面向对象设计原则

2.1、面向对象设计原则概述

软件的可维护性(Maintainability)和可复用性(Reusability)是两个非常重要的用于衡量软件质量的属性，软件的可维护性是指软件能够被理解、改正、适应及扩展的难易程度，软件的可复用性是指软件能够被重复使用的难易程度。

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，但并不是强制性的。后面要学习的设计模式中，每一个设计模式都符合某一个或多个面向对象设计原则。

2.2、单一职责原则（Single Responsibility Principle，SRP）

使用频率：4星

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。

定义：一个对象应该只包含单一的职责，并且该职责被完整地封装在一个类中。

单一职责原则的另一种定义方式：就一个类而言，应该仅有一个引起它变化的原因。

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，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，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，而发现类的多重职责需要设计人员具有较强的分析设计能力和相关实践经验。

2.3、开闭原则（Open-Closed Principle，OCP）

使用频率：5星

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。

定义：软件实体应当对扩展开放，对修改关闭。

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。

2.4、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）

使用频率：5星

定义：所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。

其严格表述如下：如果对每一个类型为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。

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。

里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一，由于在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，在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，无需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。

2.5、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle，DIP）

使用频率：5星

如果说开闭原则是面向对象设计的目标，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。

定义：高层模块不应该依赖底层模块，它们都应该依赖抽象。抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。

简单来说，依赖倒转原则要求针对接口编程，不要针对实现编程。

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，这样如果系统行为发生变化，只需对抽象层进行扩展，并修改配置文件，而无需修改原有系统的源代码，在不修改的情况下来扩展系统的功能，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（Dependence Injection，DI）的方式注入到其他对象中，依赖注入是指当一个对象要与其他对象发生依赖关系时采用抽象的形式来注入所依赖的对象。常用的注入方式有3种，分别是构造注入，设值注入（Setter）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。

在大多数情况下，开闭原则、里氏代换原则、依赖倒转原则会同时出现，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，它们相辅相成，相互补充，目标一致，只是分析问题时所站的角度不同而已。

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

使用频率：2星

定义：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。每一个接口应该承担一种相对独立的角色，不干不该干的事，该干的事都要干。这里的“接口”往往有两种不同的含义：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；另外一种是指某种语言具体的“接口”，有严格的定义和结构，比如Java和C#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也有所不同。

（1）当把“接口”理解成一个类型所提供的所有方法特征的集合的时候，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“角色隔离原则”。

（2）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的接口泛滥，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，在接口中仅包含为某一类用户定制的方法即可，不应该强迫客户依赖于那些他们不用的方法。

2.7、合成复用原则（Composite Reuse Principle，CRP）

使用频率：4星

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

定义：优先使用对象组合，而不是通过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。简而言之，在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不同的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，但应该首先考虑使用前者，因为通过组合/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。滥用继承复用反而会增加系统构建和维护的难度以及系统的复杂度。

通过继承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，由于基类的某些内部细节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/聚合关系可以将已有的对象（也可称成员对象）纳入到新对象中，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“黑箱”复用。耦合度更低，成员对象的变化对新对象的影响不大；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”的关系可以使用继承。

2.8、迪米特法则（Law of Demeter，LoD）

使用频率：3星

又称为最少知识原则（Least Knowledge Principle，LKP）

定义：每一个软件单位对其他单位都只有最少的知识，而且局限于那些与本单位密切相关的软件单位。

迪米特法则要求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，那么当其中的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。应用迪米特法则可降低系统的耦合度，使类和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，包括不要和“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。

如果不是以上几类“朋友”，那么就是“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。简而言之，就是通过引入一个合理的“第三者”来降低现有对象的耦合度。