设计原则之开放封闭原则

Posted 2022-02-27 Gopher大威

如何让已有稳定的代码“万年不变”呢？如何应对未来的新需求呢？你写的代码是否对修改封闭，对扩展开放呢？今天，我们一起来学习“心法”之【开放封闭原则】。

设计原则是指导我们代码设计的一些经验总结，也就是“心法”；面向对象就是我们的“武器”；设计模式就是“招式”。

以心法为基础，以武器运用招式应对复杂的编程问题。

表妹今天上班又忘记打卡了

表妹：哥啊，我真的是一点记性都没有

我：发生什么事啦？

表妹：今天上班又忘记打卡了，又是白打工的一天，做什么事都提不起劲来。

---

你看，传统的上下班打卡制，这种模式将按时上下班作为考核指标之一，虽然强化了企业的管理，但是却限制了员工的时间自由，每个员工的情况和工作状态都不同，强制的上班时间容易导致员工为了应付打卡而打卡，实则工作效率却不高。

按时上下班其实不是老板希望达到的目的，老板希望的是，所有员工的绩效达标，最终企业能够盈利，而上下班打卡制只不过是为了达到这一目标的其中一个方法而已。

明确了将绩效作为考核指标。那么，绩效至少达标，这个是不可以修改的，在这个基础上，员工的上下班时间是可以自由安排的，这样就可以提高员工的生产效率了。这就是弹性上班制，对业绩成效的修改关闭，而对时间制度扩展的开放。

你看，这不就是我们软件开发中的开放-封闭原则嘛。

---

是说软件实体（类、模块、函数等）应该可以扩展，但是不可以修改。

这是一条最难理解和掌握，但是又最有用的设计原则。

之所以说难理解，是因为，“怎样的代码改动才被定义为扩展？怎样的代码改动才被定义为修改？怎样才算满足开闭原则？修改代码就一定违反了开闭原则吗？”等问题。

之所以说难掌握，是因为，“如何做到对扩展开放，修改封闭？，如何在项目中灵活地应用开闭原则，在保证扩展性的同时又不影响代码的可读性？”等问题。

之所以说最有用，是因为，扩展性是代码质量最重要的衡量标准之一。在23种经典设计模式之中，大部分设计模式都是为了解决代码的扩展性问题而存在的。

如何理解“对扩展开放、修改关闭”？

比如，书店销售图书。

图书有三个属性：书名、价格和作者。IBook是获取图书三个属性的接口，如下所示：

 public interface IBook  
     // 图书的名称 
     public String getName(); 
 ​
     // 图书的售价 
     public int getPrice(); 
 ​
     // 图书的作者 
     public String getAuthor(); 
  

 

小说类图书NovelBook是一个具体的实现类，如下所示：

 public class NovelBook implements IBook  
     // 图书的名称 
     private String name; 
 ​
     // 图书的价格 
     private int price; 
 ​
     // 图书的作者 
     private String author; 
 ​
     // 通过构造函数传递书籍数据 
     public NovelBook(String _name,int _price,String _author) 
         this.name = _name; 
         this.price = _price; 
         this.author = _author; 
      
 ​
     // 获得作者是谁 
     public String getAuthor()  
         return this.author; 
      
 ​
     // 获得书名 
     public String getName()  
         return this.name; 
      
 ​
     // 获得图书的价格 
     public int getPrice() 
         return this.price; 
      
  

 

接下来，我们看一下，书店是如何销售图书的：

 public class BookStore  
     private final static ArrayList<IBook> bookList = new ArrayList<IBook>(); 
 ​
     // 静态模块初始化，项目中一般是从持久层初始化产生 
     static 
         bookList.add(new NovelBook("天龙八部",3200,"金庸")); 
         bookList.add(new NovelBook("巴黎圣母院",5600,"雨果")); 
         bookList.add(new NovelBook("悲惨世界",3500,"雨果")); 
         bookList.add(new NovelBook("平凡的世界",4300,"路遥")); 
      
 ​
     //模拟书店买书 
     public static void main(String[] args)  
         NumberFormat formatter = NumberFormat.getCurrencyInstance(); 
         formatter.setMaximumFractionDigits(2); 
         System.out.println("------------书店中的小说类图书记录如下：---------------------"); 
         for(IBook book:bookList) 
             System.out.println("书籍名称：" + book.getName()+"\\t书籍作者：" + 
             book.getAuthor()+  "\\t书籍价格："  +  formatter.format(book.getPrice()/100.0)+"元"); 
          
      
  

注：在BookStore中声明了一个静态模块，实现了数据的初始化，这部分应该是从持久层产生的，由持久层工具进行管理。

运行结果如下：

------------书店中的小说类图书记录如下：--------------------- 
书籍名称：天龙八部  书籍作者：金庸  书籍价格：￥32.00元 
书籍名称：巴黎圣母院 书籍作者：雨果  书籍价格：￥56.00元 
书籍名称：悲惨世界  书籍作者：雨果  书籍价格：￥35.00元 
书籍名称：平凡的世界 书籍作者：路遥 书籍价格：￥43.00元 

 

但是，最近书店的小说类图书销量下滑很严重，所以，书店希望通过打折来刺激消费：所有40元及以上的小说类图书8折销售，40元以下的按9折销售。

对于已经投产的项目来说，这就是一个变化，那么，我们应该怎么应对呢？

有三种方法可以解决这个问题：

修改接口

在IBook上新增一个getOffPrice()的方法，专门进行打折处理。

首先，IBook作为接口应该是稳定可靠的，不应该经常发生变化，否则接口作为契约的作用就失去了意义。

其次，修改了接口，NovelBook实现类也要做相应的修改，这样，为了实现这个需求，改动的面积是比较大的。

修改实现类

修改NovelBook实现类中getPrice()的方法，这样，改动的面积相对比较小了，仅仅局限在NovelBook实现类中。但是这样的话，用户就无法获得图书的原价了。

通过扩展实现变化

增加一个子类OffNovelBook，复写getPrice()方法，高层次的模块（也就是static静态模块区）通过OffNovelBook类产生新的对象。如下所示：

public class OffNovelBook extends NovelBook  
    public OffNovelBook(String _name,int _price,String _author) 
        super(_name,_price,_author); 
     
​
    // 覆写销售价格 
    @Override 
    public int getPrice() 
        // 原价 
        int selfPrice = super.getPrice(); 
        int offPrice=0; 
        if(selfPrice < 4000)  // 原价低于40元，则打9折 
            offPrice = selfPrice * 90 /100; 
        else 
            offPrice = selfPrice * 80 /100; 
         
        return offPrice; 
     

你看，仅仅扩展一个子类并复写getPrice()方法，就可以完成新增的业务。接下来看一下BookStore类的修改：

public class BookStore  
    private final static ArrayList<IBook> bookList = new ArrayList<IBook>(); 
​
    // 静态模块初始化，项目中一般是从持久层初始化产生 
    static 
        // 换成打折的小说
        bookList.add(new OffNovelBook("天龙八部",3200,"金庸")); 
        bookList.add(new OffNovelBook("巴黎圣母院",5600,"雨果")); 
        bookList.add(new OffNovelBook("悲惨世界",3500,"雨果")); 
        bookList.add(new OffNovelBook("平凡的世界",4300,"路遥")); 
     
​
    // 模拟书店买书 
    public static void main(String[] args)  
        NumberFormat formatter = NumberFormat.getCurrencyInstance(); 
        formatter.setMaximumFractionDigits(2); 
        System.out.println("------------书店中的小说类图书记录如下：---------------------"); 
        for(IBook book:bookList) 
            System.out.println("书籍名称：" + book.getName()+"\\t书籍作者：" + 
            book.getAuthor()+  "\\t书籍价格："  +  formatter.format(book.getPrice()/100.0)+"元"); 
         
     
 

上面只修改了静态模块初始化部分，其他部分没有修改。运行结果如下：

------------书店中的小说类图书记录如下：--------------------- 
书籍名称：天龙八部  书籍作者：金庸  书籍价格：￥25.60元 
书籍名称：巴黎圣母院 书籍作者：雨果  书籍价格：￥50.40元 
书籍名称：悲惨世界  书籍作者：雨果  书籍价格：￥28.00元 
书籍名称：平凡的世界 书籍作者：路遥 书籍价格：￥38.70元 

上面这个例子，通过一处扩展，一处修改，实现了打折的新需求。可能有同学就会问：“这不还是修改了代码吗？”

修改代码就意味着违反了开闭原则吗？

BookStore类确实修改了，这部分属于高层次的模块。在业务规则改变的情况下，高层模块必须有部分改变以适应新业务。添加一个新功能，不可能任何模块、类、方法的代码都不“修改”，这个是做不到的。类需要创建、组装、并且做一些初始化操作，才能构建成可运行的程序，这部分代码的修改是在所难免的。

我们要做的是，尽量让修改操作更集中、更少、更上层，尽量让最核心、最复杂的那部分逻辑代码满足开闭原则。

如何做到“对扩展开放、修改关闭”？

实际上，开闭原则讲的就是代码的扩展性问题，是判断一段代码是否易扩展的“金标准”。

在讲具体的方法论之前，我们先来看一些更加偏向顶层的指导思想。为了尽量写出扩展性好的代码，我们要时刻具备扩展意识、抽象意识、封装意识。这些“潜意识”可能比任何开发技巧都重要。

扩展意识：在写代码的时候，我们要多花点时间往前多思考一下，这段代码未来可能有哪些需求变更、如何设计代码结构，事先留好扩展点，以便在未来需求变更的时候，不需要改动代码整体结构、做到最小代码改动的情况下，新的代码能够灵活地插入到扩展点上，做到“对扩展开放、对修改关闭”。

抽象意识：提供抽象化的不可变接口，给上层系统使用。当具体的实现发生变化的时候，我们只需要基于相同的抽象接口，扩展一个新的实现，替换老的实现即可，上游系统的代码几乎不需要修改。

封装意识：在识别出代码可变部分和不可变部分之后，我们要将可变部分封装起来，隔离变化。

在众多的设计原则、思想、模式中，最常用来提高代码扩展性的方法有：多态、依赖注入、基于接口而非实现编程，以及大部分的设计模式（比如：装饰、策略、模板、责任链、状态等）。

设计模式这一块，我们另外再分享。今天重点学习一下，如何利用多态、依赖注入、基于接口而非实现编程，来实现“对扩展开放、对修改关闭”。

假如，我们现在要开发一个通过Kafka来发送异步消息。对于这样一个功能的开发，我们要学会将其抽象成一组跟具体消息队列（Kafka）无关的异步消息接口。所有上层系统都依赖这组抽象的接口编程，并且通过依赖注入的方式来调用。当我们要替换新的消息队列的时候，比如将Kafka替换成RocketMQ，可以很方便地拔掉老的消息队列实现，插入新的消息队列实现。

// 这一部分体现了抽象意识
public interface MessageQueue  //...
public class KafkaMessageQueue implements MessageQueue  //...
public class RocketMQMessageQueue implements MessageQueue  //...
​
public interface MessageFromatter  //...
public class JsonMessageFromatter implements MessageFromatter  //...
public class ProtoBufMessageFromatter implements MessageFromatter  //...
​
public class Demo 
    private MessageQueue msgQueue;        // 基于接口而非实现编程
    public Demo(MessageQueue msgQueue)   // 依赖注入
        this.msgQueue = msgQueue;
    
    
    // msgFormatter：多态、依赖注入
    public void sendNotification(Notification notification, MessageFormatter msg) 
        //..
    

当然，开闭原则也不是免费的，有时候，代码的扩展性会跟可读性冲突。这个时候，我们就需要在两者之间做一个权衡。总之，没有一个放之四海而皆准的参考标准，全凭实际的应用场景来决定。

如何预留扩展点？

前面我们提到，写出支持“对扩展开放、对修改关闭”的代码的关键是预留扩展点，那么问题是，应该如何才能识别出所有可能的扩展点呢？

如果开发业务导向的系统，比如电商系统、物流系统、金融系统等，要想识别尽可能多的扩展点，就需要对业务本身有足够多的了解。

如果开发通用、偏底层的框架、类库、组件等，就需要了解它们会被如何使用，日后可能会添加什么功能。

“唯一不变的就是变化本身”，尽管我们对业务系统、框架功能有足够多的了解，也不能识别出所有的扩展点。即便我们能够识别出所有的扩展点，为这些地方做预留扩展点的设计，成本都是很大的，这就叫做“过度设计”。

合理的做法，应该是对于一些比较确定的，短期内可能就会扩展，或者需要改动对代码结构影响比较大的情况，或者实现成本不高的扩展点，在编写代码的时候，我们就可以事先做预留扩展点设计。但是对于一些不确定未来是否要支持的需求，或者实现起来比较复杂的扩展点，可以通过重构代码的方式来支持扩展的需求。

好啦，设计原则是否应用得当，应该根据具体的业务场景，具体分析。

总结

对扩展开放，是为了应付变化（需求）；

对修改封闭，是为了保证已有代码的稳定性；

最终结果是为了让系统更有弹性！

参考

《大话设计模式》

极客时间专栏《设计模式之美》

https://blog.csdn.net/sinat_20645961/article/details/48239347