软件构造第五章第二节 设计可复用的软件

Posted 2020-11-17 hithongming

 

第五章第二节  设计可复用的软件

 5-1节学习了可复用的层次、形态、表现；本节从类、API、框架三个层面学习如何设计可复用软件实体的具体技术。

Outline

• 设计可复用的类——LSP
  • 行为子结构
  • Liskov替换原则(LSP)
• 各种应用中的LSP
  • 数组是协变的
  • 泛型中的LSP
  • 为了解决类型擦除的问题-----Wildcards（通配符）
• 设计可复用的类——委派与组合
• 设计可复用库与框架

Notes

## 设计可复用的类——LSP

• 在OOP之中设计可复用的类
  • 封装和信息隐藏
  • 继承和重写
  • 多态、子类和重载
  •  泛型编程
  •  LSP原则
  •  委派和组合（Composition）

【行为子结构】

• 子类型多态（ Subtype polymorphism）：客户端可用统一的方式处理不同类型的对象 。
• 栗子：

  Animal a = new Animal(); 
  Animal c1 = new Cat(); 
  Cat c2 = new Cat();

   在可以使用a的场景，都可以用c1和c2代替而不会有任何问题。

• 在java的静态类型检查之中，编译器强调了几条规则：
  • 子类型可以增加方法，但不可删
  • 子类型需要实现抽象类型中的所有未实现方法
  • 子类型中重写的方法必须有相同或子类型的返回值
  • 子类型中重写的方法必须使用同样类型的参数
  • 子类型中重写的方法不能抛出额外的异常
• 行为子结构也适用于指定的方法：
  • 更强的不变量
  • 更弱的前置条件
  • 更强的后置条件

行为子结构的示例一：

• 子类满足相同的不变量（同时附加了一个） 
• 重写的方法有相同的前置条件和后置条件
• 故该结构满足LSP 

 行为子结构的示例二：

• 子类满足相同的不变量（同时附加了一个）
• 重写的方法 start 的前置条件更弱
• 重写的方法 brake 的后置条件更强
• 故该结构满足LSP 

行为子结构的示例三：

• 子类满足不变量条件更强，故满足LSP

 

 【Liskov替换原则(LSP)】 更多参考：LSP的笔记

• 里氏替换原则的主要作用就是规范继承时子类的一些书写规则。其主要目的就是保持父类方法不被覆盖。
• LSP是子类型关系的一个特殊定义，称为（强）行为子类型化。在编程语言中，LSP依赖于以下限制：
  • 前置条件不能强化
  • 后置条件不能弱化
  • 不变量要保持或增强
  • 子类型方法参数：逆变
  • 子类型方法的返回值：协变
  • 异常类型：协变
• 协变（Co-variance）：
  • 父类型->子类型：越来越具体(specific)。
  • 在LSP中，返回值和异常的类型：不变或变得更具体 。
  • 栗子：
• 逆变(Contra-variance)：
  • 父类型->子类型：越来越具体specific 。
  • 参数类型：要相反的变化，不变或越来越抽象。 
  • 栗子：
  • 但这在Java中是不允许的，因为它会使重载规则复杂化。

 总结：

（1.子类型（属性、方法）关系；2.不变性，重写方法；3.协变，方法返回值变具体；4.逆变，方法参数变抽象；5.协变，参数变的更具体，协变不安全）

 

## 各种应用中的LSP

【数组是协变的】

• 数组是协变的：一个数组T[ ] ，可能包含了T类型的实例或者T的任何子类型的实例
• 下面报错的原因是myNumber指向的还是一个Integer[] 而不是Number[]

Number[] numbers = new Number[2]; 
numbers[0] = new Integer(10); 
numbers[1] = new Double(3.14);

Integer[] myInts = {1,2,3,4}; 
Number[] myNumber = myInts;

myNumber[0] = 3.14; //run-time error!

 

 【泛型中的LSP】

• 泛型是类型不变的（泛型不是协变的）。举例来说 
  • ArrayList<String> 是List<String>的子类型 
  • List<String>不是List<Object>的子类型
• 在代码的编译完成之后，泛型的类型信息就会被编译器擦除。因此，这些类型信息并不能在运行阶段时被获得。这一过程称之为类型擦除（type erasure）。
• 类型擦除的详细定义：如果类型参数没有限制，则用它们的边界或Object来替换泛型类型中的所有类型参数。因此，产生的字节码只包含普通的类、接口和方法。
• 类型擦除的结果： <T>被擦除 T变成了Object

   

• Integer是number的子类型，但Box<Integer>也不是Box<Number>的子类型 
• 这对于类型系统来说是不安全的，编译器会立即拒绝它。

【为了解决类型擦除的问题-----Wildcards（通配符）】

• 无界通配符类型使用通配符（？）指定，例如List <？>，这被称为未知类型的列表。 
• 在两种情况下，无界通配符是一种有用的方法：
  • 如果您正在编写可使用Object类中提供的功能实现的方法。
  • 当代码使用泛型类中不依赖于类型参数的方法时。 例如，List.size或List.clear。 事实上，Class <？>经常被使用，因为Class <T>中的大多数方法不依赖于T。

 栗子：

public static void printList(List<Object> list) { 
    for (Object elem : list) 
        System.out.println(elem + " "); 
    System.out.println(); 
} 

　　printList的目标是打印任何类型的列表，但它无法实现该目标 ，它仅打印Object实例列表; 它不能打印List <Integer>，List <String>，List <Double>等，因为它们不是List <Object>的子类型。 
　　要编写通用的printList方法，请使用List <？>

1 public static void printList(List<?> list) { 
2     for (Object elem: list) 
3 System.out.println(); 
4 } 
5 
6 ist<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3); 
7 List<String>  ls = Arrays.asList("one", "two", "three"); 
8 printList(li); 
9 printList(ls);

 

 

 

 

 

 

 

## 设计可复用库与框架

　　之所以library和framework被称为系统层面的复用，是因为它们不仅定义了1个可复用的接口/类，而是将某个完整系统中的所有可复用的接口/类都实现出来，并且定义了这些类之间的交互关系、调用关系，从而形成了系统整体 的“架构”。、

• 相应术语：
  • API（Application Programming Interface）：库或框架的接口
  • Client（客户端）：使用API的代码
  • Plugin（插件）：客户端定制框架的代码
  • Extension Point：框架内预留的“空白”，开发者开发出符合接口要求的代码( 即plugin) ， 框架可调用，从而相当于开发者扩展了框架的功能
  • Protocol（协议）：API与客户端之间预期的交互序列。
  • Callback（反馈）：框架将调用的插件方法来访问定制的功能。
  • Lifecycle method：根据协议和插件的状态，按顺序调用的回调方法。

【API和库】

• API是程序员最重要的资产和“荣耀”，吸引外部用户，提高声誉。 
• 建议：始终以开发API的标准面对任何开发任务；面向“复用”编程而不是面向“应用”编程。 
• 难度：要有足够良好的设计，一旦发布就无法再自由改变。 
• 编写一个API需要考虑以下方面：
  • API应该做一件事，且做得很好
  • API应该尽可能小，但不能太小
  • Implementation不应该影响API
  • 记录文档很重要
  • 考虑性能后果
  • API必须与平台和平共存
  • 类的设计：尽量减少可变性，遵循LSP原则
  • 方法的设计：不要让客户做任何模块可以做的事情，及时报错

【框架】

框架分为白盒框架和黑盒框架。 

• 白盒框架： 
  • 通过子类化和重写方法进行扩展（使用继承）； 
  • 通用设计模式：模板方法； 
  • 子类具有主要方法但对框架进行控制。
• 黑盒框架： 
  • 通过实现插件接口进行扩展（使用组合/委派）； 
  • 常用设计模式：Strategy, Observer ； 
  • 插件加载机制加载插件并对框架进行控制。