【软件构造】第六章第一节 可维护性的度量与构造原则

第六章第一节 可维护性的度量与构造原则

本章面向另一个质量指标：可维护性——软件发生变化时，是否可以以很小的代价适应变化？ 
本节是宏观介绍：（1）什么是软件维护；（2）可维护性如何度量；（3）实现高可维护性的设计原则——很抽象。

Outline

• 软件的维护和演化
• 可维护性的常见度量指标
• 聚合度与耦合度
• 面向对象五大原则SOLID
  • 单一职责原则SRP(Single Responsibility Principle)
  • 开放封闭原则OCP(Open－Close Principle)
  • 里式替换原则LSP(the Liskov Substitution Principle LSP)
  • 依赖倒置原则DIP(the Dependency Inversion Principle DIP)
  • 接口分离原则ISP(the Interface Segregation Principle ISP)

Notes

## 软件的维护和演化

• 定义：软件可维护性是指软件产品被修改的能力，修改包括纠正、改进或软件对环境、需求和功能规格说明变化的适应。简而言之，软件维护：修复错误、改善性能。
• 类型：纠错性（25%）、适应性（25%）、完善性（50%）、预防性（4%）
• 演化：软件演化是一个程序不断调节以满足新的软件需求过程。
• 演化的规律：软件质量下降，延续软件生命
• 软件维护和演化的目标：提高软件的适应性，延续软件生命 。
• 意义：软件维护不仅仅是运维工程师的工作，而是从设计和开发阶段就开始了 。在设计与开发阶段就要考虑将来的可维护性 ，设计方案需要“easy to change”
• 基于可维护性建设的例子：
  • 模块化
  • OO设计原则
  • OO设计模式
  • 基于状态的构造技术
  • 表驱动的构造技术
  • 基于语法的构造技术

 

## 可维护性的常见度量指标

• 可维护性：可轻松修改软件系统或组件，以纠正故障，提高性能或其他属性，或适应变化的环境。
• 除此之外，可维护性还有其他许多别名：可扩展性（Extensibility）、灵活性（Flexibility）、可适应性（Adaptability）、可管理性（Manageability）、支持性（Supportability）。总之，有好的可维护性就意味着容易改变，容易扩展。
• 软件可维护性的五个子特性：
  • 易分析性。软件产品诊断软件中的缺陷或失效原因或识别待修改部分的能力。
  • 易改变性。软件产品使指定的修改可以被实现的能力，实现包括编码、设计和文档的更改。如果软件由最终用户修改，那么易改变性可能会影响易操作性。
  • 稳定性。软件产品避免由于软件修改而造成意外结果的能力。
  • 易测试性。软件产品使已修改软件能被确认的能力。
  • 维护性的依从性。软件产品遵循与维护性相关的标准或约定的能力。
• 一些常用的可维护性度量标准：
  • 圈复杂度（CyclomaticComplexity）：度量代码的结构复杂度。
  • 代码行数（Lines of Code）：指示代码中的大致行数。
  • Halstead Volume：基于源代码中（不同）运算符和操作数的数量的合成度量。
  • 可维护性指数（MI）：计算介于0和100之间的索引值，表示维护代码的相对容易性。 高价值意味着更好的可维护性。
  • 继承的层次数：表示扩展到类层次结构的根的类定义的数量。 等级越深，就越难理解特定方法和字段在何处被定义或重新定义。
  • 类之间的耦合度：通过参数，局部变量，返回类型，方法调用，泛型或模板实例化，基类，接口实现，在外部类型上定义的字段和属性修饰来测量耦合到唯一类。
  • 单元测试覆盖率：指示代码库的哪些部分被自动化单元测试覆盖。

 

## 模块化设计规范：聚合度与耦合度

• 模块化编程的含义：模块化编程是一种设计技术，它强调将程序的功能分解为独立的可互换模块，以便每个模块都包含执行所需功能的一个方面。
• 设计规范：高内聚低耦合
• 评估模块化的五个标准：
  • 可分解性：将问题分解为各个可独立解决的子问题
  • 可组合性：可容易的将模块组合起来形成新的系统
  • 可理解性：每个子模块都可被系统设计者容易的理解
  • 可持续性：小的变化将只影响一小部分模块，而不会影响整个体系结构
  • 出现异常之后的保护：运行时的不正常将局限于小范围模块内
• 模块化设计的五条原则：
  • 直接映射：模块的结构与现实世界中问题领域的结构保持一致
  • 尽可能少的接口：模块应尽可能少的与其他模块通讯
  • 尽可能小的接口：如果两个模块通讯，那么它们应交换尽可能少的信息
  • 显式接口：当A与B通讯时，应明显的发生在A与B的接口之间
  • 信息隐藏：经常可能发生变化的设计决策应尽可能隐藏在抽象接口后面

【内聚性】

• 又称块内联系。指模块的功能强度的度量，即一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度的度量。若一个模块内各元素（语名之间、程序段之间）联系的越紧密，则它的内聚性就越高。
• 所谓高内聚是指一个软件模块是由相关性很强的代码组成，只负责一项任务，也就是常说的单一责任原则。

【耦合性】

• 也称块间联系。指软件系统结构中各模块间相互联系紧密程度的一种度量。模块之间联系越紧密，其耦合性就越强，模块的独立性则越差。模块间耦合高低取决于模块间接口的复杂性、调用的方式及传递的信息。
• 对于低耦合，粗浅的理解是：一个完整的系统，模块与模块之间，尽可能的使其独立存在。也就是说，让每个模块，尽可能的独立完成某个特定的子功能。模块与模块之间的接口，尽量的少而简单。如果某两个模块间的关系比较复杂的话，最好首先考虑进一步的模块划分。这样有利于修改和组合。

更多请参考 王永迪的专栏 浅谈高内聚低耦合

## SOLID原则 

　　更多请参考 我理解的SOLID 浅谈SOLID原则的具体使用

　　S.O.L.I.D是面向对象设计和编程(OOD&OOP)中几个重要编码原则(Programming Priciple)的首字母缩写。

综述：设计模式前五个原则，恰恰是告诉我们用抽象构建框架，用实现扩展细节的注意事项而已：

　　单一职责原则告诉我们实现类要职责单一；里氏替换原则告诉我们不要破坏继承体系；依赖倒置原则告诉我们要面向接口编程；接口隔离原则告诉我们在设计接口的时候要精简单一；迪米特法则告诉我们要降低耦合。而开闭原则是总纲（实现效果），它告诉我们要对扩展开放，对修改关闭。

SRP	The Single Responsibility Principle	单一责任原则
OCP	The Open Closed Principle	开放封闭原则
LSP	The Liskov Substitution Principle	里氏替换原则
ISP	The Interface Segregation Principle	接口分离原则
DIP	The Dependency Inversion Principle	依赖倒置原则

【SRP 单一责任原则】

• 含义：需要修改某个类的时候原因有且只有一个。换句话说就是让一个类只做一种类型责任，当这个类需要承当其他类型的责任的时候，就需要分解这个类。
• 如果一个类包含了多个责任，那么将引起不良后果：引入额外的包，占据资源；导致频繁的重新配置、部署等。
• SRP是最简单的原则，却是最难做好的原则。
• SRP的一个反例：

 

 【OCP 开放封闭原则】

• 软件实体应该是可扩展，而不可修改的。也就是说，对扩展是开放的，而对修改是封闭的。这个原则是诸多面向对象编程原则中最抽象、最难理解的一个。
  • 模块的行为应是可扩展的，从而该模块可表现出新的行为以满足需求的变化。
  • 模块自身的代码是不应被修改的
  • 扩展模块行为的一般途径是修改模块的内部实现
  • 如果一个模块不能被修改，那么它通常被认为是具有固定的行为。
• 关键解决方案：抽象技术。 使用继承和组合来改变类的行为。
• OCP的一个反例：

•  OCP的一个例子：

// Open-Close Principle - Bad example   
class GraphicEditor {  
public void drawShape(Shape s) {   
    if (s.m_type==1)   
        drawRectangle(s);   
    else if (s.m_type==2)   
        drawCircle(s);   
    }   
    public void drawCircle(Circle r)   
        {....}   
    public void drawRectangle(Rectangle r)   
        {....}   
}  
  
class Shape { int m_type; }  
class Rectangle extends Shape { Rectangle() { super.m_type=1; } }  
class Circle extends Shape { Circle() { super.m_type=2; } } 

    上面代码存在的问题：

• 不可能在不修改GraphEditor的情况下添加新的Shape
• GraphEditor和Shape之间的紧密耦合
• 不调用GraphEditor就很难测试特定的Shape

    改进之后的代码：

// Open-Close Principle - Good example  
class GraphicEditor {   
public void drawShape(Shape s) {   
    s.draw();   
    }   
}  
class Shape { abstract void draw(); }  
class Rectangle extends Shape { public void draw() { // draw the rectangle } }   

 

 【LSP 里氏替换原则】

• Liskov's 替换原则意思是："子类型必须能够替换它们的基类型。"或者换个说法："使用基类引用的地方必须能使用继承类的对象而不必知道它。" 这个原则正是保证继承能够被正确使用的前提。通常我们都说，“优先使用组合（委托）而不是继承”或者说“只有在确定是 is-a 的关系时才能使用继承”，因为继承经常导致”紧耦合“的设计。
•  【软件构造】第五章第二节 设计可复用的软件 中有所描述

 【ISP 接口分离原则】

• 含义:客户端不应依赖于它们不需要的方法。换句话说，使用多个专门的接口比使用单一的总接口总要好。
• 客户模块不应该依赖大的接口，应该裁减为小的接口给客户模块使用，以减少依赖性。如Java中一个类实现多个接口，不同的接口给不用的客户模块使用，而不是提供给客户模块一个大的接口。
• “胖”接口具有很多缺点。
  • 胖接口可分解为多个小的接口；
  • 不同的接口向不同的客户端提供服务；
  • 客户端只访问自己所需要的端口。
• 下图展示出了这种思想：
  
• ISP的一个反例

【DIP 依赖转置原则】

• 定义：
  • 高层模块不应该依赖于低层模块，二者都应该依赖于抽象 
  • 抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象
• 这个设计原则的亮点在于任何被DI框架注入的类很容易用mock对象进行测试和维护，因为对象创建代码集中在框架中，客户端代码也不混乱。有很多方式可以实现依赖倒置，比如像AspectJ等的AOP（Aspect Oriented programming）框架使用的字节码技术，或Spring框架使用的代理等。
  • 高层模块不要依赖低层模块；
  • 高层和低层模块都要依赖于抽象；
  • 抽象不要依赖于具体实现； 
  • 具体实现要依赖于抽象；
  • 抽象和接口使模块之间的依赖分离。
• 一个具体的例子：

进行抽象改进后：

【SOLID 总结】

 

1. 一个对象只承担一种责任，所有服务接口只通过它来执行这种任务。
2. 程序实体，比如类和对象，向扩展行为开放，向修改行为关闭。
3. 子类应该可以用来替代它所继承的类。
4. 一个类对另一个类的依赖应该限制在最小化的接口上。
5. 依赖抽象层(接口)，而不是具体类。