软件设计原则
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3755 字
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38 分钟

软件设计原则

在软件开发中，为了提高软件系统的可维护性和可复用性，增加软件的可扩展性和灵活性，程序员要尽量根据6条原则来开发程序，从而提高软件开发效率、节约软件开发成本和维护成本

1. 单一职责原则

一个类应该只负责一项职责

  1. 只有当逻辑足够简单时，才可以在代码级别违反单一职责原则：这意味着在开发中，当你的代码非常简单、清晰明了时，有时可以允许一个类或模块承担多个职责。这是因为在某些情况下，过度拆分代码可能会导致代码过于复杂，反而难以维护
  2. 只有类中方法足够少，可以在方法级别保持单一职责原则：这是一个更具体的例外情况，即在一个类中，如果方法数量很少，每个方法都保持单一职责，那么可以容忍在方法级别稍微违反单一职责。这是因为在这种情况下，代码仍然相对简单，易于理解和维护

优点：

  • 降低类的复杂度，一个类只负责一项职责
  • 提高类的可读性，可维护性
  • 降低变更引起的风险

2. 开闭原则

对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是为了使程序的扩展性好，易于维护和升级

想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类

因为抽象灵活性好，适应性广，只要抽象的合理，可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节可以从抽象派生来的实现类来进行扩展，当软件需要发生变化时，只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了

应用实例

下面以搜狗输入法的皮肤为例介绍开闭原则的应用

【例】搜狗输入法的皮肤设计

分析：搜狗输入法的皮肤是输入法背景图片、窗口颜色和声音等元素的组合。用户可以根据自己的喜爱更换自己的输入法的皮肤，也可以从网上下载新的皮肤。这些皮肤有共同的特点，可以为其定义一个抽象类（AbstractSkin），而每个具体的皮肤（DefaultSkin和DIYSkin）是其子类。用户窗体可以根据需要选择或者增加新的主题，而不需要修改原代码，所以它是满足开闭原则的

image-20230908161337835

AbstractSkin 抽象类：

public abstract class AbstractSkin {
    public abstract void display();
}

DefaultSkin 类：

public class DefaultSkin extends AbstractSkin{
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("默认皮肤");
    }
}

DIYSkin类：

public class DIYSkin extends AbstractSkin{
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("自定义皮肤");
    }
}

SogouInput 类：

public class SogouInput {

    private AbstractSkin skin;

    public void setSkin(AbstractSkin skin) {
        this.skin = skin;
    }

    public void display(){
        skin.display();
    }
}

Test类：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建搜狗输入法对象
        SogouInput sogouInput = new SogouInput();
        // 2. 创建皮肤对象
        //DefaultSkin defaultSkin = new DefaultSkin();
        DIYSkin diySkin = new DIYSkin();
        // 3. 将皮肤设置到输入法中
        //sogouInput.setSkin(defaultSkin);
        sogouInput.setSkin(diySkin);
        // 4. 显示皮肤
        sogouInput.display();
    }

}

3. 里氏代换原则

任何父类可以出现的地方，子类一定可以出现。通俗理解：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。换句话说，子类继承父类时，除添加新的方法完成新增功能外，尽量不要重写父类的方法

如果通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的概率会非常大

应用实例①

下面看一个里氏替换原则中经典的一个例子

【例】正方形不是长方形

在数学领域里，正方形毫无疑问是长方形，它是一个长宽相等的长方形。所以，我们开发的一个与几何图形相关的软件系统，就可以顺理成章的让正方形继承自长方形

image-20230908173255827

长方形类（Rectangle）：

public class Rectangle {

    private double length;
    private double width;

    public double getLength() {
        return length;
    }

    public void setLength(double length) {
        this.length = length;
    }

    public double getWidth() {
        return width;
    }

    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }
}

正方形（Square）：

由于正方形的长和宽相同，所以在方法setLength和setWidth中，对长度和宽度都需要赋相同值

public class Square extends Rectangle {
    @Override
    public void setLength(double length) {
        super.setLength(length);
        super.setWidth(length);
    }

    @Override
    public void setWidth(double width) {
        super.setWidth(width);
        super.setLength(width);
    }
}

测试类（RectangleDemo）:

public class RectangleDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Rectangle r = new Rectangle();
        r.setWidth(10);
        r.setLength(20);
        resize(r);
        printLengthAndWidth(r);

        System.out.println("=============");

        Square s = new Square();
        s.setLength(10);
        resize(s);
        printLengthAndWidth(s);

    }

    public static void resize(Rectangle rectangle) {
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        }
    }

    //打印长方形的长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    }
}

我们运行一下这段代码就会发现，假如我们把一个普通长方形作为参数传入resize方法，就会看到长方形宽度逐渐增长的效果，当宽度大于长度,代码就会停止，这种行为的结果符合我们的预期；假如我们再把一个正方形作为参数传入resize方法后，就会看到正方形的宽度和长度都在不断增长，代码会一直运行下去，直至系统产生溢出错误。所以，普通的长方形是适合这段代码的，正方形不适合

我们得出结论：在resize方法中，Rectangle类型的参数是不能被Square类型的参数所代替，如果进行了替换就得不到预期结果。因此，Square类和Rectangle类之间的继承关系违反了里氏代换原则，它们之间的继承关系不成立，正方形不是长方形

应用实例②

如何改进呢？此时我们需要重新设计他们之间的关系。抽象出来一个四边形接口(Quadrilateral)，让Rectangle类和Square类实现Quadrilateral接口

image-20230908173601423

四边形接口（Quadrilateral）:

public interface Quadrilateral {
    double getLength();
    double getWidth();
}

长方形类（Rectangle）:

public class Rectangle implements Quadrilateral {

    private double length;
    private double width;

    public void setLength(double length) {
        this.length = length;
    }

    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }

    @Override
    public double getLength() {
        return length;
    }

    @Override
    public double getWidth() {
        return width;
    }
}

正方形类（Square）:

public class Square implements Quadrilateral{

    private double side;

    public double getSide() {
        return side;
    }

    public void setSide(double side) {
        this.side = side;
    }

    @Override
    public double getLength() {
        return side;
    }

    @Override
    public double getWidth() {
        return side;
    }
}

测试类（RectangleDemo）:

public class RectangleDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Rectangle r = new Rectangle();
        r.setWidth(10);
        r.setLength(20);
        resize(r);
        printLengthAndWidth(r);
    }

    public static void resize(Rectangle rectangle) {
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        }
    }

    //打印长方形的长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    }
}

4. 依赖倒转原则

高层模块不应该依赖低层模块，两者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象。简单的说就是要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合

应用实例①

下面看一个例子来理解依赖倒转原则

【例】组装电脑

现要组装一台电脑，需要配件cpu，硬盘，内存条。只有这些配置都有了，计算机才能正常的运行。选择cpu有很多选择，如Intel，AMD等，硬盘可以选择希捷，西数等，内存条可以选择金士顿，海盗船等

image-20230909115029750

Cpu类（IntelCpu）:

public class IntelCpu {
    public void run() {
        System.out.println("使用Intel处理器");
    }
}

内存条类（KingstonMemory）:

public class KingstonMemory {
    public void save() {
        System.out.println("使用金士顿内存条");
    }
}

硬盘类（XiJieHardDisk）:

public class XiJieHardDisk {

    //存储数据的方法
    public void save(String date){
        System.out.println("使用希捷硬盘存储数据为：" + date);
    }

    //获取数据的方法
    public String get(){
        System.out.println("使用希捷硬盘获取数据");
        return "数据";
    }
}

计算机类（Computer）:

public class Computer {
    private XiJieHardDisk hardDisk;
    private IntelCpu cpu;
    private KingstonMemory memory;

    public XiJieHardDisk getHardDisk() {
        return hardDisk;
    }

    public void setHardDisk(XiJieHardDisk hardDisk) {
        this.hardDisk = hardDisk;
    }

    public IntelCpu getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(IntelCpu cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public KingstonMemory getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(KingstonMemory memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public void run() {
        System.out.println("运行计算机");
        String data = hardDisk.get();
        System.out.println("从硬盘上获取的数据是：" + data);
        cpu.run();
        memory.save();
    }
}

测试类（ComputerDemo）:

public class ComputerDemo {
    public static void main(String[] args) {

        //创建组件
        XiJieHardDisk hardDisk = new XiJieHardDisk();
        IntelCpu cpu = new IntelCpu();
        KingstonMemory memory = new KingstonMemory();

        //创建计算机对象
        Computer c = new Computer();

        //组装计算机
        c.setCpu(cpu);
        c.setHardDisk(hardDisk);
        c.setMemory(memory);

        //运行计算机
        c.run();
    }
}

上面代码可以看到已经组装了一台电脑，但是似乎组装的电脑的cpu只能是Intel的，内存条只能是金士顿的，硬盘只能是希捷的，这对用户肯定是不友好的，用户有了机箱肯定是想按照自己的喜好，选择自己喜欢的配件

应用实例②

根据依赖倒转原则进行改进：

代码我们只需要修改Computer类，让Computer类依赖抽象（各个配件的接口），而不是依赖于各个组件具体的实现类

image-20230909120205066

cpu接口（Cpu）:

public interface Cpu {
    //运行cpu
    public void run();
}

硬盘接口（HardDisk）:

public interface HardDisk {
    //存储数据
    public void save(String date);

    //获取数据
    public String get();
}

内存条接口（Memory）:

public interface Memory {
    public void save();
}

Cpu类（IntelCpu）:

public class IntelCpu implements Cpu{
    public void run(){
        System.out.println("使用Intel处理器");
    }
}

硬盘类（XiJieHardDisk）:

public class XiJieHardDisk implements HardDisk{

    //存储数据的方法
    public void save(String date){
        System.out.println("使用希捷硬盘存储数据为：" + date);
    }

    //获取数据的方法
    public String get(){
        System.out.println("使用希捷硬盘获取数据");
        return "数据";
    }
}

内存条类（KingstonMemory）:

public class KingstonMemory implements Memory{
    public void save(){
        System.out.println("使用金士顿内存条");
    }
}

计算机类（Computer）:

public class Computer {
    private HardDisk hardDisk;
    private Cpu cpu;
    private Memory memory;

    public HardDisk getHardDisk() {
        return hardDisk;
    }

    public void setHardDisk(HardDisk hardDisk) {
        this.hardDisk = hardDisk;
    }

    public Cpu getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(Cpu cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public Memory getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(Memory memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public void run() {
        System.out.println("运行计算机");
        String data = hardDisk.get();
        System.out.println("从硬盘上获取的数据是：" + data);
        cpu.run();
        memory.save();
    }
}

测试类（ComputerDemo）:

public class ComputerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建组件
        HardDisk hardDisk = new XiJieHardDisk();
        Cpu cpu = new IntelCpu();
        Memory memory = new KingstonMemory();

        //创建计算机对象
        Computer c = new Computer();

        //组装计算机
        c.setCpu(cpu);
        c.setMemory(memory);
        c.setHardDisk(hardDisk);

        //运行计算机
        c.run();
    }
}

5. 接口隔离原则

一个类不应该被迫依赖于它不使用的方法；一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上

应用实例①

下面看一个例子来理解接口隔离原则

【例】安全门案例

我们需要创建一个黑马品牌的安全门，该安全门具有防火、防水、防盗的功能。可以将防火，防水，防盗功能提取成一个接口，形成一套规范。类图如下：

image-20230909121806440

安全门接口（SafetyDoor）:

public interface SafetyDoor {
    //防盗
    void antiTheft();

    //防火
    void fireProof();

    //防水
    void waterProof();
}

黑马安全门类（HeimaSafetyDoor）:

public class HeimaSafetyDoor implements SafetyDoor{
    public void antiTheft(){
        System.out.println("防盗");
    }

    public void fireProof(){
        System.out.println("防火");
    }

    public void waterProof(){
        System.out.println("防火");
    }
}

测试类（Test）:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        HeimaSafetyDoor door = new HeimaSafetyDoor();
        door.antiTheft();
        door.fireProof();
        door.waterProof();
    }
}

上面的设计我们发现了它存在的问题，黑马品牌的安全门具有防盗，防水，防火的功能。现在如果我们还需要再创建一个传智品牌的安全门，而该安全门只具有防盗、防水功能呢？很显然如果实现SafetyDoor接口就违背了接口隔离原则，那么我们如何进行修改呢？

应用实例②

看如下类图：

image-20230909122259744

防盗接口（AntiTheft）:

public interface AntiTheft {
    void antiTheft();
}

防火接口（FireProof）:

public interface FireProof {
    void fireProof();
}

防水接口（WaterProof）:

public interface WaterProof {
    void waterProof();
}

黑马安全门类（HeimaSafetyDoor）:

public class HeimaSafetyDoor implements AntiTheft, FireProof, WaterProof {
    @Override
    public void antiTheft() {
        System.out.println("防盗");
    }

    @Override
    public void fireProof() {
        System.out.println("防火");
    }

    @Override
    public void waterProof() {
        System.out.println("防火");
    }
}

传智安全门类（ItcastSafetyDoor）:

public class ItcastSafetyDoor implements AntiTheft, FireProof{
    @Override
    public void antiTheft() {
        System.out.println("防盗");
    }

    @Override
    public void fireProof() {
        System.out.println("防火");
    }
}

测试类（Test）:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //创建黑马安全门对象
        HeimaSafetyDoor door = new HeimaSafetyDoor();
        //调用功能
        door.antiTheft();
        door.fireProof();
        door.waterProof();

        System.out.println("----------");
        //创建传智安全门对象
        ItcastSafetyDoor door1 = new ItcastSafetyDoor();
        //调用功能
        door1.antiTheft();
        door1.fireProof();
    }
}

6. 迪米特法则

如果两个软件实体无须直接通信，那么就不应当发生直接的相互调用，可以通过第三方转发该调用。其目的是降低类之间的耦合度，提高模块的相对独立性

只和你的直接朋友交谈，不跟“陌生人”说话（Talk only to your immediate friends and not to strangers）

迪米特法则中的“朋友”是指：当前对象本身、当前对象的成员对象、当前对象所创建的对象、当前对象的方法参数等，这些对象同当前对象存在关联、聚合或组合关系，可以直接访问这些对象的方法

应用实例

下面看一个例子来理解迪米特法则

【例】明星与经纪人的关系实例

明星由于全身心投入艺术，所以许多日常事务由经纪人负责处理，如和粉丝的见面会，和媒体公司的业务洽淡等。这里的经纪人是明星的朋友，而粉丝和媒体公司是陌生人，所以适合使用迪米特法则

类图如下：

image-20230909143726109

明星类（Star）:

public class Star {
    private String name;

    public Star(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

粉丝类（Fans）:

public class Fans {
    private String name;

    public Fans(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

媒体公司类（Company）:

public class Company {
    private String name;

    public Company(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

经纪人类（Agent）:

public class Agent {
    private Star star;
    private Fans fans;
    private Company company;

    public void setStar(Star star) {
        this.star = star;
    }

    public void setFans(Fans fans) {
        this.fans = fans;
    }

    public void setCompany(Company company) {
        this.company = company;
    }

    //和粉丝见面
    public void meeting(){
        System.out.println(star.getName() + "和粉丝" + fans.getName() + "见面");
    }

    //和媒体公司洽谈的方法
    public void business(){
        System.out.println(star.getName() + "和" + company.getName() + "洽谈");
    }
}

测试类（Test）:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //创建经纪人类
        Agent agent = new Agent();

        //创建明星对象
        Star star = new Star("鞠婧祎");
        agent.setStar(star);

        //创建粉丝对象
        Fans fans = new Fans("Enndfp");
        agent.setFans(fans);

        //创建媒体对象
        Company company = new Company("经纪公司");
        agent.setCompany(company);

        agent.meeting();
        agent.business();
    }
}

7. 合成复用原则

合成复用原则是指：尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现，其次才考虑使用继承关系来实现

通常类的复用分为继承复用和合成复用两种

  • 继承复用：继承复用虽然有简单和易实现的优点，但它也存在以下缺点：
    • 继承复用破坏了类的封装性。因为继承会将父类的实现细节暴露给子类，父类对子类是透明的，所以这种复用又称为“白箱”复用
    • 子类与父类的耦合度高。父类的实现的任何改变都会导致子类的实现发生变化，这不利于类的扩展与维护
    • 它限制了复用的灵活性。从父类继承而来的实现是静态的，在编译时已经定义，所以在运行时不可能发生变化
  • 合成复用：采用组合或聚合复用时，可以将已有对象纳入新对象中，使之成为新对象的一部分，新对象可以调用已有对象的功能，它有以下优点：
    • 它维持了类的封装性。因为成分对象的内部细节是新对象看不见的，所以这种复用又称为“黑箱”复用
    • 对象间的耦合度低。可以在类的成员位置声明抽象
    • 复用的灵活性高。这种复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态地引用与成分对象类型相同的对象

应用实例

下面看一个例子来理解合成复用原则

【例】汽车分类管理程序

汽车按“动力源”划分可分为汽油汽车、电动汽车等；按“颜色”划分可分为红色汽车和白色汽车等。如果同时考虑这两种分类，其组合就很多。类图如下：

image-20230909150237967

从上面类图我们可以看到使用继承复用产生了很多子类，如果现在又有新的动力源或者新的颜色的话，就需要再定义新的类。我们试着将继承复用改为聚合复用看一下

image-20230909150444865

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