第2章-面向对象设计原则

第2章面向对象设计原则刘伟[e-mail]教材指定教材：刘伟.设计模式.北京：清华大学出版社,2011.辅导教材（实验教材）：刘伟.设计模式实训教程.北京：清华大学出版社,2012.本章教学内容面向对象设计原则概述单一职责原则开闭原则里氏代换原则依赖倒转原则接口隔离原则合成复用原则迪米特法则面向对象设计原则概述软件的可维护性和可复用性知名软件大师RobertC.Martin认为一个可维护性(Maintainability)较低的软件设计，通常由于如下4个原因造成：•过于僵硬(Rigidity)•过于脆弱(Fragility)•复用率低(Immobility)•黏度过高(Viscosity)RobertC.Martin面向对象设计原则概述软件的可维护性和可复用性软件工程和建模大师PeterCoad认为，一个好的系统设计应该具备如下三个性质：•可扩展性(Extensibility)•灵活性(Flexibility)•可插入性(Pluggability)PeterCoad面向对象设计原则概述软件的可维护性和可复用性软件的复用(Reuse)或重用拥有众多优点，如可以提高软件的开发效率，提高软件质量，节约开发成本，恰当的复用还可以改善系统的可维护性。面向对象设计复用的目标在于实现支持可维护性的复用。在面向对象的设计里面，可维护性复用都是以面向对象设计原则为基础的，这些设计原则首先都是复用的原则，遵循这些设计原则可以有效地提高系统的复用性，同时提高系统的可维护性。面向对象设计原则概述软件的可维护性和可复用性面向对象设计原则和设计模式也是对系统进行合理重构的指南针，重构(Refactoring)是在不改变软件现有功能的基础上，通过调整程序代码改善软件的质量、性能，使其程序的设计模式和架构更趋合理，提高软件的扩展性和维护性。MartinFowler面向对象设计原则概述面向对象设计原则简介常用的面向对象设计原则包括7个，这些原则并不是孤立存在的，它们相互依赖，相互补充。设计原则名称设计原则简介重要性单一职责原则(SingleResponsibilityPrinciple,SRP)类的职责要单一，不能将太多的职责放在一个类中★★★★☆开闭原则(Open-ClosedPrinciple,OCP)软件实体对扩展是开放的，但对修改是关闭的，即在不修改一个软件实体的基础上去扩展其功能★★★★★里氏代换原则(LiskovSubstitutionPrinciple,LSP)在软件系统中，一个可以接受基类对象的地方必然可以接受一个子类对象★★★★☆依赖倒转原则(DependencyInversionPrinciple,DIP)要针对抽象层编程，而不要针对具体类编程★★★★★接口隔离原则(InterfaceSegregationPrinciple,ISP)使用多个专门的接口来取代一个统一的接口★★☆☆☆合成复用原则(CompositeReusePrinciple,CRP)在系统中应该尽量多使用组合和聚合关联关系，尽量少使用甚至不使用继承关系★★★★☆迪米特法则(LawofDemeter,LoD)一个软件实体对其他实体的引用越少越好，或者说如果两个类不必彼此直接通信，那么这两个类就不应当发生直接的相互作用，而是通过引入一个第三者发生间接交互★★★☆☆单一职责原则单一职责原则定义单一职责原则(SingleResponsibilityPrinciple,SRP)定义如下：•一个对象应该只包含单一的职责，并且该职责被完整地封装在一个类中。其英文定义为：•Everyobjectshouldhaveasingleresponsibility,andthatresponsibilityshouldbeentirelyencapsulatedbytheclass.另一种定义方式如下：•就一个类而言，应该仅有一个引起它变化的原因。其英文定义为：•Thereshouldneverbemorethanonereasonforaclasstochange.单一职责原则单一职责原则分析一个类（或者大到模块，小到方法）承担的职责越多，它被复用的可能性越小，而且如果一个类承担的职责过多，就相当于将这些职责耦合在一起，当其中一个职责变化时，可能会影响其他职责的运作。类的职责主要包括两个方面：数据职责和行为职责，数据职责通过其属性来体现，而行为职责通过其方法来体现。单一职责原则是实现高内聚、低耦合的指导方针，在很多代码重构手法中都能找到它的存在，它是最简单但又最难运用的原则，需要设计人员发现类的不同职责并将其分离，而发现类的多重职责需要设计人员具有较强的分析设计能力和相关重构经验。单一职责原则单一职责原则实例实例说明•某基于Java的C/S系统的“登录功能”通过如下登录类(Login)实现：•现使用单一职责原则对其进行重构。单一职责原则单一职责原则实例实例解析开闭原则开闭原则定义开闭原则(Open-ClosedPrinciple,OCP)定义如下：•一个软件实体应当对扩展开放，对修改关闭。也就是说在设计一个模块的时候，应当使这个模块可以在不被修改的前提下被扩展，即实现在不修改源代码的情况下改变这个模块的行为。其英文定义为：•Softwareentitiesshouldbeopenforextension,butclosedformodification.开闭原则开闭原则分析开闭原则由BertrandMeyer于1988年提出，它是面向对象设计中最重要的原则之一。在开闭原则的定义中，软件实体可以指一个软件模块、一个由多个类组成的局部结构或一个独立的类。开闭原则开闭原则分析抽象化是开闭原则的关键。开闭原则还可以通过一个更加具体的“对可变性封装原则”来描述，对可变性封装原则(PrincipleofEncapsulationofVariation,EVP)要求找到系统的可变因素并将其封装起来。开闭原则开闭原则实例实例说明•某图形界面系统提供了各种不同形状的按钮，客户端代码可针对这些按钮进行编程，用户可能会改变需求要求使用不同的按钮，原始设计方案如图所示：•现对该系统进行重构，使之满足开闭原则的要求。LoginForm-button:CircleButton+display():voidCircleButton+view():voidLoginForm-button:RectangleButton+display():voidRectangleButton+view():void开闭原则开闭原则实例实例解析里氏代换原则里氏代换原则定义里氏代换原则(LiskovSubstitutionPrinciple,LSP)有两种定义方式，第一种定义方式相对严格，其定义如下：•如果对每一个类型为S的对象o1，都有类型为T的对象o2，使得以T定义的所有程序P在所有的对象o1都代换成o2时，程序P的行为没有变化，那么类型S是类型T的子类型。其英文定义为：•Ifforeachobjecto1oftypeSthereisanobjecto2oftypeTsuchthatforallprogramsPdefinedintermsofT,thebehaviorofPisunchangedwheno1issubstitutedforo2thenSisasubtypeofT.第二种更容易理解的定义方式如下：•所有引用基类（父类）的地方必须能透明地使用其子类的对象。其英文定义为：•Functionsthatusepointersorreferencestobaseclassesmustbeabletouseobjectsofderivedclasseswithoutknowingit.里氏代换原则里氏代换原则分析里氏代换原则由2008年图灵奖得主、美国第一位计算机科学女博士、麻省理工学院教授BarbaraLiskov和卡内基.梅隆大学JeannetteWing教授于1994年提出。其原文如下：Letq(x)beapropertyprovableaboutobjectsxoftypeT.Thenq(y)shouldbetrueforobjectsyoftypeSwhereSisasubtypeofT.芭芭拉·利斯科夫（BarbaraLiskov），美国计算机科学家，2008年图灵奖得主，2004年约翰.冯诺依曼奖得主，美国工程院院士，美国艺术与科学院院士，美国计算机协会会士。现任麻省理工学院电子电气与计算机科学系教授。她是美国第一个计算机科学女博士。周以真（JeannetteM.Wing），美国计算机科学家，卡内基.梅隆大学教授，美国国家自然基金会计算与信息科学工程部助理部长，ACM和IEEE会士。里氏代换原则里氏代换原则分析里氏代换原则可以通俗表述为：在软件中如果能够使用基类对象，那么一定能够使用其子类对象。把基类都替换成它的子类，程序将不会产生任何错误和异常，反过来则不成立，如果一个软件实体使用的是一个子类的话，那么它不一定能够使用基类。里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一，由于使用基类对象的地方都可以使用子类对象，因此在程序中尽量使用基类类型来对对象进行定义，而在运行时再确定其子类类型，用子类对象来替换父类对象。里氏代换原则里氏代换原则分析喜欢动物喜欢猫因为猫是动物里氏代换原则里氏代换原则实例实例说明•某系统需要实现对重要数据（如用户密码）的加密处理，在数据操作类(DataOperator)中需要调用加密类中定义的加密算法，系统提供了两个不同的加密类，CipherA和CipherB，它们实现不同的加密方法，在DataOperator中可以选择其中的一个实现加密操作。如图所示：里氏代换原则里氏代换原则实例实例说明•如果需要更换一个加密算法类或者增加并使用一个新的加密算法类，如将CipherA改为CipherB，则需要修改客户类Client和数据操作类DataOperator的源代码，违背了开闭原则。•现使用里氏代换原则对其进行重构，使得系统可以灵活扩展，符合开闭原则。里氏代换原则里氏代换原则实例实例解析依赖倒转原则依赖倒转原则定义依赖倒转原则(DependenceInversionPrinciple,DIP)的定义如下：•高层模块不应该依赖低层模块，它们都应该依赖抽象。抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。其英文定义为：•Highlevelmodulesshouldnotdependuponlowlevelmodules,bothshoulddependuponabstractions.Abstractionsshouldnotdependupondetails,detailsshoulddependuponabstractions.另一种表述为：•要针对接口编程，不要针对实现编程。其英文定义为：•Programtoaninterface,notanimplementation.依赖倒转原则依赖倒转原则分析依赖倒转原则是RobertC.Martin在1996年为《C++Reporter》所写的专栏EngineeringNotebook的第三篇，后来加入到他在2002年出版的经典著作《AgileSoftwareDevelopment,Principles,Patterns,andPractices》中。依赖倒转原则依赖倒转原则分析简单来说，依赖倒转原则就是指：代码要依赖于抽象的类，而不要依赖于具体的类；要针对接口或抽象类编程，而不是针对具体类编程。实现开闭原则的关键是抽象化，并且从抽象化导出具体化实现，如果说开闭原则是面向对象设计的目标的话，那么依赖倒转原则就是面向对象设计的主要手段。依赖倒转原则依赖倒转原则分析依赖倒转原则的常用实现方式之一是在代码中使用抽象类，而将具体类放在配置文件中。•“将抽象放进代码，将细节放进元数据”•P