《架构整洁之道》学习笔记 Part 2 编程范式

计算机编程发展至今，一共只有三个编程范式：

• 结构化编程
• 面向对象编程
• 函数式编程

编程范式和软件架构的关系

• 结构化编程是各个模块的算法实现基础
• 多态（面向对象编程）是跨越架构边界的手段
• 函数式编程是规范和限制数据存放位置与访问权限的手段

软件架构的三大关注重点：功能性、组建独立性以及数据管理，和编程范式不谋而合

结构化编程

限制控制权的直接转移，禁止 goto，用 if/else/while 替代

• Dijkstra 发现：goto 语句的某些用法会导致模块无法被递归拆分成更小的、可证明的单元，这会导致无法采用分解法将大型问题进一步拆分成更小的、可证明的部分。
• Bohm 和 Jocopini 证明了：可以用顺序结构、分支结构、循环结构构造出任何程序
• 测试只能证明 Bug 的存在，并不能证明不存在 Bug
• 结构化编程范式的价值：赋于我们构建可证伪程序单元的能力。如果测试无法证伪这些函数，就可以认为这些函数足够正确
• 在架构设计领域，功能性降解拆分仍然是最佳实践之一

面向对象编程

限制控制权的间接转移，禁用函数指针，用多态替代

什么是面向对象？

• 数据与函数的组合？
  • o.f() 和 f(o) 没有区别
• 对真实世界进行建模的方式？
  • 到底如何进行？为什么这么做？有什么好处？
  • 面向对象编程究竟是什么？
• 封装、继承、多态？
  • 面向对象编程语言必须支持这三个特性

封装

把一组关联的数据和函数关联起来，外部只能看见部分函数，数据则完全不可见。

封装并不是面向对象语言特有的，C 语言也支持：

point.h

struct Point;
struct Point* makePoint(double x, double y);
double distance(struct Point *p1, struct Point *p2)

C 语言的封装是完美的封装：利用 forward declaration，Point 的数据结构、内部实现对 point.h 的使用者完全不可见。

而后来的 C++ 虽然是面向对象的编程语言，但却破坏了封装性：

point.h

class Point {
public:
    Point(double x, double y);
    double distance(const Point& p1, const Point& p2);
    
private:
    double sqrt(double x);
private:
    double x;
    double y;
};

C++ 编译器需要知道类的对象大小，因此必须在头文件中看到成员变量的定义。虽然 private 限制了使用者访问私有成员，但这样仍然暴露了类的内部实现。（C++ 的 PIMPL 惯用法可以在一定程度上缓解这个问题）

Java 和 C# 抛弃了头文件、实现分离的编程方式，进一步削弱了封装性，因为无法区分类的声明和定义。

继承

C 语言也支持继承：

namedPoint.h

struct NamedPoint;
struct NamedPoint* makeNamedPoint(double x, double y, char* name);
void setName(struct NamePoint *np, char* name);
char* getName(struct NamedPoint *np);

namedPoint.c

#include "namePoint.h"

struct NamedPoint {
    double x;
    double y;
    char* name;
};

// 或者
#include "point.h"

struct NamePoint {
    Point parent_;
    char* name;
};

// 省略其他函数实现

main.c

#include "point.h"
#include "namedPoint.h"

int main() {
    struct NamePoint* p1 = makeNamedPoint(0.0, 0.0, "origin");
    struct NamePoint* p2 = mameNamePoint(1.0, 1.0, "upperRight");
    // C 语言中的继承需要强制转换 p1、p2 的类型
    // 真正的面向对象语言一般可以自动将子类转成父类指针/引用
    distance((struct Point*)p1, (struct Point*)p2);
}

在 main.c 中，NamePoint 被当作 Point 来使用。之所以可以，是因为 NamePoint 是 Point 的超集，且共同成员的顺序一致。C++ 中也是这样实现单继承的。

多态

在面向对象语言发明之前，C 语言也支持多态。

UNIX 要求每个 IO 设备都提供 open、close、read、write、seek 这 5 个标准函数：

struct FILE {
    void (*open)(char* name, int mode);
    void (*close)();
    int (*read)();
    void (*write)(char);
    void (*seek)(long index, int mode);
};

这里的 FILE 就相当于一个接口类，不同的 IO 设备有各自的实现函数，通过设置函数指针指向不同的实现来达到多态的目的。上层的功能逻辑只依赖 FILE 结构体中的 5 个标准函数，并不关心具体的 IO 设备什么。更换 IO 设备也无需修改功能逻辑的代码，IO 只是功能逻辑的一个插件。

C++ 中每个虚函数的地址都记录在一个叫 vtable 的数据结构中，带有虚函数的类会有一个隐式的、指向 vtable 的虚表指针。每次调用虚函数都会先查询 vtable，子类构造函数负责将子类虚函数地址加载到对象的 vtable 中。

多态本质上就是函数指针的一种应用。用函数指针实现多态的问题在于函数指针的危险性。依赖人为遵守一系列的约定很容易产生难以跟踪和调试的 bug。面向对象编程使得多态再不需要依赖人工遵守约定，可以更简单、更安全地实现复杂功能。面向对象编程的出现使得“插件式架构”普及开来。

此外，面向对象编程的带来的另一个重大好处是依赖反转：通过引入接口，源码的依赖关系不再受到控制流的限制，软件架构师可以轻易地更改源码的依赖关系。这也是面向对象编程范式的核心本质（关于依赖反转，后面会单独用一篇来介绍）。

回到开始的问题，面向对象到底什么？有许多不同的说法和意见，但是对于软件架构师来说，面向对象编程就是以多态为手段，控制源码依赖的能力。这种能力可以让软件架构师构建某种插件式架构，让高层策略和底层实现组件相分离，底层组件作为插件可以独立开发和部署。

函数式编程

限制赋值操作

• 函数式编程中的变量是不可变的

• 不可变性是软件架构需要考虑的重点，因为所有的并发、死锁、竞争问题都是可变变量导致的，如果变量不可变，就不会有这些问题

• 架构设计良好的程序应该拆分成可变、不可变两种组件，其中可变状态组件中的逻辑越少越好

• 事件溯源：只存储事务记录，不存储具体状态；需要状态时，从头计算所有事务。

  • 例如银行程序只保存每次的交易记录，不保存用户余额，每次查询余额时，将全部交易记录取出累计
  • 这种模式只需要 CR (Create & Retrieve)，不需要 UD (Update & Delete)，没有了更新和删除操作，自然也不存在并发问题
  • 缺点：对存储和处理能力要求较高（但随着技术的发展，这方面将越来越不成问题）
  • 应用：git

总结

从 1946 年图灵写下第一行代码至今，软件编程的核心没有变：计算机程序无一例外是由顺序结构、分支结构、循环结构和间接转移这几种行为组合而成的，无可增加， 也缺一不可。

所有三个范式都是限制了编码方式，而不是增加新能力！

• 结构化编程：限制控制权的直接转移，禁止 goto，用 if/else/while 替代
• 面向对象编程：限制控制权的间接转移，禁用函数指针，用多态替代
• 函数式编程：限制赋值操作

三个编程范式都是在 1958 - 1968 年间提出，此后再也没有新的范式提出，未来几乎不可能再有新的范式。因为除了 goto 语句、函数指针、赋值语句之外，也没有什么可以限制的了。