谈谈到底什么是抽象，以及软件设计的抽象原则

Posted 2021-01-28 feng9exe

我们在日常开发中，我们常常会提到抽象。但很多人常常搞不清楚，究竟什么是抽象，以及如何进行抽象。今天我们就来谈谈抽象。

什么是抽象？

首先，抽象这个词在中文里可以作为动词也可以作为名词。作为动词的抽象就是指一种行为，这种行为的结果，就是作为名词的抽象。Wikipedia 上是这么定义抽象的：

Conceptual abstractions may be formed by filtering the information content of a concept or an observable phenomenon, selecting only the aspects which are relevant for a particular subjectively valued purpose.

也就是说，抽象是指为了某种目的，对一个概念或一种现象包含的信息进行过滤，移除不相关的信息，只保留与某种最终目的相关的信息。例如，一个*皮质的足球*，我们可以过滤它的质料等信息，得到更一般性的概念，也就是*球*。从另外一个角度看，抽象就是简化事物，抓住事物本质的过程。

需要注意的是，抽象是分层次的。还是用 Wikipedia 上的例子，以下是对一份报纸在多个不同层次的抽象：

1. 我的 5 月 18 日的《旧金山纪事报》

2. 5 月 18 日的《旧金山纪事报》

3. 《旧金山纪事报》

4. 一份报纸

5. 一个出版品

可以看到，在不同层次的抽象，就是过滤掉了不同的信息。这里没有展现出来的是，我们需要确保最终留下来的信息，都是当前抽象层需要的信息。

生活中的抽象

其实我们生活中每时每刻都在接触或者进行各种抽象。接触最多的，应该就是数字了。其实原始人类并没有数字这个概念，他们可能能够理解三个苹果，也能够理解三只鸭子，但是对他们来说，是不存在数字“三”这个概念的。在他们的理解里，三个苹果和三只鸭子是没有任何联系的。直到某一天，某个原始人发现了这两者之间，有那么一个共性，也即是数字“三”，于是就有了数字这个概念。从那以后，人们就开始用数字对各类事物进行计数。

赫拉利在《人类简史》里说，人类之所以成为人类，是因为人类能够想象。这里的想象，我认为很大程度上也是指抽象。只有人类能够从具体的事物本身，抽象出各种概念。可以说，人类的几乎所有事情，包括政治（例如民族、国家）、经济（例如货币、证券）、文学、艺术、科学等等，都是建立在抽象的基础上的。绘画有一个流派叫抽象主义，很多人（包括我）都表示看不懂，但下面几幅毕加索画的牛，也许能够从直观上让我们更好的理解什么是抽象。

 

 

科学里的抽象就更广泛了，我们可以认为所有的科学理论和定理都是一种抽象。物体的质量是一种抽象，它不关注物体是什么以及它的形状或质地；牛顿定律是对物体运动规律的抽象，我们现在知道它不准确，但它在常规世界里，却依然是一个相当可靠的抽象。在科学和工程里，常常需要建立一些模型或者假设，比如量子力学的标准粒子模型、经济学的理性人假设，这些都是抽象。甚至包括现在 AI 里通过训练生成的模型，某种程度上说，也是一种抽象。

当然，哲学上对抽象有很多讨论，什么本体论、白马非马之类的，这些已经在本人的理解范围之外了，就不讨论了。

开发中的抽象

现在我们应该能大致理解抽象这个概念了，让我们回到软件开发领域。

在软件开发里面，最重要的抽象就可能是分层了。分层随处可见，例如我们的系统就是分层的。最早的程序是直接运行在硬件上的，开发成本非常高。然后慢慢开始有了操作系统，操作系统提供了资源管理、进程调度、输入输出等所有程序都需要的基础功能，开发程序时调用操作系统的接口就可以了。再后来发现操作系统也不够，于是又有了各种运行环境（如 JVM）。

编程语言也是一种分层的抽象。机器理解的其实是机器语言，即各种二进制的指令。但我们不可能直接用机器语言编程，于是我们发明了汇编语言、C 语言以及 Java 等各种高级语言，一直到 Ruby、Python 等动态语言。

开发中，我们应该也都听说过各种分层模型。例如经典的三层模型（展现层、业务逻辑层、数据层），还有 MVC 模型等。有一句名言：“软件领域的任何问题，都可以通过增加一个间接的中间层来解决”。分层架构的核心其实就是抽象的分层，每一层的抽象只需要而且只能关注本层相关的信息，从而简化整个系统的设计。

其实软件开发本身，就是一个不断抽象的过程。我们把业务需求抽象成数据模型、模块、服务和系统，面向对象开发时我们抽象出类和对象，面向过程开发时我们抽象出方法和函数。也即是说，上面提到的模型、模块、服务、系统、类、对象、方法、函数等，都是一种抽象。可想而知，设计一个好的抽象，对我们软件开发有多么重要。

抽象的原则

那么到底应如何做到好的抽象呢？在软件开发领域，前人们其实早帮我们整理出了 SOLID 等设计原则以及各种设计模式。对于 SOLID 原则，虽然很多人都听说过，但其实真正能理解这些原则的开发者并不多。那么我们就从抽象的角度，再来看下这些原则，也许会有更好的理解。

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

单一职责是指一个模块应该只做一件事，并把这件事做好。其实对照应抽象的定义，可以发现这个原则本身就是抽象的核心体现。如果一个类包含了很多方法，或者一个方法特别长，就要引起我们的特别注意了。例如下面这个 Employee 类，既有业务逻辑（calculatePay）、又有数据库逻辑（saveToDb），那它其实至少做了两件事情，也就不符合单一职责原则，当然也就不是一个好的抽象。

class Employee {
    public Pay calculatePay() {...}    
    public void saveToDb() {...}
}  

有些人觉得单一职责不太好理解，有时候很那分辨一个模块到底是不是单一职责。其实单一职责的概念，常常需要结合抽象的分层去理解。

在同一个抽象层里，如果一个类或者一个方法做了不止一件事，一般是比较容易分辨的。例如一个违反单一职责原则的典型征兆是，一个方法接受一个布尔类型或者枚举类型的参数，然后一个大大的 if／else 或者 switch／case，分支里也是大段的代码处理各种情况下的逻辑。这时我们可以用简单工厂模式、策略模式等设计模式去优化设计。

假如说我们用了简单工厂模式，改进了一段代码，重构后代码可能像是下面是这样的。

public Instance getInstance(final int type){
    switch (type) {
        case 1: return new AAInstance;
        case 2: return new BBInstance;
        default: return new DefaultInstance();
    }
}

有人可能会有疑问，代码里依然还是存在 if／else 或者 switch／case，这不还是做了不止一件事情么？其实不是的，使用了简单工厂模式，其实就是增加了一个抽象层。在这个抽象层里，getInstance 的职责很明确，就是创建对象。而原来分支里的逻辑处理，则下沉到了另外一个抽象层里去了，也就是 Instance 的实现所在的抽象层。

再看下面 Scala 实现的 updateOrder 方法，它似乎也只是做了一件事情：处理订单，那算不算单一职责呢？

protected def updateOrder(t: TransationEntity) = {
// 1 获取订单
  ManagedRepo.find[Order]("orderNo" -> t.tradeNo).map { order =>
    // 2 检查订单是否已支付
    val ps = SQL("""select statue from Order where id ={id} for update""").on("id" -> order.id).as(scalar[Long].singleOpt).getOrElse(0l)
    if (ps == PAID) {
      throw ServiceException(ApiError.SUBSCRIPTION_UPDATE_FAIL)        
    } else {
      // 3 更新订单信息，标记为已支付            
      val updatedOrder = // 略...
      updatedOrder.saveOrUpdate()
      // 4 生成收入记录
      createIncome(updatedOrder)
    }
  }
}

答案当然是不算，因为很明显，这个方法里面既有业务逻辑的代码，又有数据库处理的代码，这两类应该是在不同的抽象层的。我们把数据库处理的代码抽取出来，下沉到数据层，它就能符合单一职责原则了。

protected def updateOrder(t: TransationEntity) = {
findUnpaidOrder(rtent.tradeNo).map { order =>
    val updatedOrder = updateOrderForPayment(rtent)
    createIncome(updatedOrder)
  }
}  

开放封闭原则（Open/Closed Principle, OCP）

开放封闭原则是指对扩展开放，对修改封闭。当需求改变时，我们可以扩展模块以满足新的需求；但扩展时，不应该需要修改原模块的实现。

下面两段代码都实现了方形、矩形以及圆形的面积计算。第一种用的是面向过程的方法，第二种用的是面向对象的方法。那么，到底哪一种更符合开放封闭原则呢？

面向过程方法：

public class Square {
    public double side;
}
public class Rectangle { 
    public double height;
    public double width;
}
public class Circle { 
    public double radius;
}
public class Geometry {
    public double area(Object shape) {
        if (shape instanceof Square) {
            Square s = (Square) shape;
            return s.side * s.side;
        } else if (shape instanceof Rectangle) {
            Rectangle r = (Rectangle) shape;
            return r.height * r.width;
        } else if (shape instanceof Square) {
            Circle c = (Circle) shape;
            return PI * c.radius * c.radius;
        } else {
            throw new NoSuchShareException();
        }
    }
}

面向对象方法：

public class Square implements Share {
    public double side;
    public double area() {
        return side * side;
    }
}
public class Rectangle implements Share { 
    public double height;
    public double width;
    public double area() {
        return height * width;
    }
}
public class Circle implements Share { 
    public double radius;
    public double area() {
        return PI * radius * radius;
    }
}

估计很多人会觉得面向对象的方式更好，更符合开放封闭原则。但真相其实没那么简单。想象如果我们需要添加一个新的形状，比如说椭圆，那面向对象的实现肯定更方便，我们只需要实现一个椭圆的类以及它的 area 方法。这时候我们可以说面向对象的方法更符合开放封闭原则。

但如果我们需要添加一个新的方法呢？比如说，我们发现我们还需要计算形状的周长。这时候，面向对象的实现似乎就没那么方便了，要在每个类里面添加计算周长的方法。而面向过程的方法，则只需要添加一个方法就行了。这时候，我们反而发现面向过程的方法更符合开放封闭原则。

所以开放封闭其实是相对的，有时候，如何进行抽象，取决于我们对未来最有可能的扩展的预判。

依赖倒置原则（Dependency Inversion Principle, DIP）

依赖倒置原则是指高层模块不应该依赖于低层模块的实现，两者都应该依赖于抽象。抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖与抽象。前面提到，“软件领域的任何问题，都可以通过增加一个间接的中间层来解决” ，DIP 就是最典型的增加中间层的方式，也是我们需要解耦两个模块的最重要的方法之一。

依赖倒置原则的一个例子是 Java 的 JDBC。如果没有 JDBC，那我们的系统就会严格依赖我们使用的那个数据库。这时如果我们想要切换到另外一个数据库，就需要修改大量代码。但 Java 提供了 JDBC 接口，而所有关系数据库的连接库都实现了这个接口，我们的系统也只需要调用 JDBC 即可完成数据库操作。这时我们的系统和数据库的依赖就解除了。除了 JDBC，其实 SQL 本身也是一种依赖倒置的实现。另外一个很典型的例子就是 Java 的日志接口 Slf4j。

 

其实所有的协议和标准化都是 DIP 的一种实现。包括 TCP、HTTP 等网络协议、操作系统、JVM、Spring 框架的 IOC 等等。设计模式里有不少模式，也是典型的依赖倒置，例如状态模式、工厂模式、代理模式、策略模式等等，下图是策略模式的结构图。

 

 

我们日常生活中也有很多依赖倒置的例子。比如电源插座，家庭的供电只需要提供符合国家标准的电源插座，我们购买电器产品时，就不用担心买回来无法接入电源。汽车和轮胎、铅笔和笔、USB／耳机接口等等，也都是同一思想的体现。

里氏替换原则（Liskov Substitution Principle, LSP）

里氏替换原则是指子类必须能够替换成它们的基类。例如下面这个最常见的例子，Square 可以是 Rectangle 的子类吗？

public class Rectangle {
    public double height;
    public double width;
    public void setHeight(int height) { ... }
    public void setWidth(int width) { ... }
}
public class Square extends Rectangle { 
    ???
}

虽然几何上说，Square 是一个特殊的 Rectangle，但把 Square 作为 Rectangle 的子类，却未必合适，因为它已经不存在宽和高的概念了。如果一个抽象不能符合里氏替换原则，那我们就需要考虑下这个抽象是不是合适了。

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

接口隔离原则是指客户端不应该被迫依赖它们不使用的方法。例如下面的 Square 类如果继承了Shape 接口，该如何计算体积以实现volume方法？

interface Shape {
    public function area();
    public function volume();
}
public class Square extends Shape { 
    ???
}

同样，如果一个抽象不符合接口隔离原则，那可能就不是一个合适的抽象。

迪米特法则（Law of Demeter）

迪米特法则不属于 SOLID 原则，但我觉得也值得说一下。它是指模块不应该了解它所操作的对象的内部情况。想象一下，如果你想让你的狗狗快点跑的话，你会对狗狗说，还是对四条狗腿说？如果你去店里买东西，你会把钱交给店员，还是会把钱包交给店员让他自己拿？

下面是一段违反迪米特法则的典型代码。这样的代码把对象内部实现暴露了出来，应该考虑讲将功能直接暴露为接口，或者合理使用设计模式（如 Facade）。

final String outputDir = ctxt.getOptions().getScratchDir().getAbsolutePath();

总结

关于抽象，今天我们就说到这里。不过要注意的是，软件开发并不是仅仅只依靠抽象能力就能完成的，最终我们还是要把我们抽象出来的架构、模型等，落地到真正的代码层面，那就还需要逻辑思维能力、系统分析能力等。以后如果有机会，我们可以继续探讨。

我希望各位看完本文，对抽象的理解能够更加深入一点。我们以奥卡姆剃刀原则来结束吧：一个抽象应该足够简单，但又不至于过于简单。这其实就是抽象的真谛。

 

全文完

 

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