C#软件架构设计原则

软件架构设计原则

学习设计原则是学习设计模式的基础。在实际的开发过程中，并不是一定要求所有的代码都遵循设计原则，而是要综合考虑人力、成本、时间、质量，不刻意追求完美，要在适当的场景遵循设计原则。这体现的是一种平衡取舍，可以帮助我们设计出更加优雅的代码结构。

分别用一句话归纳总结软件设计七大原则，如下表所示。

设计原则	一句话归纳	目的
开闭原则	对扩展开放，对修改关闭	降低对维护带来的新风险
依赖倒置原则	高层不应该依赖底层	更利于代码结构的升级扩展
单一职责原则	一个类只干一件事	便于理解，提高代码的可读性
接口隔离原则	一个接口只干一件事	功能解耦，高聚合、低耦合
迪米特法则	不该知道的不要知道	只和朋友交流，不和陌生人说话，减少代码臃肿
里氏替换原则	子类重写方式功能发生改变，不应该影响父类方法的含义	防止继承泛滥
合成复用原则	尽量使用组合实现代码复用，而不使用继承	降低代码耦合

开闭原则示例

当使用C#编程语言时，可以通过以下示例来说明开闭原则的应用：

假设我们正在设计一个图形绘制应用程序，其中包含不同类型的图形（如圆形、矩形、三角形等）。我们希望能够根据需要轻松地添加新的图形类型，同时保持现有代码的稳定性。

首先，我们定义一个抽象基类 Shape 来表示所有图形的通用属性和行为：

public abstract class Shape
{
    public abstract void Draw();
}

然后，我们创建具体的图形类，如 Circle、Rectangle 和 Triangle，它们都继承自 Shape 基类，并实现了 Draw() 方法：

public class Circle : Shape
{
    public override void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing a circle");
    }
}
​
public class Rectangle : Shape
{
    public override void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing a rectangle");
    }
}
​
public class Triangle : Shape
{
    public override void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing a triangle");
    }
}

现在，如果我们需要添加新的图形类型（例如椭圆），只需创建一个新的类并继承自 Shape 类即可。这样做不会影响现有代码，并且可以轻松地扩展应用程序。

public class Ellipse : Shape
{
    public override void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing an ellipse");
    }
}

在应用程序的其他部分，我们可以使用 Shape 类型的对象来绘制不同的图形，而无需关心具体的图形类型。这样，我们遵循了开闭原则，对扩展开放（通过添加新的图形类型），对修改关闭（不需要修改现有代码）。

public class DrawingProgram
{
    public void DrawShapes(List<Shape> shapes)
    {
        foreach (var shape in shapes)
        {
            shape.Draw();
        }
    }
}

使用示例：

var shapes = new List<Shape>
{
    new Circle(),
    new Rectangle(),
    new Triangle(),
    new Ellipse()
};
​
var drawingProgram = new DrawingProgram();
drawingProgram.DrawShapes(shapes);

输出结果：

Drawing a circle
Drawing a rectangle
Drawing a triangle
Drawing an ellipse

通过遵循开闭原则，我们可以轻松地扩展应用程序并添加新的图形类型，而无需修改现有代码。这样可以提高代码的可维护性和可扩展性，并支持软件系统的演化和变化。

单一职责示例

单一职责原则（Single Responsibility Principle，SRP）要求一个类应该只有一个引起它变化的原因。换句话说，一个类应该只负责一项职责或功能。

下面是一个使用C#示例来说明单一职责原则的应用：

假设我们正在开发一个学生管理系统，其中包含学生信息的录入和展示功能。我们可以将这个系统分为两个类：Student 和 StudentManager。

首先，定义 Student 类来表示学生对象，并包含与学生相关的属性和方法：

public class Student
{
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
​
    // 其他与学生相关的属性和方法...
}

然后，创建 StudentManager 类来处理与学生信息管理相关的操作，如录入、查询和展示等：

public class StudentManager
{
    private List<Student> students;
​
    public StudentManager()
    {
        students = new List<Student>();
    }
​
    public void AddStudent(Student student)
    {
        // 将学生信息添加到列表中...
        students.Add(student);
        Console.WriteLine("Student added successfully.");
    }
​
    public void DisplayStudents()
    {
        // 展示所有学生信息...
        foreach (var student in students)
        {
            Console.WriteLine($"Name: {student.Name}, Age: {student.Age}");
        }
   }
}

在这个例子中，Student 类负责表示单个学生对象，并封装了与学生相关的属性。而 StudentManager 类负责处理学生信息的管理操作，如添加学生和展示学生信息。

使用示例：

var student1 = new Student { Name = "Alice", Age = 20 };
var student2 = new Student { Name = "Bob", Age = 22 };
​
var studentManager = new StudentManager();
studentManager.AddStudent(student1);
studentManager.AddStudent(student2);
​
studentManager.DisplayStudents();

输出结果：

Student added successfully.
Student added successfully.
Name: Alice, Age: 20
Name: Bob, Age: 22

通过将学生对象的表示和管理操作分别封装在不同的类中，我们遵循了单一职责原则。Student 类只负责表示学生对象的属性，而 StudentManager 类只负责处理与学生信息管理相关的操作。这样可以提高代码的可维护性和可扩展性，并使每个类都具有清晰明确的职责。

里式替换

里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）要求子类型必须能够替换其基类型，并且不会破坏程序的正确性。也就是说，子类可以在不影响程序正确性和预期行为的情况下替代父类。

下面是一个使用C#示例来说明里式替换原则的应用：

假设我们正在开发一个图形绘制应用程序，其中包含多种形状（如圆形、矩形等）。我们希望能够根据用户选择的形状类型进行绘制操作。

首先，定义一个抽象基类 Shape 来表示所有形状对象，并声明一个抽象方法 Draw 用于绘制该形状：

public abstract class Shape
{
    public abstract void Draw();
}

然后，创建具体的子类来表示不同的形状。例如，创建 Circle 类和 Rectangle 类分别表示圆形和矩形，并实现它们自己特定的绘制逻辑：

public class Circle : Shape
{
    public override void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing a circle...");
    }
}
​
public class Rectangle : Shape
{
    public override void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing a rectangle...");
    }
}

在这个例子中，每个具体的子类都可以替代其基类 Shape 并实现自己特定的绘制逻辑。这符合里式替换原则，因为无论是 Circle 还是 Rectangle 都可以在不破坏程序正确性和预期行为的情况下替代 Shape。

使用示例：

Shape circle = new Circle();
circle.Draw();  // 输出 "Drawing a circle..."
​
Shape rectangle = new Rectangle();
rectangle.Draw();  // 输出 "Drawing a rectangle..."

通过将具体的子类对象赋值给基类引用变量，并调用相同的方法，我们可以看到不同形状的绘制操作被正确地执行。这证明了里式替换原则的有效性。

总结：里式替换原则要求子类型必须能够替代其基类型，并且不会破坏程序正确性。在C#中，我们可以通过创建具体的子类来表示不同形状，并确保它们能够在继承自抽象基类时正确地实现自己特定的行为。这样可以提高代码的可扩展性和灵活性，并使得代码更易于维护和重用。

依赖倒置

依赖倒置原则（Dependency Inversion Principle，DIP）要求高层模块不应该依赖于低层模块的具体实现，而是应该依赖于抽象。同时，抽象不应该依赖于具体实现细节，而是应该由高层模块定义。

下面是一个使用C#示例来说明依赖倒置原则的应用：

假设我们正在开发一个电子商务系统，其中包含订单处理和支付功能。我们希望能够根据用户选择的支付方式进行订单支付操作。

首先，定义一个抽象接口 IPaymentProcessor 来表示支付处理器，并声明一个方法 ProcessPayment 用于执行订单支付：

public interface IPaymentProcessor
{
    void ProcessPayment(decimal amount);
}

然后，在具体的实现类中分别实现不同的支付方式。例如，创建 CreditCardPaymentProcessor 类和 PayPalPaymentProcessor 类分别表示信用卡和PayPal支付，并实现它们自己特定的支付逻辑：

public class CreditCardPaymentProcessor : IPaymentProcessor
{
    public void ProcessPayment(decimal amount)
    {
        Console.WriteLine($"Processing credit card payment of {amount} dollars...");
        // 具体信用卡支付逻辑...
    }
}
​
public class PayPalPaymentProcessor : IPaymentProcessor
{
    public void ProcessPayment(decimal amount)
    {
        Console.WriteLine($"Processing PayPal payment of {amount} dollars...");
        // 具体PayPal支付逻辑...
    }
}

在这个例子中，每个具体的支付处理器都实现了 IPaymentProcessor 接口，并提供了自己特定的支付逻辑。这样，高层模块（订单处理模块）就可以依赖于抽象接口 IPaymentProcessor 而不是具体的实现类。

使用示例：

public class OrderProcessor
{
    private IPaymentProcessor paymentProcessor;
​
    public OrderProcessor(IPaymentProcessor paymentProcessor)
    {
        this.paymentProcessor = paymentProcessor;
    }
​
    public void ProcessOrder(decimal amount)
    {
        // 处理订单逻辑...
​
        // 使用依赖注入的方式调用支付处理器
        paymentProcessor.ProcessPayment(amount);
​
        // 其他订单处理逻辑...
    }
}
​
// 在应用程序中配置和使用不同的支付方式
var creditCardPayment = new CreditCardPaymentProcessor();
var payPalPayment = new PayPalPaymentProces 

接口隔离

接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）要求客户端不应该依赖于它们不使用的接口。一个类应该只依赖于它需要的接口，而不是依赖于多余的接口。

下面是一个使用C#示例来说明接口隔离原则的应用：

假设我们正在开发一个文件管理系统，其中包含文件上传和文件下载功能。我们希望能够根据用户需求提供相应的功能。

首先，定义两个接口 IFileUploadable 和 IFileDownloadable 来表示文件上传和文件下载功能，并分别声明相应的方法：

public interface IFileUploadable
{
    void UploadFile(string filePath);
}
​
public interface IFileDownloadable
{
    void DownloadFile(string fileId);
}

然后，在具体的实现类中分别实现这两个功能。例如，创建 LocalFileManager 类来处理本地文件操作，并实现对应的方法：

public class LocalFileManager : IFileUploadable, IFileDownloadable
{
    public void UploadFile(string filePath)
    {
        Console.WriteLine($"Uploading file from local path: {filePath}");
        // 具体本地上传逻辑...
    }
​
    public void DownloadFile(string fileId)
    {
        Console.WriteLine($"Downloading file with ID: {fileId} to local path");
        // 具体本地下载逻辑...
    }
}

在这个例子中，每个具体的实现类只关注自己需要用到的接口方法，而不需要实现多余的方法。这符合接口隔离原则，因为客户端可以根据需要依赖于相应的接口。

使用示例：

public class FileManagerClient
{
    private IFileUploadable fileUploader;
    private IFileDownloadable fileDownloader;
​
    public FileManagerClient(IFileUploadable fileUploader, IFileDownloadable fileDownloader)
    {
        this.fileUploader = fileUploader;
        this.fileDownloader = fileDownloader;
    }
​
    public void UploadAndDownloadFiles(string filePath, string fileId)
    {
        // 使用文件上传功能
        fileUploader.UploadFile(filePath);
​
        // 使用文件下载功能
        fileDownloader.DownloadFile(fileId);
        
        // 其他操作...
    }
}
​
// 在应用程序中配置和使用具体的文件管理类
var localFileManager = new LocalFileManager();
var client = new FileManagerClient(localFileManager, localFileManager);
client.UploadAndDownloadFiles("path/to/file", "123456");

通过依赖注入的方式，我们可以将具体的实现类传递给客户端，并根据需要调用相应的接口方法。这样就遵循了接口隔离原则，使得客户端只依赖于它们所需的接口，并且不会受到多余方法的影响。这提高了代码的可维护性和灵活性，并促进了代码重用和扩展。

迪米特

迪米特法则（Law of Demeter，LoD），也称为最少知识原则（Principle of Least Knowledge），要求一个对象应该对其他对象有尽可能少的了解。一个类不应该直接与其他类耦合，而是通过中间类进行通信。

下面是一个使用C#示例来说明迪米特法则的应用：

假设我们正在开发一个社交网络系统，其中包含用户、好友和消息等功能。我们希望能够实现用户发送消息给好友的功能。

首先，定义三个类 User、Friend 和 Message 来表示用户、好友和消息，并在 User 类中实现发送消息的方法：

public class User
{
    private string name;
    private List<Friend> friends;
​
    public User(string name)
    {
        this.name = name;
        this.friends = new List<Friend>();
    }
​
    public void AddFriend(Friend friend)
    {
        friends.Add(friend);
    }
​
    public void SendMessageToFriends(string messageContent)
    {
        Message message = new Message(messageContent);
​
        foreach (Friend friend in friends)
        {
            friend.ReceiveMessage(message);
        }
        
        Console.WriteLine($"User {name} sent a message to all friends.");
    }
}
​
public class Friend
{
   private string name;
​
   public Friend(string name)
   {
       this.name = name;
   }
​
   public void ReceiveMessage(Message message)
   {
       Console.WriteLine($"Friend {name} received a message: {message.Content}");
       // 处理接收到的消息...
   }
}
​
public class Message
{
   public string Content { get; set; }
​
   public Message(string content)
   {
       Content = content;
   }
}

在这个例子中，User 类表示用户，Friend 类表示好友，Message 类表示消息。用户可以添加好友，并通过 SendMessageToFriends 方法向所有好友发送消息。

使用示例：

User user1 = new User("Alice");
User user2 = new User("Bob");
​
Friend friend1 = new Friend("Charlie");
Friend friend2 = new Friend("David");
​
user1.AddFriend(friend1);
user2.AddFriend(friend2);
​
user1.SendMessageToFriends("Hello, friends!");

在这个示例中，用户对象只与好友对象进行通信，并不直接与消息对象进行通信。这符合迪米特法则的要求，即一个对象应该尽可能少地了解其他对象。

通过将消息发送的责任委托给好友对象，在用户类中只需要调用 friend.ReceiveMessage(message) 方法来发送消息给所有好友。这样可以降低类之间的耦合性，并提高代码的可维护性和灵活性。

合成复用

合成复用原则（Composite Reuse Principle，CRP）要求尽量使用对象组合，而不是继承来达到复用的目的。通过将现有对象组合起来创建新的对象，可以更灵活地实现功能的复用和扩展。

下面是一个使用C#示例来说明合成复用原则的应用：

假设我们正在开发一个图形库，其中包含各种形状（如圆形、矩形等）。我们希望能够实现一个可以绘制多个形状的画板。

首先，定义一个抽象基类 Shape 来表示图形，并声明抽象方法 Draw：

public abstract class Shape
{
    public abstract void Draw();
}

然后，在具体的子类中分别实现各种形状。例如，创建 Circle 类和 Rectangle 类来表示圆形和矩形，并重写父类中的 Draw 方法：

public class Circle : Shape
{
    public override void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing a circle");
        // 具体绘制圆形逻辑...
    }
}

public class Rectangle : Shape
{
    public override void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing a rectangle");
        // 具体绘制矩形逻辑...
    }
}

接下来，创建一个画板类 Canvas 来管理并绘制多个图形。在该类中使用对象组合将多个图形组合在一起：

public class Canvas
{
    private List<Shape> shapes;
​
    public Canvas()
    {
        shapes = new List<Shape>();
    }
​
    public void AddShape(Shape shape)
    {
        shapes.Add(shape);
    }
​
    public void DrawShapes()
    {
        foreach (Shape shape in shapes)
        {
            shape.Draw();
        }
        
        Console.WriteLine("All shapes are drawn.");
    }
}

在这个例子中，Canvas 类通过对象组合的方式将多个图形对象组合在一起，并提供了添加图形和绘制图形的方法。

使用示例：

Canvas canvas = new Canvas();
​
Circle circle = new Circle();
Rectangle rectangle = new Rectangle();
​
canvas.AddShape(circle);
canvas.AddShape(rectangle);
​
canvas.DrawShapes();

在这个示例中，我们创建了一个画板对象 canvas，并向其中添加了一个圆形和一个矩形。然后调用 DrawShapes 方法来绘制所有的图形。

通过使用对象组合而不是继承，我们可以更灵活地实现功能的复用和扩展。例如，可以轻松地添加新的图形类型或修改现有图形类型的行为，而不会影响到画板类。这符合合成复用原则，并提高了代码的可维护性和灵活性。