设计模式 —— 设计原则

在软件开发中，为了提高软件系统的可维护性和可复用性，增加软件的可扩展性和灵活性，程序员要尽量根据6条原则来开发程序，从而提高软件开发效率、节约软件开发成本和维护成本。

开闭原则

对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。

想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类。

因为抽象灵活性好，适应性广，只要抽象的合理，可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节可以从抽象派生来的实现类来进行扩展，当软件需要发生变化时，只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了。

下面以 搜狗输入法 的皮肤为例介绍开闭原则的应用。

【例】搜狗输入法 的皮肤设计。

分析：搜狗输入法 的皮肤是输入法背景图片、窗口颜色和声音等元素的组合。用户可以根据自己的喜爱更换自己的输入法的皮肤，也可以从网上下载新的皮肤。这些皮肤有共同的特点，可以为其定义一个抽象类（AbstractSkin），而每个具体的皮肤（DefaultSpecificSkin和HeimaSpecificSkin）是其子类。用户窗体可以根据需要选择或者增加新的主题，而不需要修改原代码，所以它是满足开闭原则的。

里氏代换原则

里氏代换原则：任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。通俗理解：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。换句话说，子类继承父类时，除添加新的方法完成新增功能外，尽量不要重写父类的方法。

如果通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的概率会非常大。

下面看一个里氏替换原则中经典的一个例子

【例】正方形不是长方形。
在数学领域里，正方形毫无疑问是长方形，它是一个长宽相等的长方形。所以，我们开发的一个与几何图形相关的软件系统，就可以顺理成章的让正方形继承自长方形。

• 代码如下：
  长方形类（Rectangle）：

  public class Rectangle {private double length;private double width;public double getLength() {return length;}public void setLength(double length) {this.length = length;}public double getWidth() {return width;}public void setWidth(double width) {this.width = width;}
  }
  

  正方形（Square）：
  由于正方形的长和宽相同，所以在方法setLength和setWidth中，对长度和宽度都需要赋相同值。

  public class Square extends Rectangle {public void setWidth(double width) {super.setLength(width);super.setWidth(width);}public void setLength(double length) {super.setLength(length);super.setWidth(length);}
  }
  

  类RectangleDemo是我们的软件系统中的一个组件，它有一个resize方法依赖基类Rectangle，resize方法是RectandleDemo类中的一个方法，用来实现宽度逐渐增长的效果。

  public class RectangleDemo {public static void resize(Rectangle rectangle) {while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);}}//打印长方形的长和宽public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {System.out.println(rectangle.getLength());System.out.println(rectangle.getWidth());}public static void main(String[] args) {Rectangle rectangle = new Rectangle();rectangle.setLength(20);rectangle.setWidth(10);resize(rectangle);printLengthAndWidth(rectangle);System.out.println("============");Rectangle rectangle1 = new Square();rectangle1.setLength(10);resize(rectangle1);printLengthAndWidth(rectangle1);}
  }
  

  我们运行一下这段代码就会发现，假如我们把一个普通长方形作为参数传入resize方法，就会看到长方形宽度逐渐增长的效果，当宽度大于长度,代码就会停止，这种行为的结果符合我们的预期；假如我们再把一个正方形作为参数传入resize方法后，就会看到正方形的宽度和长度都在不断增长，代码会一直运行下去，直至系统产生溢出错误。所以，普通的长方形是适合这段代码的，正方形不适合。
  我们得出结论：在resize方法中，Rectangle类型的参数是不能被Square类型的参数所代替，如果进行了替换就得不到预期结果。因此，Square类和Rectangle类之间的继承关系违反了里氏代换原则，它们之间的继承关系不成立，正方形不是长方形。

如何改进呢？此时我们需要重新设计他们之间的关系。抽象出来一个四边形接口(Quadrilateral)，让Rectangle类和Square类实现Quadrilateral接口

依赖倒转原则

高层模块不应该依赖低层模块，两者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象。简单的说就是要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合。

【例】组装电脑
现要组装一台电脑，需要配件cpu，硬盘，内存条。只有这些配置都有了，计算机才能正常的运行。选择cpu有很多选择，如Intel，AMD等，硬盘可以选择希捷，西数等，内存条可以选择金士顿，海盗船等。

• 类图如下：
  

• 代码如下：
  希捷硬盘类（XiJieHardDisk）:

  public class XiJieHardDisk implements HardDisk {public void save(String data) {System.out.println("使用希捷硬盘存储数据" + data);}public String get() {System.out.println("使用希捷希捷硬盘取数据");return "数据";}
  }
  

  Intel处理器（IntelCpu）：

  public class IntelCpu implements Cpu {public void run() {System.out.println("使用Intel处理器");}
  }
  

  金士顿内存条（KingstonMemory）：

  public class KingstonMemory implements Memory {public void save() {System.out.println("使用金士顿作为内存条");}
  }
  

  电脑（Computer）：

  public class Computer {private XiJieHardDisk hardDisk;private IntelCpu cpu;private KingstonMemory memory;public IntelCpu getCpu() {return cpu;}public void setCpu(IntelCpu cpu) {this.cpu = cpu;}public KingstonMemory getMemory() {return memory;}public void setMemory(KingstonMemory memory) {this.memory = memory;}public XiJieHardDisk getHardDisk() {return hardDisk;}public void setHardDisk(XiJieHardDisk hardDisk) {this.hardDisk = hardDisk;}public void run() {System.out.println("计算机工作");cpu.run();memory.save();String data = hardDisk.get();System.out.println("从硬盘中获取的数据为：" + data);}
  }
  

  测试类（TestComputer）： 测试类用来组装电脑。

  public class TestComputer {public static void main(String[] args) {Computer computer = new Computer();computer.setHardDisk(new XiJieHardDisk());computer.setCpu(new IntelCpu());computer.setMemory(new KingstonMemory());computer.run();}
  }
  

  上面代码可以看到已经组装了一台电脑，但是似乎组装的电脑的cpu只能是Intel的，内存条只能是金士顿的，硬盘只能是希捷的，这对用户肯定是不友好的，用户有了机箱肯定是想按照自己的喜好，选择自己喜欢的配件。

根据依赖倒转原则进行改进： 代码我们只需要修改Computer类，让Computer类依赖抽象（各个配件的接口），而不是依赖于各个组件具体的实现类。

• 类图如下：
  

• 电脑（Computer）：

  public class Computer {private HardDisk hardDisk;private Cpu cpu;private Memory memory;public HardDisk getHardDisk() {return hardDisk;}public void setHardDisk(HardDisk hardDisk) {this.hardDisk = hardDisk;}public Cpu getCpu() {return cpu;}public void setCpu(Cpu cpu) {this.cpu = cpu;}public Memory getMemory() {return memory;}public void setMemory(Memory memory) {this.memory = memory;}public void run() {System.out.println("计算机工作");}
  }
  

  面向对象的开发很好的解决了这个问题，一般情况下抽象的变化概率很小，让用户程序依赖于抽象，实现的细节也依赖于抽象。即使实现细节不断变动，只要抽象不变，客户程序就不需要变化。这大大降低了客户程序与实现细节的耦合度。

接口隔离原则

客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法；一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

【例】安全门案例
我们需要创建一个Bug品牌的安全门，该安全门具有防火、防水、防盗的功能。可以将防火，防水，防盗功能提取成一个接口，形成一套规范。

• 类图如下：
  
  上面的设计我们发现了它存在的问题，Bug品牌的安全门具有防盗，防水，防火的功能。现在如果我们还需要再创建一个传智品牌的安全门，而该安全门只具有防盗、防水功能呢？很显然如果实现SafetyDoor接口就违背了接口隔离原则，那么我们如何进行修改呢？

• 类图

• 代码如下：
  AntiTheft（接口）：

  public interface AntiTheft {void antiTheft();
  }
  

  Fireproof（接口）：

  public interface Fireproof {void fireproof();
  }
  

  Waterproof（接口）：

  public interface Waterproof {void waterproof();
  }
  

  HeiMaSafetyDoor（类）：

  public class HeiMaSafetyDoor implements AntiTheft,Fireproof,Waterproof {public void antiTheft() {System.out.println("防盗");}public void fireproof() {System.out.println("防火");}public void waterproof() {System.out.println("防水");}
  }
  

  ItcastSafetyDoor（类）：

  public class ItcastSafetyDoor implements AntiTheft,Fireproof {public void antiTheft() {System.out.println("防盗");}public void fireproof() {System.out.println("防火");}
  }
  

迪米特法则

迪米特法则又叫最少知识原则。 只和你的直接朋友交谈，不跟“陌生人”说话（Talk only to your immediate
friends and not to strangers）。
其含义是：如果两个软件实体无须直接通信，那么就不应当发生直接的相互调用，可以通过第三方转发该调用。其目的是降低类之间的耦合度，提高模块的相对独立性。
迪米特法则中的“朋友”是指：当前对象本身、当前对象的成员对象、当前对象所创建的对象、当前对象的方法参数等，这些对象同当前对象存在关联、聚合或组合关系，可以直接访问这些对象的方法。

【例】明星与经纪人的关系实例
明星由于全身心投入艺术，所以许多日常事务由经纪人负责处理，如和粉丝的见面会，和媒体公司的业务洽淡等。这里的经纪人是明星的朋友，而粉丝和媒体公司是陌生人，所以适合使用迪米特法则。

• 类图如下：
  

• 代码如下：
  明星类（Star）

  public class Star {private String name;public Star(String name) {this.name=name;}public String getName() {return name;}
  }
  

  粉丝类（Fans）

  public class Fans {private String name;public Fans(String name) {this.name=name;}public String getName() {return name;}
  }
  

  媒体公司类（Company）

  public class Company {private String name;public Company(String name) {this.name=name;}public String getName() {return name;}
  }
  

  经纪人类（Agent）

  public class Agent {private Star star;private Fans fans;private Company company;public void setStar(Star star) {this.star = star;}public void setFans(Fans fans) {this.fans = fans;}public void setCompany(Company company) {this.company = company;}public void meeting() {System.out.println(fans.getName() + "与明星" + star.getName() + "见面了。");}public void business() {System.out.println(company.getName() + "与明星" + star.getName() + "洽淡业务。");}
  }
  

合成复用原则

合成复用原则是指：尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现，其次才考虑使用继承关系来实现。

通常类的复用分为继承复用和合成复用两种。

• 继承复用虽然有简单和易实现的优点，但它也存在以下缺点：

  1. 继承复用破坏了类的封装性。因为继承会将父类的实现细节暴露给子类，父类对子类是透明的，所以这种复用又称为“白箱”复用。
  2. 子类与父类的耦合度高。父类的实现的任何改变都会导致子类的实现发生变化，这不利于类的扩展与维护。
  3. 它限制了复用的灵活性。从父类继承而来的实现是静态的，在编译时已经定义，所以在运行时不可能发生变化。

• 采用组合或聚合复用时，可以将已有对象纳入新对象中，使之成为新对象的一部分，新对象可以调用已有对象的功能，它有以下优点：

  1. 它维持了类的封装性。因为成分对象的内部细节是新对象看不见的，所以这种复用又称为“黑箱”复用。
  2. 对象间的耦合度低。可以在类的成员位置声明抽象。
  3. 复用的灵活性高。这种复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态地引用与成分对象类型相同的对象。

【例】汽车分类管理程序
汽车按“动力源”划分可分为汽油汽车、电动汽车等；按“颜色”划分可分为白色汽车、黑色汽车和红色汽车等。如果同时考虑这两种分类，其组合就很多。类图如下：

从上面类图我们可以看到使用继承复用产生了很多子类，如果现在又有新的动力源或者新的颜色的话，就需要再定义新的类。我们试着将继承复用改为聚合复用看一下。