GoF 23种设计模式之七大设计原则

Posted 2021-12-25 魏晓蕾

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了GoF 23种设计模式之七大设计原则相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1、开闭原则

开闭原则（Open-Closed Principle, OCP）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。所谓的开闭，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，我尽可能不修改源代码，但是可以增加新功能。
在现实生活中对于开闭原则也有体现。比如，很多互联网公司都实行弹性制作息时间，规定每天工作 8 小时。意思就是说，对于每天工作 8 小时这个规定是关闭的，但是你什么时候来，什么时候走是开放的。早来早走，晚来晚走。
实现开闭原则的核心思想就是面向抽象编程，接下来我们来看一段代码：
以咕泡学院的课程体系为例，首先创建一个课程接口 ICourse：

public interface ICourse 
	Integer getId();
	String getName();
	Double getPrice();

整个课程生态有 Java 架构、大数据、人工智能、前端、软件测试等，我们来创建一个 Java 架构课程的类 JavaCourse：

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;
	
	public Integer getId() 
		return this.Id;
	
	public String getName() 
		return this.name;
	
	public Double getPrice() 
		return this.price;

现在我们要给 Java 架构课程做活动，价格优惠。如果修改 JavaCourse 中的 getPrice()方法，则会存在一定的风险，可能影响其他地方的调用结果。我们如何在不修改原有代码前提前下，实现价格优惠这个功能呢？现在，我们再写一个处理优惠逻辑的类，JavaDiscountCourse 类（思考一下为什么要叫JavaDiscountCourse，而不叫 DiscountCourse）：

public class JavaDiscountCourse extends JavaCourse 
	public JavaDiscountCourse(Integer id, String name, Double price) 
		super(id, name, price);
	
	public Double getOriginPrice()
		return super.getPrice();
	
	public Double getPrice()
		return super.getPrice() * 0.61;

回顾一下，简单一下类结构图：

2、依赖倒置原则

依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle,DIP）是指设计代码结构时，高层模块不应该依赖底层模块，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。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风险。接下来看一个案例，还是以课程为例，先来创建一个类 Tom：

public class Tom 
	public void studyJavaCourse()
		System.out.println("Tom 在学习 Java 的课程");
	
	public void studyPythonCourse()
		System.out.println("Tom 在学习 Python 的课程");

来调用一下：

public static void main(String[] args) 
	Tom tom = new Tom();
	tom.studyJavaCourse();
	tom.studyPythonCourse();

Tom 热爱学习，目前正在学习 Java 课程和 Python 课程。大家都知道，学习也是会上瘾的。随着学习兴趣的暴涨，现在 Tom 还想学习 AI 人工智能的课程。这个时候，业务扩展，我们的代码要从底层到高层（调用层）一次修改代码。在 Tom 类中增加 studyAICourse()的方法，在高层也要追加调用。如此一来，系统发布以后，实际上是非常不稳定的，在修改代码的同时也会带来意想不到的风险。接下来我们优化代码，创建一个课程的抽象 ICourse 接口：

public interface ICourse 
	void study();

然后写 JavaCourse 类：

public class JavaCourse implements ICourse 
	@Override
	public void study() 
		System.out.println("Tom 在学习 Java 课程");

再实现 PythonCourse 类：

public class PythonCourse implements ICourse 
	@Override
	public void study() 
		System.out.println("Tom 在学习 Python 课程");

修改 Tom 类：

public class Tom 
	public void study(ICourse course)
		course.study();

来看调用：

public static void main(String[] args) 
	Tom tom = new Tom();
	tom.study(new JavaCourse());
	tom.study(new PythonCourse());

我们这时候再看来代码，Tom 的兴趣无论怎么暴涨，对于新的课程，我只需要新建一个类，通过传参的方式告诉 Tom，而不需要修改底层代码。实际上这是一种大家非常熟悉的方式，叫依赖注入。注入的方式还有构造器方式和 setter 方式。我们来看构造器注入方式：

public class Tom 
	private ICourse course;
	public Tom(ICourse course)
		this.course = course;
	
	public void study()
		course.study();

看调用代码：

public static void main(String[] args) 
	Tom tom = new Tom(new JavaCourse());
	tom.study();

根据构造器方式注入，在调用时，每次都要创建实例。那么，如果 Tom 是全局单例，则我们就只能选择用 Setter 方式来注入，继续修改 Tom 类的代码：

public class Tom 
	private ICourse course;
	public void setCourse(ICourse course) 
		this.course = course;
	
	public void study()
		course.study();

看调用代码：

public static void main(String[] args) 
	Tom tom = new Tom();
	tom.setCourse(new JavaCourse());
	tom.study();
	tom.setCourse(new PythonCourse());
	tom.study();

现在我们再来看最终的类图：

大家要切记：以抽象为基准比以细节为基准搭建起来的架构要稳定得多，因此大家在拿到需求之后，要面向接口编程，先顶层再细节来设计代码结构。

3、单一职责原则

单一职责（Simple Responsibility Pinciple，SRP）是指不要存在多于一个导致类变更的原因。假设我们有一个 Class 负责两个职责，一旦发生需求变更，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。这样一来，这个 Class 存在两个导致类变更的原因。如何解决这个问题呢？我们就要给两个职责分别用两个 Class 来实现，进行解耦。后期需求变更维护互不影响。这样的设计，可以降低类的复杂度，提高类的可读性，提高系统的可维护性，降低变更引起的风险。总体来说就是一个 Class/Interface/Method 只负责一项职责。
接下来，我们来看代码实例，还是用课程举例，我们的课程有直播课和录播课。直播课不能快进和快退，录播可以可以任意的反复观看，功能职责不一样。还是先创建一个 Course 类：

public class Course 
	public void study(String courseName)
		if("直播课".equals(courseName))
			System.out.println("不能快进");
		else
			System.out.println("可以任意的来回播放");

看代码调用：

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

从上面代码来看，Course 类承担了两种处理逻辑。假如，现在要对课程进行加密，那么直播课和录播课的加密逻辑都不一样，必须要修改代码。而修改代码逻辑势必会相互影响容易造成不可控的风险。我们对职责进行分离解耦，来看代码，分别创建两个类 ReplayCourse 和 LiveCourse：
LiveCourse 类：

public class LiveCourse 
	public void study(String courseName)
		System.out.println(courseName + "不能快进看");

ReplayCourse 类：

public class ReplayCourse 
	public void study(String courseName)
		System.out.println("可以任意的来回播放");

调用代码：

public static void main(String[] args) 
	LiveCourse liveCourse = new LiveCourse();
	liveCourse.study("直播课");
	ReplayCourse replayCourse = new ReplayCourse();
	replayCourse.study("录播课");

业务继续发展，课程要做权限。没有付费的学员可以获取课程基本信息，已经付费的学员可以获得视频流，即学习权限。那么对于控制课程层面上至少有两个职责。我们可以把展示职责和管理职责分离开来，都实现同一个抽象依赖。设计一个顶层接口,创建 ICourse 接口：

public interface ICourse 
	//获得基本信息
	String getCourseName();
	//获得视频流
	byte[] getCourseVideo();
	//学习课程
	void studyCourse();
	//退款
	void refundCourse();

我们可以把这个接口拆成两个接口，创建一个接口 ICourseInfo 和 ICourseManager：
ICourseInfo 接口：

public interface ICourseInfo 
	String getCourseName();
	byte[] getCourseVideo();

ICourseManager 接口：

public interface ICourseManager 
	void studyCourse();
	void refundCourse();

来看一下类图：

下面我们来看一下方法层面的单一职责设计。有时候，我们为了偷懒，通常会把一个方法写成下面这样：

private void modifyUserInfo(String userName,String address)
	userName = "Tom";
	address = "Changsha";

还可能写成这样：

private void modifyUserInfo(String userName,String... fileds)
	userName = "Tom";
	// address = "Changsha";

private void modifyUserInfo(String userName,String address,boolean bool)
	if(bool)
	
	else
	
	
	userName = "Tom";
	address = "Changsha";

显然，上面的 modifyUserInfo()方法中都承担了多个职责，既可以修改 userName,也可以修改address，甚至更多，明显不符合单一职责。那么我们做如下修改，把这个方法拆成两个：

private void modifyUserName(String userName)
	userName = "Tom";

private void modifyAddress(String address)
	address = "Changsha";

这修改之后，开发起来简单，维护起来也容易。但是，我们在实际开发中会项目依赖，组合，聚合这些关系，还有还有项目的规模，周期，技术人员的水平，对进度的把控，很多类都不符合单一职责。但是，我们在编写代码的过程，尽可能地让接口和方法保持单一职责，对我们项目后期的维护是有很大帮助的。

4、接口隔离原则

接口隔离原则（Interface Segregation Principle, ISP）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：
1、一个类对一类的依赖应该建立在最小的接口之上。
2、建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口。
3、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。所以，对于抽象，对业务模型的理解是非常重要的。下面我们来看一段代码，写一个动物行为的抽象：
IAnimal 接口：

public interface IAnimal 
	void eat();
	void fly();
	void swim();

Bird 类实现：

public class Bird implements IAnimal 
	@Override
	public void eat() 
	@Override
	public void fly() 
	@Override
	public void swim()

Dog 类实现：

public class Dog implements IAnimal 
	@Override
	public void eat() 
	@Override
	public void fly() 
	@Override
	public void swim()

可以看出，Bird 的 swim()方法可能只能空着，Dog 的 fly()方法显然不可能的。这时候，我们针对不同动物行为来设计不同的接口，分别设计 IEatAnimal，IFlyAnimal 和 ISwimAnimal 接口，来看代码：
IEatAnimal 接口：

public interface IEatAnimal 
	void eat();

IFlyAnimal 接口：

public interface IFlyAnimal 
	void fly();

ISwimAnimal 接口：

public interface ISwimAnimal 
	void swim();

Dog 只实现 IEatAnimal 和 ISwimAnimal 接口：

public class Dog implements ISwimAnimal,IEatAnimal 
	@Override
	public void eat() 
	@Override
	public void swim()

来看下两种类图的对比，还是非常清晰明了的：

5、迪米特法则

迪米特原则（Law of Demeter LoD）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。迪米特原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之为成员朋友类，而出现在方法体内部的类不属于朋友类。
现在来设计一个权限系统，TeamLeader需要查看目前发布到线上的课程数量。这时候，TeamLeader 要找到员工 Employee 去进行统计，Employee 再把统计结果告诉 TeamLeader。接下来我们还是来看代码：
Course 类：

public class Course

Employee 类：

public class Employee
	public void checkNumberOfCourses(List<Course> courseList)
		System.out.println("目前已发布的课程数量是：" + courseList.size());

TeamLeader 类：

public class TeamLeader
	public void commandCheckNumber(Employee employee)
		List<Course> courseList = new ArrayList<Course>();
		for (int i= 0; i < 20 ;i ++)
			courseList.add(new Course());
		
		employee.checkNumberOfCourses(courseList);

测试代码：

public static void main(String[] args) 
	TeamLeader teamLeader = new TeamLeader();
	Employee employee = new Employee();
	teamLeader.commandCheckNumber(employee);

写到这里，其实功能已经都已经实现，代码看上去也没什么问题。根据迪米特原则，TeamLeader 只想要结果，不需要跟 Course 产生直接的交流。而 Employee 统计需要引用 Course 对象。TeamLeader 和 Course 并不是朋友，从下面的类图就可以看出来：

下面来对代码进行改造：
Employee 类：

public class Employee 
	public void checkNumberOfCourses()
		List<Course> courseList = new ArrayList<Course>();
		for (int i= 0; i < 20 ;i ++)
			courseList.add(new Course());
		
		System.out.println("目前已发布的课程数量是："+courseList.size());

TeamLeader 类：

public class TeamLeader 
	public void commandCheckNumber(Employee employee)
		employee.checkNumberOfCourses();

再来看下面的类图，Course 和 TeamLeader 已经没有关联了。

学习软件设计原则，千万不能形成强迫症。碰到业务复杂的场景，我们需要随机应变。

6、里氏替换原则

里氏替换原则（Liskov Substitution Principle,LSP）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。
定义看上去还是比较抽象，我们重新理解一下，可以理解为一个软件实体如果适用一个父类的话，那一定是适用于其子类，所有引用父类的地方必须能透明地使用其子类的对象，子类对象能够替换父类对象，而程序逻辑不变。根据这个理解，我们总结一下：
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。
1、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。
2、子类中可以增加自己特有的方法。
3、当子类的方法重载父类的方法时，方法的前置条件（即方法的输入/入参）要比父类方法的输入参数更宽松。
4、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（即方法的输出/返回值）要比父类更严格或相等。
在前面讲开闭原则的时候埋下了一个伏笔，我们记得在获取折后时重写覆盖了父类的 getPrice()方法，增加了一个获取源码的方法 getOriginPrice()，显然就违背了里氏替换原则。我们修改一下代码，不应该覆盖 getPrice()方法，增加 getDiscountPrice()方法：

public class JavaDiscountCourse extends JavaCourse 
	public JavaDiscountCourse(Integer id, String name, Double price) 
		super(id, name, price);
	
	public Double getDiscountPrice()
		return super.getPrice() * 0.61;
	以上是关于GoF 23种设计模式之七大设计原则的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 GoF 2323种设计模式与OOP七大原则概述
 GoF23:设计模式概述
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 23种设计模式
 设计模式的种类和七大原则