Python 中的 SOLID 原则

Posted 2023-03-07 海拥✘

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SOLID 是一组面向对象的设计原则，旨在使代码更易于维护和灵活。它们是由 Robert “Uncle Bob” Martin 于 2000 年在他的论文 设计原则和设计模式中创造的。SOLID 原则适用于任何面向对象的语言，但在本文中我将重点关注它们在 Python 应用程序中的含义。

我最初以 php 为基础撰写有关 SOLID 原则的文章，但由于此处的课程可以轻松应用于任何面向对象的语言，我认为我会考虑使用 Python 重新编写它。如果您只熟悉 PHP 或 Python，那么这将是学习另一面的一个很好的学习资源。

在这里我们还应该注意，Python 并没有真正的接口系统，所以我使用元类来创建所需的情况。有关元类的更多说明，请参阅Python 中面向对象编程入门文章的基础知识中的接口部分。

SOLID 是一个首字母缩写词，代表以下内容：

• 单一职责原则
• 开放/封闭原则
• Liskov替代原则
• 接口隔离原则
• 依赖倒置原则

我们将依次解析它们。

单一职责原则

这表明一个类应该有单一的责任，但更重要的是，一个类应该只有一个改变的理由。

以名为Page的（简单）类为例。

import json

class Page():
    def __init__(self, title):
        self._title = title

    def get_title(self):
        return self._title

    def set_title(self, title):
        self._title = title

    def get_page(self):
        return [self._title]

    def format_json(self):
        return json.dumps(self.get_page())

此类知道 title 属性并允许通过 get() 方法检索此 title 属性。我们还可以使用此类中名为 format_json() 的方法将页面作为 JSON 字符串返回。这似乎是个好主意，因为类负责自己的格式。

但是，如果我们想要更改 JSON 字符串的输出，或者向类中添加另一种类型的输出，会发生什么情况呢？我们需要更改类以添加另一个方法或更改现有方法以适应。这对于像这样简单的类来说很好，但如果它包含更多属性，那么更改格式将更加复杂。

一个更好的方法是修改Page类，这样它只知道数据是句柄。然后我们创建一个名为JsonPageFormatter的辅助类，用于将Page对象格式化为 JSON。

import json

class Page():
    def __init__(self, title):
        self._title = title

    def get_title(self):
        return self._title

    def set_title(self, title):
        self._title = title

    def get_page(self):
        return [self._title]

class JsonPageFormatter():
    def format_json(page: Page):
        return json.dumps(page.get_page())

这样做意味着如果我们想创建一个 XML 格式，我们只需添加一个名为XmlPageFormatter的类并编写一些简单的代码来输出 XML。我们现在只有一个理由来更改Page类。

开闭原则

在开闭原则中，类应该 对扩展开放，对修改关闭。本质上意味着类应该被扩展以改变功能，而不是被改变成其他东西。

以下面两个类为例。

class Rectangle():
    def __init__(self, width, height):
        self._width = width
        self._height = height

    def get_width(self):
        return self._width

    def set_width(self, width):
        self._width = width

    def get_height(self):
        return self._height

    def set_height(self, height):
        self._height = height

class Board():
    @property
    def rectangles(self):
        return self._rectangles

    @rectangles.setter
    def rectangles(self, value):
        self._rectangles = value  

    def calculateArea(self):
        area = 0
        for item in self.rectangles:
            area += item.get_height() * item.get_width()
        return area

我们有一个包含矩形数据的Rectangle类，以及一个用作Rectangle对象集合的Board类。使用此设置，我们可以通过循环遍历rectangles集合属性中的项目并计算它们的面积来轻松找出板的面积。

此设置的问题在于我们受到可以传递给Board类的对象类型的限制。例如，如果我们想将一个Circle对象传递给Board类，我们需要编写条件语句和代码来检测和计算Board的面积。

解决这个问题的正确方法是将面积计算代码移到形状类中，并让所有形状类都扩展一个Shape接口。我们现在可以创建一个Rectangle和Circle形状类，它们将在被要求时计算它们的面积。

import math

class ShapeMeta(type):
    def __instancecheck__(self, instance):
        return self.__subclasscheck__(type(instance))

    def __subclasscheck__(self, subclass):
        return (hasattr(subclass, 'area') and callable(subclass.area))

class ShapeInterface(metaclass=ShapeMeta):
    pass

class Rectangle(ShapeInterface):
    def __init__(self, width, height):
        self._width = width
        self._height = height

    def get_width(self):
        return self._width

    def set_width(self, width):
        self._width = width

    def get_height(self):
        return self._height

    def set_height(self, height):
        self._height = height

    def area(self):
        return self.get_width() * self.get_height()

class Circle(ShapeInterface):
    def __init__(self, radius):
        self._radius = radius

    def get_radius(self):
        return self._radius

    def set_radius(self, radius):
        self._radius = radius

    def area(self):
        return self.get_radius() * self.get_radius() * math.pi

现在 可以重新设计Board类，使其不关心传递给它的形状类型，只要它们实现 area() 方法即可。

class Board():
    def __init__(self, shapes):
        self._shapes = shapes

    def calculateArea(self):
        area = 0
        for shape in self._shapes:
            area += shape.area()
        return area

我们现在已经设置了这些对象，这意味着如果我们有不同类型的对象，我们不需要改变Board类。我们只是创建实现Shape的对象，并以与其他类相同的方式将其传递到集合中。

里氏替换原则

由 Barbara Liskov 在 1987 年创建，它指出对象应该可以被它们的子类型替换而不改变程序的工作方式。换句话说，派生类必须可以替代它们的基类而不会导致错误。

下面的代码定义了一个Rectangle类，我们可以用它来创建和计算矩形的面积。

class Rectangle():
    def __init__(self, width, height):
        self._width = width
        self._height = height

    def get_width(self):
        return self._width

    def set_width(self, width):
        self._width = width

    def get_height(self):
        return self._height

    def set_height(self, height):
        self._height = height

    def area(self):
        return self.get_width() * self.get_height()

使用它，我们可以将其扩展为Square类。因为正方形与矩形略有不同，我们需要重写一些代码以允许正方形正确存在。

class Square(Rectangle):
    def __init__(self, width):
        self._width = width
        self._height = width

    def get_width(self):
        return self._width

    def set_width(self, width):
        self._width = width
        self._height = width

    def get_height(self):
        return self._height

    def set_height(self, height):
        self._height = height
        self._width = height

这看起来不错，但最终正方形不是矩形，因此我们添加了代码来强制这种情况起作用。

我读过的一个很好的类比是考虑类代表的鸭子和橡皮鸭。尽管可以将 Duck 类扩展为 Rubber Duck 类，但我们需要重写许多 Duck 功能以适应 Rubber Duck。例如，鸭子嘎嘎叫，但橡皮鸭不叫（好吧，也许它会吱吱叫），鸭子是活的，但橡皮鸭不是。

覆盖类中的大量代码以适应特定情况可能会导致维护问题。您为覆盖特定条件而添加的代码越多，您的代码就会变得越脆弱。

矩形与正方形情况的一种解决方案是创建一个名为Quadrilateral的接口，并在单独的Rectangle和Square 类中实现它。在这种情况下，我们允许类负责它们自己的数据，但强制要求某些方法足迹可用。

class QuadrilateralMeta(type):
    def __instancecheck__(self, instance):
        return self.__subclasscheck__(type(instance))

    def __subclasscheck__(self, subclass):
        return (hasattr(subclass, 'area') and callable(subclass.area)) \\
          and (hasattr(subclass, 'get_height') and callable(subclass.get_height)) \\
          and (hasattr(subclass, 'get_width') and callable(subclass.get_width)) \\

class QuadrilateralInterface(metaclass=QuadrilateralMeta):
    pass

class Rectangle(QuadrilateralInterface):
    pass

class Square(QuadrilateralInterface):
    pass

这里的底线是，如果你发现你覆盖了很多代码，那么你的架构可能是错误的，你应该考虑 Liskov 替换原则。

接口隔离原则

这表明许多特定于客户端的接口优于一个通用接口。换句话说，不应强制类实现它们不使用的接口。

让我们以Worker接口为例。这定义了几种不同的方法，可以应用于典型开发机构的工作人员。

class WorkerMeta(type):
    def __instancecheck__(self, instance):
        return self.__subclasscheck__(type(instance))

    def __subclasscheck__(self, subclass):
        return (hasattr(subclass, 'take_break') and callable(subclass.take_break)) \\
          and (hasattr(subclass, 'write_code') and callable(subclass.write_code)) \\
          and (hasattr(subclass, 'call_client') and callable(subclass.call_client)) \\
          and (hasattr(subclass, 'get_paid') and callable(subclass.get_paid))

class WorkerInterface(metaclass=WorkerMeta):
    pass

问题是因为这个接口太通用了，我们不得不在实现这个接口的类中创建方法来适应这个接口。

例如，如果我们创建一个Manager类，那么我们将被迫实现一个 write_code() 方法，因为这是接口所需要的。因为经理通常不编写代码，所以我们实际上无法在此方法中执行任何操作，因此我们只返回 false。

class Manager(WorkerInterface):
    def write_code(self):
        pass

此外，如果我们有一个实现Worker的Developer类，那么我们将被迫实现一个 call_client() 方法，因为这是接口所需要的。

class Developer(WorkerInterface):
    def call_client(self):
        pass

拥有一个臃肿的接口意味着必须实现什么都不做的方法。

正确的解决方案是将我们的界面拆分成单独的部分，每个部分处理特定的功能。在这里，我们从我们的通用Worker接口中分离出Coder和ClientFacer接口。

class WorkerMeta(type):
    def __instancecheck__(self, instance):
        return self.__subclasscheck__(type(instance))

    def __subclasscheck__(self, subclass):
        return (hasattr(subclass, 'take_break') and callable(subclass.take_break)) \\
          and (hasattr(subclass, 'get_paid') and callable(subclass.get_paid))

class WorkerInterface(metaclass=WorkerMeta):
    pass


class ClientFacerMeta(type):
    def __instancecheck__(self, instance):
        return self.__subclasscheck__(type(instance))

    def __subclasscheck__(self, subclass):
        return (hasattr(subclass, 'call_client') and callable(subclass.call_client))

class ClientFacerInterface(metaclass=ClientFacerMeta):
    pass


class CoderMeta(type):
    def __instancecheck__(self, instance):
        return self.__subclasscheck__(type(instance))

    def __subclasscheck__(self, subclass):
        return (hasattr(subclass, 'write_code') and callable(subclass.write_code))

class CoderInterface(metaclass=CoderMeta):
    pass

有了这个，我们就可以实现我们的子类，而不必编写我们不需要的代码。所以我们的Developer和Manager类看起来像这样。

class Manager(WorkerInterface, ClientFacerInterface):
    pass

class Developer(WorkerInterface, CoderInterface):
    pass

拥有许多特定接口意味着我们不必编写代码来支持接口。

依赖倒置原则

也许是最简单的原则，它指出类应该依赖于抽象，而不是具体化。本质上，不依赖于具体类，依赖于接口。

以使用mysqlConnection类从数据库加载页面的PageLoader类为例，我们可以创建这些类，以便将连接类传递给PageLoader类的构造函数。

class MySqlConnection():
    def connect(self):
        pass

class PageLoader():
    def __init__(self, mysql_connection: MySqlConnection):
        self._mysql_connection = mysql_connection

这种结构意味着我们基本上只能在数据库层使用 MySQL。如果我们想将其换成不同的数据库适配器会怎样？我们可以扩展MySqlConnection类以创建到 Memcache 或其他东西的连接，但这会违反 Liskov 替换原则。可能会使用备用数据库管理器来加载页面，因此我们需要找到一种方法来执行此操作。

这里的解决方案是创建一个名为DbConnectionInterface的接口，然后在MySqlConnection类中实现这个接口。然后，我们不再依赖传递给PageLoader类的MySqlConnection对象，而是依赖任何实现DbConnectionInterface接口的类。

class DbConnectionMeta(type):
    def __instancecheck__(self, instance):
        return self.__subclasscheck__(type(instance))

    def __subclasscheck__(self, subclass):
        return (hasattr(subclass, 'connect') and callable(subclass.connect))

class DbConnectionInterface(metaclass=DbConnectionMeta):
    pass


class MySqlConnection(DbConnectionInterface):
    def connect(self):
        pass

class PageLoader():
    def __init__(self, db_connection: DbConnectionInterface):
        self._db_connection = db_connection

有了这个，我们现在可以创建一个MemcacheConnection类，只要它实现了DbConnectionInterface，我们就可以在PageLoader类中使用它来加载页面。

这种方法还迫使我们以这样一种方式编写代码，以防止不关心它的类中的特定实现细节。因为我们已经将MySqlConnection类传递给了PageLoader类，所以我们不应该在PageLoader类 中编写 SQL 查询。这意味着当我们传入MemcacheConnection对象时，它的行为方式与任何其他类型的连接类相同。

当考虑接口而不是类时，它迫使我们将特定域代码移出我们的PageLoader类并移入MySqlConnection类。

如何发现它？

一个更大的问题可能是，如果您需要将 SOLID 原则应用于您的代码，或者您正在编写的代码不是 SOLID，您如何才能发现。

了解这些原则只是成功的一半，您还需要知道什么时候应该退后一步并考虑应用 SOLID 原则。我想出了一个快速列表，列出了您需要关注的“告诉”，表明您的代码可能需要重新编写。

您正在编写大量“if”语句来处理目标代码中的不同情况。
你写了很多代码，实际上并没有做任何事情只是为了满足界面设计。
你一直打开同一个类来更改代码。
您在与该类没有任何关系的类中编写代码。例如，将 SQL 查询放在数据库连接类之外的类中。

结论

SOLID 不是一种完美的方法，它可能会导致包含许多移动部件的复杂应用程序，并且偶尔会导致编写代码以备不时之需。使用 SOLID 意味着编写更多类并创建更多接口，但许多现代 IDE 将通过自动代码完成来解决该问题。

也就是说，它确实会迫使您分离关注点、考虑继承、防止重复代码并谨慎编写应用程序。毕竟，考虑对象如何在应用程序中组合在一起是面向对象代码的全部内容。

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