模式和原则 [原]

模式和原则

设计模式介绍

模式：每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案的核心。

这是关于模式最经典的定义，作者是建筑大师Christopher Alexander。如果是第一次看到这句话，多数人会觉得有些抽象难懂。其实“模式”两个字只是一个代号，就像我叫Justin，如果我改叫Tom也没什么问题，只是我更喜欢Justin这个名字，所以从Christopher开始，有了“模式”这个词，人们也都把关于“重复发生的问题的描述和解决办法”统称为模式。

“模式”这个词是不局限于软件开发行业的，它几乎无处不在，它其实就是一种经验的积累，就象大多数人的教育经历都是从小学到初中再到高中再到大学，这也是一种模式，是中国的教育模式；现在越来越火的出国热，也是另一种模式，海外留学模式。因为GOF的《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书描述的23种经典设计模式，奠定了模式在软件行业的地位，从此人们提到“设计模式”就是默指“面向对象设计模式”，但是如前文所述，模式绝对不局限于软件行业，即使在软件行业，也不局限于GOF描述的23种设计模式，例如最著名的Martin Flower的《企业架构模式》，还有我们常用的MVC、IOC等。

[说到这里，有必要声明一下的是，在该系列文章中，凡提到模式，都是指软件行业的基于GOF的《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书的面向对象设计模式，GRASP模式除外。]

因为模式是一种经验的积累和总结，所以通过模式，我们可以站在巨人的肩膀上去思考问题、解决问题，熟练使用设计模式可以提高我们的工作效率，改善产品质量，最终带来经济效益。因此对于任何想开发出灵活高效、健壮的软件产品的个人或团体，熟练掌握并正确使用设计模式都是必须掌握的基本技能。

所以，让我们开始吧……

比设计模式更重要：GRASP (职责分配原则)

要学习设计模式，有些基础知识是我们必须要先知道的，设计模式是关于类和对象的一种高效、灵活的使用方式，也就是说，必须先有类和对象，才能有设计模式的用武之地，否则一切都是空谈，那么类和对象是从那冒出来的呢？这时就需要比23种设计模式更重要更经典的GRASP模式登场了，嘿嘿，原来这才是老大！

GRASP(General Responsibility Assignment Software Patterns)，中文名称为“通用职责分配软件模式”，GRASP一共包括9种模式，它们描述了对象设计和职责分配的基本原则。也就是说，如何把现实世界的业务功能抽象成对象，如何决定一个系统有多少对象，每个对象都包括什么职责，GRASP模式给出了最基本的指导原则。初学者应该尽快掌握、理解这些原则，因为这是如何设计一个面向对象系统的基础。可以说，GRASP是学习使用设计模式的基础。

1.      Information Expert (信息专家)

信息专家模式是面向对象设计的最基本原则，是我们平时使用最多，应该跟我们的思想融为一体的原则。也就是说，我们设计对象(类)的时候，如果某个类拥有完成某个职责所需要的所有信息，那么这个职责就应该分配给这个类来实现。这时，这个类就是相对于这个职责的信息专家。

例如：常见的网上商店里的购物车(ShopCar),需要让每种商品(SKU)只在购物车内出现一次，购买相同商品，只需要更新商品的数量即可。如下图：

 

针对这个问题需要权衡的是，比较商品是否相同的方法需要放到那里类里来实现呢？分析业务得知需要根据商品的编号(SKUID)来唯一区分商品，而商品编号是唯一存在于商品类里的，所以根据信息专家模式，应该把比较商品是否相同的方法放在商品类里。  

2.      Creator (创造者)

实际应用中，符合下列任一条件的时候，都应该由类Ａ来创建类Ｂ，这时Ａ是Ｂ的创建者：

a.       Ａ是Ｂ的聚合

b.       Ａ是Ｂ的容器

c.       Ａ持有初始化Ｂ的信息(数据)

d.       Ａ记录Ｂ的实例

e.       Ａ频繁使用Ｂ

如果一个类创建了另一个类，那么这两个类之间就有了耦合，也可以说产生了依赖关系。依赖或耦合本身是没有错误的，但是它们带来的问题就是在以后的维护中会产生连锁反应，而必要的耦合是逃不掉的，我们能做的就是正确地创建耦合关系，不要随便建立类之间的依赖关系，那么该如何去做呢？就是要遵守创建者模式规定的基本原则，凡是不符合以上条件的情况，都不能随便用A创建B。

例如：因为订单(Order)是商品(SKU)的容器，所以应该由订单来创建商品。如下图：

 

       这里因为订单是商品的容器，也只有订单持有初始化商品的信息，所以这个耦合关系是正确的且没办法避免的，所以由订单来创建商品。  

3.      Low coupling (低耦合)

低耦合模式的意思就是要我们尽可能地减少类之间的连接。

其作用非常重要：

a.       低耦合降低了因一个类的变化而影响其他类的范围。

b.       低耦合使类更容易理解，因为类会变得简单，更内聚。

下面这些情况会造成类A、B之间的耦合：

a.       A是B的属性

b.       A调用B的实例的方法

c.       A的方法中引用了B，例如B是A方法的返回值或参数。

d.       A是B的子类，或者A实现了B

关于低耦合，还有下面一些基本原则：

a.       Don’t Talk to Strangers原则：

意思就是说，不需要通信的两个对象之间，不要进行无谓的连接，连接了就有可能产生问题，不连接就一了百了啦！

b.       如果A已经和B有连接，如果分配A的职责给B不合适的话(违反信息专家模式)，那么就把B的职责分配给A。

c.       两个不同模块的内部类之间不能直接连接，否则必招报应！嘿！

例如：Creator模式的例子里，实际业务中需要另一个出货人来清点订单(Order)上的商品(SKU)，并计算出商品的总价，但是由于订单和商品之间的耦合已经存在了，那么把这个职责分配给订单更合适，这样可以降低耦合，以便降低系统的复杂性。如下图：

 

       这里我们在订单类里增加了一个TotalPrice()方法来执行计算总价的职责，没有增加不必要的耦合。 

              4.      High cohesion (高内聚)

高内聚的意思是给类尽量分配内聚的职责，也可以说成是功能性内聚的职责。即功能性紧密相关的职责应该放在一个类里，并共同完成有限的功能，那么就是高内聚合。这样更有利于类的理解和重用，也便于类的维护。

高内聚也可以说是一种隔离，就想人体由很多独立的细胞组成，大厦由很多砖头、钢筋、混凝土组成，每一个部分(类)都有自己独立的职责和特性，每一个部分内部发生了问题，也不会影响其他部分，因为高内聚的对象之间是隔离开的。

例如：一个订单数据存取类(OrderDAO)，订单即可以保存为Excel模式，也可以保存到数据库中；那么，不同的职责最好由不同的类来实现，这样才是高内聚的设计，如下图：

 

       这里我们把两种不同的数据存储功能分别放在了两个类里来实现，这样如果未来保存到Excel的功能发生错误，那么就去检查OrderDAOExcel类就可以了，这样也使系统更模块化，方便划分任务，比如这两个类就可以分配个不同的人同时进行开发，这样也提高了团队协作和开发进度。  
 

5.      Controller (控制器)

用来接收和处理系统事件的职责，一般应该分配给一个能够代表整个系统的类，这样的类通常被命名为“XX处理器”、“XX协调器”或者“XX会话”。

关于控制器类，有如下原则：

a.       系统事件的接收与处理通常由一个高级类来代替。

b.       一个子系统会有很多控制器类，分别处理不同的事务。

关于这个模式更详细的论述，请参考《UML和模式应用》第16章。   

 

6.      Polymorphism (多态)

这里的多态跟OO三大基本特征之一的“多态”是一个意思。

例如：我们想设计一个绘图程序，要支持可以画不同类型的图形，我们定义一个抽象类Shape,矩形(Rectangle)、圆形(Round)分别继承这个抽象类，并重写(override)Shape类里的Draw()方法，这样我们就可以使用同样的接口(Shape抽象类)绘制出不同的图形，如下图：

 

这样的设计更符合高内聚和低耦合原则，虽然后来我们又增加了一个菱形(Diamond)类，对整个系统结构也没有任何影响，只要增加一个继承Shape的类就行了。  

 

7.      Pure Fabrication (纯虚构)

这里的纯虚构跟我们常说的纯虚构函数意思相近。高内聚低耦合，是系统设计的终极目标，但是内聚和耦合永远都是矛盾对立的。高内聚以为这拆分出更多数量的类，但是对象之间需要协作来完成任务，这又造成了高耦合，反过来毅然。该如何解决这个矛盾呢，这个时候就需要纯虚构模式，由一个纯虚构的类来协调内聚和耦合，可以在一定程度上解决上述问题。

例如：上面多态模式的例子，如果我们的绘图程序需要支持不同的系统，那么因为不同系统的API结构不同，绘图功能也需要不同的实现方式，那么该如何设计更合适呢？如下图：

 

这里我们可以看到，因为增加了纯虚构类AbstractShape，不论是哪个系统都可以通过AbstractShape类来绘制图形，我们即没有降低原来的内聚性，也没有增加过多的耦合，可谓鱼肉和熊掌兼得，哈哈哈！ 

        8.      Indirection (间接)

“间接”顾名思义，就是这个事不能直接来办，需要绕个弯才行。绕个弯的好处就是，本来直接会连接在一起的对象彼此隔离开了，一个的变动不会影响另一个。就想我在前面的低耦合模式里说的一样，“两个不同模块的内部类之间不能直接连接”，但是我们可以通过中间类来间接连接两个不同的模块，这样对于这两个模块来说，他们之间仍然是没有耦合/依赖关系的。

 

9.      Protected Variations (受保护变化)

预先找出不稳定的变化点，使用统一的接口封装起来，如果未来发生变化的时候，可以通过接口扩展新的功能，而不需要去修改原来旧的实现。也可以把这个模式理解为OCP(开闭原则)原则，就是说一个软件实体应当对扩展开发，对修改关闭。在设计一个模块的时候，要保证这个模块可以在不需要被修改的前提下可以得到扩展。这样做的好处就是通过扩展给系统提供了新的职责，以满足新的需求，同时又没有改变系统原来的功能。关于OCP原则，后面还会有单独的论述。

 

比设计模式更重要：设计原则

我们生活在一个充满规则的世界里，在复杂多变的外表下，万事万物都被永恒的真理支配并有规律的运行着。模式也是一样，不论那种模式，其背后都潜藏着一些“永恒的真理”，这个真理就是设计原则。记得一次参加微软的架构师培训，期间讲到设计模式，有人问了老师一个问题：“什么东西比设计模式更重要？”，老师是一位有多年丰富实践经验的开发者，他毫不犹豫地回答到：“比模式更重要的是原则”。这句话我时常能够想起，越来越觉得这是一个伟大的答案。的确，还有什么比原则更重要呢？就像人的世界观和人生观一样，那才是支配你一切行为的根本，而对于设计模式来说，为什么这个模式要这样解决这个问题，而另一个模式要那样，它们背后都遵循的就是永恒的设计原则。可以说，设计原则是设计模式的灵魂。

对于设计原则的深入探讨我还没有那个深度，推荐大家去看《敏捷软件开发—原则、模式与实践》，下面仅对部分常用的设计原则做些简单的讲解：

   1. 单一职责原则(SRP)

   “就一个类而言，应该仅有一个引起它变化的原因。”也就是说，不要把变化原因各不相同的职责放在一起，因为不同的变化会影响到不相干的职责。再通俗一点地说就是，不该你管的事情你不要管，管好自己的事情就可以了，多管闲事害了自己也害了别人。(当然这里说的多管闲事跟见义勇为是两回事，我们提倡见义勇为！)

       例如：参考下图中的设计，图形计算程序只使用了正方形的Area()方法，永远不会使用Draw()方法，而它却跟Draw方法关联了起来。这违反了单一原则，如果未来因为图形绘制程序导致Draw()方法产生了变化，那么就会影响到本来毫不关系的图形计算程序。

 

            那么我们该怎么做呢？如下图，将不同的职责分配给不同的类，使单个类的职责尽量单一，就隔离了变化，这样他们也不会互相影响了。

 

              2. 开放—封闭原则(OCP)

   “软件实体(类、模块、函数等)应该是可以扩展的，但是不可修改。”嘿！多么朴实的话语，第一次看这个原则的时候我都看傻了，我当时在想“这不是&#%做白日梦吗！不修改怎么扩展啊？”但是随着学习的深入，理解了这个“不修改”是什么意思，意思是“你可以随便增加新的类，但是不要修改原来的类”。从这个角度去理解就好多了，其实这里还是一个隔离变化的问题。

       例如：如下图，有一个客户端程序通过数据访问接口操作数据，对于这套系统来说，一开始计划使用的是SQL Server或Oracle数据库，但是后来考虑到成本，改用免费的MySQL；那么对于客户端程序来说，后来数据的扩展对它没有任何影响，它在不知不觉间就用上了免费好用的MySQL数据库，这全要感谢OCP原则。

 

      3. 依赖倒置原则(DIP)

“抽象不应该依赖于细节。细节应该依赖于抽象。”关于这个原则，还有种说法是.“高层不应该依赖于底层，两者都应该依赖于抽象。”其实怎么说都是对的，关键就是要理解一点，只有抽象的东西才是最稳定的，也就是说，我们依赖的是它的稳定。如果将来“抽象”也不稳定了，那么谁稳定我跟谁，其实说白了不就是傍大款吗！哈哈！

例如：参考下图的设计，一个开关跟灯直接连接在一起了，也就是说开关依赖于灯的打开和关闭方法，那么如果我想用这个开关也可以打开其他东西呢，比如电视、音响。显然这个设计是无法满足这个要了，因为我们依赖了细节而不是抽象，这个开关已经等价于“灯的开关”。

 

       那么我们该如何来设计一个通用的开关呢？参考下图的设计，OK！现在我们不仅可以打开灯，还可以打开电视和音响，甚至未来任何实现了“开关接口”的任何东西。

 

 

             4. 接口隔离原则(ISP)

“不应该强迫客户依赖于它们不用的方法。接口属于客户，不属于它所在的类层次结构。”这个说得很明白了，再通俗点说，不要强迫客户使用它们不用的方法，如果强迫用户使用它们不使用的方法，那么这些客户就会面临由于这些不使用的方法的改变所带来的改变。

 例如：参考下图的设计，在这个设计里，取款、存款、转帐都使用一个通用界面接口，也就是说，每一个类都被强迫依赖了另两个类的接口方法，那么每个类有可能因为另外两个类的方法(跟自己无关)而被影响。拿取款来说，它根本不关心“存款操作”和“转帐操作”，可是它却要受到这两个方法的变化的影响，真是土鳖！！！

 

        那么我们该如何解决这个问题呢？参考下图的设计，为每个类都单独设计专门的操作接口，使得它们只依赖于它们关系的方法，这样就不会互相影响，也就不会在发生土鳖的事情了！

 

            5. 替换原则(LSP)

“子类型必须能够替换掉它们的基类型。”也就是说继承中的“IS A”关系是必须保证的，否则还算什么继承啊！如果违反了LSP原则，常会导致在运行时(RTTI)的类型判断违反OCP原则。

例如：函数A的参数是基类型，调用时传递的对象是子类型，正常情况下，增加子类型都不会影响到函数A的，如果违反了LSP，则函数A必须小心的判断传进来的具体类型，否则就会出错，这就已经违反了OCP原则。

关于模式学习

深刻理解面向对象是学好设计模式的基础，掌握一定的面向对象设计原则才能掌握面向对象设计模式的精髓，从而实现灵活运用设计模式。仅知道OO的语言机制是不够的，懂得语言里的封装、继承、多态，只是满足了最最基础的条件，要真正发挥OO的强大的作用，关键是要深刻理解以上的GRASP模式和设计原则，在此基础上去再深入理解设计模式，并在实践中不断磨练。

模式跟OO原则相比其实并不重要，如果你能设计出基本符合以上原则的程序，那么可能就已经总结出了新的模式，所以学习模式的根本是为了深入理解OO思想和原则，使我们可以写出高内聚低耦合的程序。

另外最近在学习李建忠老师的“C#面向对象设计模式纵横谈系列课程”时候，李老师提出了一个“重构到模式”的理论，感觉十分有道理，模式不完全是供我们套用的模版，在特定的业务环境下，我们实现的可能只是“类似XX模式”的设计模式，因为针对这个环境，这么使用就是最合适的，而不是什么时候都必须完全照搬GOF的23种设计模式的格式，模式是死的，而人是活的，找到最合适的实现方式就好，不要为了设计模式而使用设计模式。

作者

王晓亮/Justin

MSN:xiaoliang203@hotmail.com

Mail:xiaoliang.justin@gmail.com

参考资料

《UML和模式应用》

《敏捷软件开发—原则、模式与实践》

李建忠老师的《C#面向对象设计模式纵横谈系列课程》