是一定要求所有代码都遵循设计原则,我们要考虑人力、时间、成本、质量,不是刻意追求完美,要在适当场景遵循设计原则,体现的是一种平衡取舍,帮助我们设计出更加优雅的代码结构

开闭原则(Open-Closed Principle,OCP)

开闭原则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。

所谓的关闭,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。可以提高软件系统的可复用性及可维护性。

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,例如:我们版本更新,我们尽可能不修改源代码,但是可以增加新功能。

如下:有一个课程接口和Java课程类

public interface ICourse {
    Integer getId();

    String getName();

    Double getPrice();
}



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;
    }

    @Override
    public Integer getId() {
        return this.id;
    }

    @Override
    public String getName() {
        return this.name;
    }

    @Override
    public Double getPrice() {
        return this.price;
    }
}

现在想要给java课程做活动,有折扣价,如果直接修改JavaCourse中的getPrice()方法,则会存在一定的风险,可能影响其他地方原有的调用。

在不修改原有代码的前提下,可以新增一个有折扣的课程接口,并且新增一个有折扣的Java课程类

public interface IDiscountCourse extends ICourse {
    Double getDiscountPrice();
}


public class JavaDiscountCourse extends JavaCourse implements IDiscountCourse {
    public JavaDiscountCourse(Integer id, String name, Double price) {
        super(id, name, price);
    }

    @Override
    public Double getDiscountPrice() {
        return getPrice() * 0.6;
    }
}

这样,使用的时候可以选择有折扣或者没有折扣

@Slf4j
public class OcpTest {
    public static void main(String[] args) {

        ICourse course = new JavaCourse(1, "Java编程思想", 110d);
        log.info("课程ID:{},名称:{},原价:{}",
                course.getId(),
                course.getName(),
                course.getPrice());

        IDiscountCourse course2 = new JavaDiscountCourse(1, "Java编程思想", 110d);
        log.info("课程ID:{},名称:{},原价:{},折扣价:{}",
                course2.getId(),
                course2.getName(),
                course2.getPrice(),
                course2.getDiscountPrice());
    }
}

类图如下

依赖倒置原则(Dependence Inversion Principle,DIP)

依赖倒置原则是指设计代码结构时,高层模块不应该依赖底层模块细节,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,提高系统的稳定性,提高代码的可读性和可维护性,并能够降低修改程序所造成的的风险。

如下,汽车系统类直接依赖具体的汽车实现类,如果需要再兼容一个品牌的汽车,则汽车系统类的所有方法都需要同步修改

public class HondaCar {
    public void run() {
        System.out.println("本田汽车启动了");
    }

    public void turn() {
        System.out.println("本田汽车转弯了");
    }

    public void stop() {
        System.out.println("本田汽车停车了");
    }
}


public class FordCar {
    public void run() {
        System.out.println("福特汽车启动了");
    }

    public void turn() {
        System.out.println("福特汽车转弯了");
    }

    public void stop() {
        System.out.println("福特汽车停车了");
    }
}


public class CarSystem {
    public enum CarType {
        Honda, Ford
    }

    private HondaCar hondaCar = new HondaCar();
    private FordCar fordCar = new FordCar();
    private CarType carType;

    public CarSystem(CarType carType) {
        this.carType = carType;
    }

    public void runCar() {
        switch (carType) {
            case Honda:
                hondaCar.run();
                break;
            case Ford:
                fordCar.run();
                break;
            default:
        }
    }

    public void turnCar() {
        switch (carType) {
            case Honda:
                hondaCar.turn();
                break;
            case Ford:
                fordCar.turn();
                break;
            default:
        }
    }

    public void stopCar() {
        switch (carType) {
            case Honda:
                hondaCar.stop();
                break;
            case Ford:
                fordCar.stop();
                break;
            default:
        }
    }
}


public class DipTest {
    public static void main(String[] args) {
        CarSystem carSystem = new CarSystem(CarSystem.CarType.Ford);
        carSystem.runCar();
        carSystem.turnCar();
        carSystem.stopCar();
    }
}

为此,我们抽象一个汽车接口出来,然后每个品牌的汽车都实现它,汽车系统直接依赖汽车接口,不再关注每个品牌的实现。

这样,即使需要再新增一个品牌的汽车,只需要新增一个类实现汽车接口,并且修改客户端代码即可,不需要对汽车系统类做任何改动。

public interface ICar {
    void run();
    void turn();
    void stop();
}


public class HondaCar implements ICar {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("本田汽车启动了");
    }

    @Override
    public void turn() {
        System.out.println("本田汽车转弯了");
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("本田汽车停车了");
    }
}


public class FordCar implements ICar {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("福特汽车启动了");
    }

    @Override
    public void turn() {
        System.out.println("福特汽车转弯了");
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("福特汽车停车了");
    }
}


public class CarSystem {
    private ICar car;

    public CarSystem(ICar car) {
        this.car = car;
    }

    public void runCar() {
        car.run();
    }

    public void turnCar() {
        car.turn();
    }

    public void stopCar() {
        car.stop();
    }
}


public class DipTest {
    public static void main(String[] args) {
        CarSystem carSystem = new CarSystem(new FordCar());
        carSystem.runCar();
        carSystem.turnCar();
        carSystem.stopCar();
    }
}

类图如下

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单一职责原则(Simple Responsibility Principle)

单一职责是指不要存在多于一个导致类变更的原因。假设一个类负责两个职责,一旦需求变更,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。这样这个类就存在两个导致类变更的原因了,我们就要给两个职责分别用两个类来实现。

如下,有一个课程类,可以播放直播课程和录播课程,不管哪一个课程的需求变更,都需要修改这个类,即存在多个原因导致类的变化

public class Course {
    public void study(String courseName) {
        if ("直播课".equals(courseName)) {
            System.out.println("直播课程不能快进");
        } else if ("录播课".equals(courseName)) {
            System.out.println("录播课程可以任意切换进度");
        }
    }
}

我们可以将课程类进行拆分,让每一个类只负责一种课程,这样一种课程的修改不会影响到另外一个课程

public class LiveCourse {
    public void study() {
        System.out.println("直播课程不能快进");
    }
}


public class ReplayCourse {
    public void study() {
        System.out.println("录播课程可以任意切换进度");
    }
}


public class SrpTest {
    public static void main(String[] args) {
        Course course = new Course();
        course.study("直播课");
        course.study("录播课");

        LiveCourse liveCourse = new LiveCourse();
        liveCourse.study();

        ReplayCourse replayCourse = new ReplayCourse();
        replayCourse.study();
    }
}

接口隔离原则(Interface Segregation Principle,ISP)

接口隔离原则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:

一个类对一个类的依赖应该建立在最小的接口之上
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(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。

如下,定义了一个动物的接口,有吃东西、飞翔、游泳方法,但是鸟不会游泳,狗不会飞翔,导致它们有一些空实现的方法

public interface IAnimal {
    void eat();

    void fly();

    void swim();
}


public class Bird implements IAnimal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("鸟吃虫");
    }

    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("鸟会飞");
    }

    @Override
    public void swim() {

    }
}


public class Dog implements IAnimal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃饭");
    }

    @Override
    public void fly() {

    }

    @Override
    public void swim() {
        System.out.println("狗会游泳");
    }
}

所以,我们应该进行接口隔离,不同动物实现各自的接口

public interface IEatAnimal {
    void eat();
}


public interface IFlyAnimal {
    void fly();
}


public interface ISwimAnimal {
    void swim();
}


public class Bird implements IEatAnimal, IFlyAnimal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("鸟会吃东西");
    }

    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("鸟会飞");
    }
}


public class Dog implements IEatAnimal, ISwimAnimal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗会吃东西");
    }

    @Override
    public void swim() {
        System.out.println("狗会游泳");
    }
}

对比两个类图

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迪米特法则(Law of Demeter,LOD)

迪米特法则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。

迪特米法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为成员朋友类,而出现在方法内部的类不属于朋友类。

如下,老板让员工统计已发布的课程数量,功能是没有问题的

public class Course {
}


public class Employee {


    public void countCourse(List<course> courses) {
        System.out.println("目前已发布的课程数量为" + courses.size());
    }
}


public class Boss {


    public void countCourse(Employee employee) {
        List<course> courseList = new ArrayList<course>();
        for (int i = 0; i < 20; i ++){
            courseList.add(new Course());
        }
        employee.countCourse(courseList);
    }
}


public class LodTest {
    public static void main(String[] args) {
        Employee employee = new Employee();
        Boss boss = new Boss();
        boss.countCourse(employee);
    }
}

但是老板其实只想要结果,不需要直接知道课程的细节,根据迪特米法则进行调整如下

public class Course {
}


public class Employee {
    private List<course> courses;

    public Employee(List<course> courses) {
        this.courses = courses;
    }


    public void countCourse() {
        System.out.println("目前已发布的课程数量为" + courses.size());
    }
}


public class Boss {


    public void countCourse(Employee employee) {
        employee.countCourse();
    }
}


public class LodTest {
    public static void main(String[] args) {
        List<course> courseList = new ArrayList<course>();
        for (int i = 0; i < 20; i ++){
            courseList.add(new Course());
        }

        Employee employee = new Employee(courseList);
        Boss boss = new Boss();
        boss.countCourse(employee);
    }
}

类图对比如下

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里氏替换原则(Liskov Substitution Principle,LSP)

里氏替换原则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。

定义比较抽象,可以理解为一个软件实体如果适用一个父类的话,那一定适用于其子类,所以引用父类的地方必须能透明地使用其子类的对象,子类的对象能够替换父类的对象,而程序逻辑不变。

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。

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(即方法的入参)要比父类方法的入参更宽松
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(即方法的返回值)要比父类更严格或相等
优点:

约束继承泛滥,开闭原则的一种体现
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。
如下:
同样的方法入参,当调用method1时,都是执行父类的逻辑,属于遵循里氏替换原则,方法的入参要比父类方法的入参更宽松;
当调用method2时,使用子类对象时执行了子类的逻辑,属于违反里氏替换原则;

public class Parent {

    public void method1(HashMap<string, string=""> map) {
        System.out.println("父类method1");
    }

    public void method2(Map map) {
        System.out.println("父类method2");
    }
}


public class Child extends Parent {
    public void method1(Map map) {
        System.out.println("子类method1");
    }

    public void method2(HashMap<string, string=""> map){
        System.out.println("子类method2");
    }
}


public class MethodParamTest {
    public static void main(String[] args) {
        Parent parent = new Parent();
        parent.method1(new HashMap<>());
        parent.method2(new HashMap<>());

        Child child = new Child();
        child.method1(new HashMap<>());
        child.method2(new HashMap<>());
    }
}


父类method1
父类method2
父类method1
子类method2

如下:当子类复写父类的方法时,而返回值比父类的更宽松,编译不通过,jdk本身提供了这个支持

public class Parent {

    public HashMap<string, string=""> method1() {
        System.out.println("父类method1");
        return new HashMap<>();
    }
}


public class Child extends Parent {


    public Map<string, string=""> method1() {
        System.out.println("子类method1");
        return new HashMap<>();
    }
}

合成复用原则是指尽量使用对象组合(has-a)/ 聚合(contains-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。

如下,是一个非常典型的合成复用原则应用场景。

public abstract class DBConnection {

    public abstract String getConnection();
}


public class MySQLConnection extends DBConnection {
    @Override
    public String getConnection() {
        return "MySQL数据库连接";
    }
}


public class OracleConnection extends DBConnection {
    @Override
    public String getConnection() {
        return "Oracle数据库连接";
    }
}


public class ProductDao {
    private DBConnection dbConnection;

    public ProductDao(DBConnection dbConnection) {
        this.dbConnection = dbConnection;
    }

    public void addProduct() {
        String connection = dbConnection.getConnection();
        System.out.println("获得:" + connection);
    }
}


public class CarpTest {
    public static void main(String[] args) {
        ProductDao productDao = new ProductDao(new MySQLConnection());
        productDao.addProduct();
    }
}

类图如下

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