设计模式之美 · 理论篇

面向对象

OOA&OOD&OOP&OOPL（面向对象分析、面向对象设计、面向对象编程和面向对象编程语言）

面向对象编程是一种编程范式或编程风格。它以类或对象作为组织代码的基本单元，并将封装、抽象、继承、多态四个特性，作为代码设计和实现的基石。

面向对象编程语言是支持类或对象的语法机制，并有现成的语法机制，能方便地实现面向对象编程四大特性（封装、抽象、继承、多态）的编程语言，如Java、C++、Go、Python、C#、Ruby、JavaScript、Objective-C、Scala、PHP、Perl 等等。

OOA、OOD、OOP 三个连在一起就是面向对象分析、设计、编程（实现），正好是面向对象软件开发要经历的三个阶段。

封装、抽象、继承、多态分别可以解决哪些编程问题？

封装：封装也叫作信息隐藏或者数据访问保护。类通过暴露有限的访问接口，授权外部仅能通过类提供的方式（或者叫函数）来访问内部信息或者数据。

对于封装这个特性，我们需要编程语言本身提供一定的语法机制来支持。这个语法机制就是访问权限控制。

意义：将属性通过有限的方法暴露，提高类的易用性。

抽象：封装主要讲的是如何隐藏信息、保护数据，而抽象讲的是如何隐藏方法的具体实现，让调用者只需要关心方法提供了哪些功能，并不需要知道这些功能是如何实现的。

在面向对象编程中，我们常借助编程语言提供的接口类（比如 Java 中的 interface 关键字语法）或者抽象类（比如 Java 中的 abstract 关键字语法）这两种语法机制，来实现抽象这一特性。

意义：我们在定义（或者叫命名）类的方法的时候，要有抽象思维，不要在方法定义中，暴露太多的实现细节，以保证在某个时间点需要改变方法的实现逻辑的时候，不用去修改其定义。

继承：继承是用来表示类之间的 is-a 关系，比如猫是一种哺乳动物。从继承关系上来讲，继承可以分为两种模式，单继承和多继承。单继承表示一个子类只继承一个父类，多继承表示一个子类可以继承多个父类，

继承最大的一个好处就是代码复用。过度继承就会导致代码可读性、可维护性变差。

在面向对象编程中，有一条非常经典的设计原则，那就是：组合优于继承，多用组合少用继承。为什么不推荐使用继承？组合相比继承有哪些优势？如何判断该用组合还是继承？（参照 多用组合少用继承 ）

多态：多态是指，子类可以替换父类

实现方式：

继承加方法重写
利用接口类语法
利用 duck-typing 语法

鸭子类型：对于对象的使用，不是由对象继承类或者实现的接口特性来决定的，而是由对象定义的属性和方法来决定的。（duck-typing 只有一些动态语言才支持，比如 Python、JavaScript 等）

意义：多态特性能提高代码的可扩展性和复用性。是很多设计模式、设计原则、编程技巧的代码实现基础。

What/How/Why 模型
## 封装
What：隐藏信息，保护数据访问。
How：暴露有限接口和属性，需要编程语言提供访问控制的语法。
Why：提高代码可维护性；降低接口复杂度，提高类的易用性。

##抽象
What: 隐藏具体实现，使用者只需关心功能，无需关心实现。
How: 通过接口类或者抽象类实现，特殊语法机制非必须。
Why: 提高代码的扩展性、维护性；降低复杂度，减少细节负担。

##继承
What: 表示 is-a 关系，分为单继承和多继承。
How: 需要编程语言提供特殊语法机制。例如 Java 的 “extends”，C++ 的 “:” 。
Why: 解决代码复用问题。

##多态
What: 子类替换父类，在运行时调用子类的实现。
How: 需要编程语言提供特殊的语法机制。比如继承、接口类、duck-typing。
Why: 提高代码扩展性和复用性。

从四大特性可以看出，面向对象的终极目的只有一个：可维护性。易扩展、易复用，降低复杂度等等都属于可维护性的实现方式。

面向过程&面向对象

面向过程

面向过程编程也是一种编程范式或编程风格。它以过程（可以理解为方法、函数、操作）作为组织代码的基本单元，以数据（可以理解为成员变量、属性）与方法相分离为最主要的特点。面向过程风格是一种流程化的编程风格，通过拼接一组顺序执行的方法来操作数据完成一项功能。

面向过程编程语言首先是一种编程语言。它最大的特点是不支持类和对象两个语法概念，不支持丰富的面向对象编程特性（比如继承、多态、封装），仅支持面向过程编程。

面向对象

面向对象编程是一种编程范式或编程风格。它以类或对象作为组织代码的基本单元，并将封装、抽象、继承、多态四个特性，作为代码设计和实现的基石。

面向对象编程语言是支持类或对象的语法机制，并有现成的语法机制，能方便地实现面向对象编程四大特性（封装、抽象、继承、多态）的编程语言。

面向对象编程相比面向过程编程有哪些优势？

OOP 更加能够应对大规模复杂程序的开发

对于大规模复杂程序的开发，程序的处理流程并非单一的一条主线，而是错综复杂的网状结构。面向对象编程比起面向过程编程，更能应对这种复杂类型的程序开发。
OOP 风格的代码更易复用、易扩展、易维护

面向对象编程相比面向过程编程，具有更加丰富的特性（封装、抽象、继承、多态）。利用这些特性编写出来的代码，更加易扩展、易复用、易维护。
OOP 语言更加人性化、更加高级、更加智能

从编程语言跟机器打交道的方式的演进规律中，我们可以总结出：面向对象编程语言比起面向过程编程语言，更加人性化、更加高级、更加智能。

三种违反面向对象编程风格的典型代码设计：

滥用 getter、setter 方法

在设计实现类的时候，除非真的需要，否则尽量不要给属性定义 setter 方法。除此之外，尽管 getter 方法相对 setter 方法要安全些，但是如果返回的是集合容器，那也要防范集合内部数据被修改的风险。
Constants 类、Utils 类的设计问题

对于这两种类的设计，我们尽量能做到职责单一，定义一些细化的小类，比如 RedisConstants、FileUtils，而不是定义一个大而全的 Constants 类、Utils 类。除此之外，如果能将这些类中的属性和方法，划分归并到其他业务类中，那是最好不过的了，能极大地提高类的内聚性和代码的可复用性。
基于贫血模型的开发模式

关于这一部分，我们只讲了为什么这种开发模式是彻彻底底的面向过程编程风格的。这是因为数据和操作是分开定义在 VO/BO/Entity 和 Controler/Service/Repository 中的。今天，你只需要掌握这一点就可以了。为什么这种开发模式如此流行？如何规避面向过程编程的弊端？有没有更好的可替代的开发模式？相关的更多问题，我们在面向对象实战篇中会一一讲解。

接口&抽象类

抽象类

// 抽象类
public abstract class Logger {
  private String name;
  private boolean enabled;
  private Level minPermittedLevel;

  public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) {
    this.name = name;
    this.enabled = enabled;
    this.minPermittedLevel = minPermittedLevel;
  }
  
  public void log(Level level, String message) {
    boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());
    if (!loggable) return;
    doLog(level, message);
  }
  
  protected abstract void doLog(Level level, String message);
}
// 抽象类的子类：输出日志到文件
public class FileLogger extends Logger {
  private Writer fileWriter;

  public FileLogger(String name, boolean enabled,
    Level minPermittedLevel, String filepath) {
    super(name, enabled, minPermittedLevel);
    this.fileWriter = new FileWriter(filepath); 
  }
  
  @Override
  public void doLog(Level level, String mesage) {
    // 格式化level和message,输出到日志文件
    fileWriter.write(...);
  }
}
// 抽象类的子类: 输出日志到消息中间件(比如kafka)
public class MessageQueueLogger extends Logger {
  private MessageQueueClient msgQueueClient;
  
  public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled,
    Level minPermittedLevel, MessageQueueClient msgQueueClient) {
    super(name, enabled, minPermittedLevel);
    this.msgQueueClient = msgQueueClient;
  }
  
  @Override
  protected void doLog(Level level, String mesage) {
    // 格式化level和message,输出到消息中间件
    msgQueueClient.send(...);
  }
}

抽象类具有哪些特性。总结了下面三点。

抽象类不允许被实例化，只能被继承。也就是说，你不能 new 一个抽象类的对象出来（Logger logger = new Logger(...); 会报编译错误）。
抽象类可以包含属性和方法。方法既可以包含代码实现（比如 Logger 中的 log() 方法），也可以不包含代码实现（比如 Logger 中的 doLog() 方法）。
不包含代码实现的方法叫作抽象方法。子类继承抽象类，必须实现抽象类中的所有抽象方法。对应到例子代码中就是，所有继承 Logger 抽象类的子类，都必须重写 doLog() 方法。

接口

// 接口
public interface Filter {
  void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException;
}
// 接口实现类：鉴权过滤器
public class AuthencationFilter implements Filter {
  @Override
  public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
    //...鉴权逻辑..
  }
}
// 接口实现类：限流过滤器
public class RateLimitFilter implements Filter {
  @Override
  public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
    //...限流逻辑...
  }
}
// 过滤器使用Demo
public class Application {
  // filters.add(new AuthencationFilter());
  // filters.add(new RateLimitFilter());
  private List<Filter> filters = new ArrayList<>();
  
  public void handleRpcRequest(RpcRequest req) {
    try {
      for (Filter filter : filters) {
        filter.doFilter(req);
      }
    } catch(RpcException e) {
      // ...处理过滤结果...
    }
    // ...省略其他处理逻辑...
  }
}

接口都有哪些特性。也总结了三点。

接口不能包含属性（也就是成员变量）。
接口只能声明方法，方法不能包含代码实现。
类实现接口的时候，必须实现接口中声明的所有方法。

相对于抽象类的 is-a 关系来说，接口表示一种 has-a 关系，表示具有某些功能。对于接口，有一个更加形象的叫法，那就是协议（contract）。 这也是在选择该使用什么方式去实现的判断标准。

基于接口而非实现编程

从类的继承层次上来看，抽象类是一种自下而上的设计思路，先有子类的代码重复，然后再抽象成上层的父类（也就是抽象类）。而接口正好相反，它是一种自上而下的设计思路。我们在编程的时候，一般都是先设计接口，再去考虑具体的实现。

应用这条原则，可以将接口和实现相分离，封装不稳定的实现，暴露稳定的接口。上游系统面向接口而非实现编程，不依赖不稳定的实现细节，这样当实现发生变化的时候，上游系统的代码基本上不需要做改动，以此来降低耦合性，提高扩展性。

实际上，“基于接口而非实现编程”这条原则的另一个表述方式，是“基于抽象而非实现编程”。后者的表述方式其实更能体现这条原则的设计初衷。在软件开发中，最大的挑战之一就是需求的不断变化，这也是考验代码设计好坏的一个标准。越抽象、越顶层、越脱离具体某一实现的设计，越能提高代码的灵活性，越能应对未来的需求变化。好的代码设计，不仅能应对当下的需求，而且在将来需求发生变化的时候，仍然能够在不破坏原有代码设计的情况下灵活应对。而抽象就是提高代码扩展性、灵活性、可维护性最有效的手段之一。

我们在定义接口的时候，一方面，命名要足够通用，不能包含跟具体实现相关的字眼；另一方面，与特定实现有关的方法不要定义在接口中。

“基于接口而非实现编程”这条原则，不仅仅可以指导非常细节的编程开发，还能指导更加上层的架构设计、系统设计等。比如，服务端与客户端之间的“接口”设计、类库的“接口”设计。