软件开发设计架构的五大原则

Posted 2023-04-28 IT文艺男------专注Qt/C++应用开发、Qt/C++

唯一不变的就是变化本身。

我们经常讲的系统、子系统、模块、组件、类、函数就是从逻辑上将软件一步步分解为更细微的部分，即逻辑单元， 分而治之， 复杂问题拆解为若干简单问题， 逐个解决。

逻辑单元内部、外部的交互会产生依赖，从而产生了内聚、耦合概念。内聚主要描述逻辑单元内部，耦合主要描述逻辑单元之间的关系。

我们经常讲的高内聚，低耦合，如何做到，做到的标准是什么？
这就是开发、设计、架构的五大原则所体现出的价值，最终达到高内聚，低耦合的软件目标。

耦合

逻辑单元之间存在依赖， 导致改动可能会互相影响， 关系越紧密， 耦合越强，逻辑单元独立性越差。

比如模块A直接操作了模块B中数据， 则视为强耦合， 若A只是通过数据与模块B交互， 则视为弱耦合。

内聚

逻辑单元内部的元素， 关联性越强， 则内聚越高， 逻辑单元单一性更强。 一个逻辑单元应当尽可能独立完成某个功能。

比如有各种场景需要被引入到当前模块， 代码质量将变得非常脆弱， 这种情况建议拆分为多个模块。

高内聚、低耦合

内聚性，又称块内联系。指逻辑单元的功能强度的度量，即一个逻辑单元内部各个元素彼此结合的紧密程度的度量。

耦合性，又称块间联系。指逻辑单元相互联系紧密程度的一种度量。

比如电脑USB口。可以插入USB口工作的设备和电脑都是低耦合性，电脑不依赖于外部任何外部USB设备，只要你符合USB规范，插上就可以用。USB规范就像一个抽象类，所有外部设备必须实现抽象类，确保能被正确调用。

设计模式、SOLID原则等都是为了更好的做到高内聚、低耦合。

SOLID原则

• S：单一职责原则 (Single Responsibility Principle)
• O：开闭原则 (Open/Closed Principle)
• L：里氏替换原则 (Liskov Substitution Principle)
• I：接口隔离原则 (Interface Segregation Principle)
• D：依赖倒置原则 (Dependency Inversion Principle)

上述是面向对象编程的关键原则。诸如此类的设计原则能够帮助开发人员构建更易于维护、扩展的系统。

详细讲解请阅读软件开发、设计、架构的五大原则

架构之思-分析那些深入骨髓的设计原则

引子

遵从SOLID五大设计原则、遵从三大编程范式……很多的设计原则对于像我这样工作十几年的人来说，已经刻到了骨髓里。

在平时工作中，不自觉的进行了熟练的运用：看到公司里有个基础数据这样的服务，明知道很难很难也要决心治理掉：“这种服务不应该存在！任何一个软件模块都应该只对一个用户或系统利益相关者负责(单一职责原则)。我们的代码是要长长久久运行N个世纪的，不应该将领域不清的部分堆到一处！”

有一次跟刚工作几年的小伙子讨论的时候，就是《面对编码分歧怎样展开讨论》里逻辑分析那一段，我突然意识到自己正面临着危险：很多原则是在很多年前思考并开始运用了，那时候的批判性思维还很弱，时代也在飞速的发展，是不是很多金科玉律当时并没有想明白、或者理解有偏差、或者应该被更新了。我是否正在逐渐走向经验主义？

想到这里，我决心从头来梳理分析自己深入骨髓的设计原则。

 

SOLID原则

先简单回忆一下SOLID原则的内容：

SRP：单一职责原则，任何一个软件模块应该只对某一类行为者负责。

OCP：开闭原则，设计良好的软件应该易于扩展(对扩展开放)，同时抗拒修改(对修改关闭)。

LSP：里氏替换原则，尽量使用抽象(如父类)，避免使用具体(如子类)，以便于方便的进行替换。

ISP：接口隔离原则，客户端不应该依赖于它不需要的接口。这里啰嗦两句，Bob大叔在自己的巅峰之作《架构整洁之道》中详细介绍了SOLID原则，后来设计原则逐渐演变为六大，多出来的一个是LOD迪米特法则，又称最少知识原则，我一直找不到六大设计原则的出处，知道的朋友还烦请告知。我个人观点，接口隔离原则与迪米特法则异曲同工，所以没有必要放进来。

DIP：依赖反转原则，多使用抽象接口，尽量避免使用多变的实现类。

《面对编码分歧怎样展开讨论》里逻辑分析那一段，我本身之所以认为自己是对的，原因是同事的设计违反了LSP里氏替换原则和DIP依赖反转原则，同时还间接的违反了OCP开闭原则。

落笔在这个地方踌躇了很久。我该怎么证明自己这样是对的还是错的呢？这个问题最后还是想起了Bob大叔的观点，才和自己达成和解。

Bob大叔说：

科学和数学在证明方法上有着根本性的不同，科学理论和科学定律通常是无法被证明的，比如我们没法证明万有引力的正确性，但我们可以用科学实验来演示这些定律的正确性。而且不管做多少次正确的实验，也无法排除在今后的某次实验可能会推翻万有引力定律的可能性。 

这就是科学理论和定律的特点：它们可以被伪证，但是没有办法被证明。如果某个结论经过一定努力没有办法证明是伪证，我们则认为它在当下是足够正确的。

从这里吸取的营养是：我应该从本身这么做是否正确出发。《面对编码分歧怎样展开讨论》里逻辑分析那一段，实际上同事已经认同了他要解决的问题有别的方法去解决，而我的建议有更好的扩展性和可维护性。

扩展性和可维护性又在软件领域有多重要的作用呢？软件之所以叫软件，软本身就有灵活的意思，如果以后都不太会变化，这段逻辑刻在硬件上不是更高效嘛。为了达到软件的本来目的，软件系统必须足够软，应该很容易被修改。

三大编程范式

先来简单回忆一下三大编程范式：

结构化编程

结构化编程对程序控制权的直接转移进行了限制和规范。

对结构化编程的结构举个例子，大家就明白了：顺序结构、分支结构和循环结构。现在大多数编程语言都禁止使用goto这样的无限制跳转语句，因为它将会损害程序的整体结构。

工作十几年，自己从未写过goto语句。但是见过一些源码有goto语句的，那时候才见识了goto的厉害：用它可以跳转到任何代码位置，不受限制。它破坏了程序的封装，修改一个类的内部结构变的很危险，增加了耦合性。

不过我们不必担心自己没有遵循结构化编程的范式，只要是按照编程语言推荐的语法都是遵循这一范式的。

面向对象编程

面向对象编程对程序控制权的间接转移进行了限制和规范。

面向过程和面向对象最大的不同在于，面向对象有更好的可读性和重用性。

记得头几年评价别人代码写的不怎么样会这样说：这个同学用面向对象的语言写出了面向过程的程序。

函数式编程

函数式编程对程序中的赋值进行了限制和规范。

面向对象编程是对数据进行抽象，函数式编程是对行为的抽象。我们来理解一下什么是对行为的抽象。

下面代码可以被编译通过：

new ArrayList<Integer>().stream().forEach(x-> System.out.println(x=x+1));

下面代码不可以被编译通过：

int i =0;
new ArrayList<Integer>().stream().forEach(x-> System.out.println(i+=x));

提示说i应该是final或者effectively(实际上) final。

为什么函数式编程要求用到的变量i为不可变的？但是没有要求x是不可变呢？

区别是x是函数的参数也就是输入，i是函数外变量。而函数式编程是对行为抽象，就是说对输入进行了一系列的处理行为，得到一个输出；不能对其他数据进行操作，对其他数据操作是面向编程做的事情。

举个生活中的例子：

记得高中的时候特别喜欢陆游那首<卜算子.咏梅>

驿外断桥边，寂寞开无主。

已是黄昏独自愁，更着风和雨。 

无意苦争春，一任群芳妒。

零落成泥碾作尘，只有香如故。

这首古文描述了对梅花的加工行为。这个行为抽象为函数是这个样子的：

function 梅花变香泥(一枝梅) {
    第一步：孤立它
    第二步：让它经历黑暗
    第三步：让它经历风雨
    第四步：让其他花儿妒忌它
    第五步：让它凋落到泥里化为尘土只保留香气
}

这里“梅花变香泥”行为被抽象，对调用者来说只要调用了这个函数，就是调用了那5步骤的行为。这里仅能对一枝梅处理，一枝红杏出墙来到这里，她只能对这枝梅产生改变，她可以嫉妒这枝梅冬天开放。“梅花已谢杏花新”，让梅花零落成泥后让杏花开放，这就不是这个函数该做的事了。

面向对象编程可以做这件事情，它是对数据的抽象：

暖气潜催次第春，梅花已谢杏花新。

暖气对象 暖气;
春对象 春;
梅花对象 梅花;
杏花对象 杏花;
public 春对象 描述春天() {
    梅花.状态=谢了;
    杏花.状态=开了; 
   春.空气状态=暖气; 
   春.梅花状态=谢了; 
   春.杏花状态=开了; 
   return 春;
}

我有对结构化编程没有什么疑问，毕竟50年前有人就用数学方法证明了顺序结构、分支结构和循环结构的正确性。

但是作为一直以java语言作为主要开发语言的我，java是面向对象的这句话一直在脑子里和引入函数式做斗争。

函数式编程确实有很多优势：因为函数式编程的引入变量都是不可变的，虚拟机实现时可以去掉很多多余的锁，并发处理更快；代码简洁；内聚性更好……
我仔细想了一下，对诸如java这种面向对象的编程语言来说，函数式编程和面向接口编程一样，是局部实现的技巧，整体结构还是面向对象的。

后记

在上篇《架构师之路-redis集群解析》最后我说到如果在看超过10，我就写篇架构师三大难的文章，只可惜周六发文一向阅读量不高，虽然“在看率”较平时已经提高很多了，目前还没达到。但是“在看率”上来了，可以感受到大家的支持，让我充满力量。女孩子嘛，比较感性，决定本周加更这篇，表达一下自己的感恩~~

 

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