2020-02-19

架构师内功心法，软件架构设计的七大原则精选案例

一、软件架构设计的七大原则简介

1.1 开闭原则（Open-Closed Principle，OCP）

开闭原则是一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放，对修改关闭。所谓的开闭也是对扩展和修改两个行为的一个原则。强调是用抽象扩展架构，用实现扩展细节。可以提高软件系统的可复用性及可维护性。开闭原则，是面向对象设计中最基础的设计原则。它指导我们如何建立稳定灵活的系统，例如：版本更新，我们尽可能不修改代码，但是可以增加新功能。

在现实生活中也有很多开闭原则的例子，比如，很多互联网公司都实行弹性的工作时间，规定每天工作8小时。意思就是说，对于工作日每天工作8小时这个规定是关闭的，但是你什么时候来，什么时候走是开放的。早来早走，晚来晚走。

实现开闭原则的核心思想就是面向抽象编程，以某新华书店的图书为例，首先创建一个课程接口类：

public class IBook {
    Integer getId();
    String getName();
    Double getPrice();
}

我们来创建一个计算机图书的类ComputerBook：

public class ComputerBook implements IBook {
    private Integer id;
    private String name;
    protected Double price;
    public ComputerBook(Integer id, String name, Double price) {
        this.id = id;
        this.name = name;
        this.price = price;
    }
    
    public Integer getId() {
        return this.id;
    }
    
    public String getName() {
        return this.name;
    }
    
    public Double getPrice() {
        return this.price;
    }
}

现在我们要给计算机类的图书做活动，价格优惠。如果修改ComputerBook类的getPrice()方法，则会存在一定的风险，可能会影响其它地方的调用结果。我们如何在不修改原有代码的前提下，实现价格优惠这个功能呢？现在，我们再写一个处理优惠逻辑的类，ComputerDiscountBook类：

public class ComputerDiscountBook extends ComputerBook {
    public ComputerDiscountBook(Integer id, String name, Double price) {
        super(id, name, price);
    }
    
    public Double getOriginPrice() {
        return super.price;
    }
    
    public Double getPrice() {
        return super.price * 0.8;
    }
}

1.2 依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle，DIP）

依赖倒置原则是指设计代码结构时，高层模块不应该依赖底层模块，二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。通过依赖倒置，可以减少类与类之间的耦合性，提高系统的稳定性，提高代码的可读性和可维护性，并能够降低修改程序所造成的风险。

还是以课程为例，创建一个类Kevin：

public class Kevin {

    public void readComputerBook() {
        System.out.println("Kevin正在阅读电脑书籍");
    }

    public void readScienceBook() {
        System.out.println("Kevin正在阅读科学书籍");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Kevin kevin = new Kevin();
        kevin.readComputerBook();
        kevin.readScienceBook();
    }
    
}

Kevin正在阅读电脑书籍和科学书籍。大家知道电脑书籍的种类很多，现在人工智能AI这么火热，Kevin想学习关于人工智能方面的电脑书籍。这个时候，业务需要扩展，我们需要从底层到调用层一次修改代码来满足业务要求。在Kevin中增加readAIBook（）的方法，在调用层也要追加调用。这样一来，系统发布的时候，实际上不是很稳定。如何优化我们的代码，创建一个书籍的抽象IBook接口：

public interface IBook {

    void read();
}

然后写ComputerBook类：

public class ComputerBook implements IBook {
    @Override
    public void read() {
        System.out.println("Kevin正在阅读电脑书籍");
    }
}

再写ScienceBook类：

public class ScienceBook implements IBook {
    @Override
    public void read() {
        System.out.printf("Kevin正在阅读科学书籍");
    }
}

修改Kevin类：

public class Kevin {

    public void read(IBook book) {
        book.read();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Kevin kevin = new Kevin();
        kevin.read(new ComputerBook());
        kevin.read(new ScienceBook());
    }

}

我们来看main方法调用，无论Kevin想读哪些类的新书，只需要创建一个类，通过传参的方式告诉Kevin，而不需要修改底层代码来实现。这种实现方式叫做依赖注入。注入的方式有构造器注入和setter注入两种方式。

构造器注入实现方式：

public class Kevin {

    public IBook book;

    public Kevin(IBook book) {
        this.book = book;
    }

    public void read() {
        book.read();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Kevin kevin = new Kevin(new ComputerBook());
        kevin.read();
    }

}

根据构造器注入，在调用时，每次都需要创建实例。如果Kevin是全局单例的话，则只能选择Setter方式来注入，继续修改Kevin类的代码：

public class Kevin {

    public IBook book;

    public void setBook(IBook book) {
        this.book = book;
    }

    public void read() {
        book.read();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Kevin kevin = new Kevin();
        kevin.setBook(new ComputerBook());
        kevin.read();

        kevin.setBook(new ScienceBook());
        kevin.read();
    }

}

以抽象为基准比以细节为基准搭建起来的代码架构要稳定得多，因此拿到需求任务后，要面向接口编程，先设计顶层再琢磨细节来设计代码结构。

1.3 单一职责原则（Simple Responsibility Principle，SRP）

单一职责原则是值不要存在多于一个导致类变更的原因。假设我们有一个类要负责两个职责，一旦发生需求变更，修改其中一个职责的逻辑代码，有可能会导致另一个职责的功能发生故障。这样一来，这个类存在两个导致类变更的原因。怎么来解决这个问题呢？就需要给两个职责分别用两个类来实现，进行解耦。后期需求维护相互不受影响。这样的设计，可以降低类的复杂度，提高类的可读性，提高系统的可维护性，降低变更引起的风险。总体来说就是一个class/interface/mothod只负责一项职责。
这里用在线直播课程的案例来举例，课程有在线直播课和录播课。直播课不能快进和后退，录播课程可以任意的反复观看，功能职责不一样。创建一个Course类：

public class Course {

    public static final String COURSE_NAME = "直播课";

    public void study(String courseName) {
        if(COURSE_NAME.equals(courseName)) {
            System.out.println(courseName + "不能快进和快退");
        }else {
            System.out.println(courseName + "可以反复观看");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Course course = new Course();
        course.study("直播课");
        course.study("录播课");
    }
}

从上面的代码看，Course类承担了两种逻辑。现在需要对课程进行加密，那么直播课和录播课的加密逻辑是不一样的，必须要修改代码。而修改代码逻辑必然会相互影响并且容易造成风险。我们对职责进行解耦，分别创建LiveCourse和ReplayCourse两个类：

LiveCourse类：

public class LiveCourse {

    public void study(String courseName) {
        System.out.println(courseName + "不能快进和快退");
    }
}

ReplayCourse类：

public class ReplayCourse {

    public void study(String courseName) {
        System.out.println(courseName + "可以反复观看");
    }

}

调用main方法：

public static void main(String[] args) {
     LiveCourse liveCourse = new LiveCourse();
     liveCourse.study("直播课");
     ReplayCourse replayCourse = new ReplayCourse();
     replayCourse.study("录播课");
}

随着业务的发展，课程也要做权限。没有付费的vip会员可以获取课程基本信息，已经付费的vip会员可以获得视频流，即获得视频观看权限。对于控制课程层面上至少有两个职责。我们可以把展示职责和管理职责分离出来，实现同一个抽象依赖。设计一个顶层接口，创建ICourse接口：

public interface ICourse {

    /**
     * 获得课程信息
     * @return
     */
    String getCourseName();

    /**
     * 获得视频流
     * @return
     */
    byte[] getCourseVideo();

    /**
     * 学习课程
     */
    void studyCourse();

    /**
     * 退款
     */
    void refundCourse();
}

可以把这个接口拆成两个接口，创建一个接口ICourseInfo和ICourseManager：

接口ICourseInfo：

public interface ICourseInfo {

    /**
     * 获得课程信息
     * @return
     */
    String getCourseName();

    /**
     * 获得视频流
     * @return
     */
    byte[] getCourseVideo();
}

接口ICourseManager：

public interface ICourseManager {

    /**
     * 学习课程
     */
    void studyCourse();

    /**
     * 退款
     */
    void refundCourse();
}

下面来看下方法层面的单一职责的代码设计。有时候我们为了偷懒，通常会把方法写成下面这样子的：

private void mofifyUserInfo(String userName, String address) {
    userName = "Kevin";
    address = "Beijing";
}

还可能写成这样子：

private void modifyUserInfo(String userName, String... fields) {
    userName = "Kevin";
    
}

private void modifyUserInfo(String userName, String address, boolean bool) {
    if(bool) {
        
    }else {
        
    }
    userName = "Kevin";
    address = "Beijing";
}

显然上面的modifyUserInfo()方法中承担了多个职责，既可以修改userName，也可以修改address，甚至更多的值，明显不符合单一职责。这样我们需要对代码进行修改，把这个方法拆分成两个方法：

private void modifyUserName(String userName) {
    userName = "Kevin";
}

private void modifyAddress(String address) {
    address = "Beijing";
}

修改之后的代码看起来简单，且维护起来更加容易。但是，我们在实际开发项目过程中，项目直接会相互依赖，组合、聚和这些关系，还有项目的规模，周期，技术人员的水平，对进度的把控，很多类都不符合单一职责。但是，我们在编码的过程中尽量做到单一职责，这样对我们项目的后期维护是有很大的帮助的。

1.4 接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）

接口隔离原则是指用多个专门的接口，而不使用单一的总接口，客户端不应该依赖它不需要的接口。这个原则指导我们在设计接口的时候应该注意以下几点：

1、一个类对一类的依赖应该建立在最小的接口之上；

2、建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口；

3、尽量细化接口，接口中的方法尽量少（不是越少越好，要适度）。

接口隔离原则符合我们常说的高内聚低耦合的设计思想，从而使得类具有很好的可读性、可扩展性以及可维护性。在设计接口的时候，要多花时间去思考，要考虑业务模型，包括以后有可能发生变更的地方还要做一些预判。所以对于抽象，对于业务模型的理解是非常重要的。下面举例来看一个动物行为的抽象接口：

IAnimal接口：

public interface IAnimal {
    void eat();
    void fly();
    void swim();
}

Bird 类实现：

public class Bird implements IAnimal {

    @Override
    public void eat() {

    }

    @Override
    public void fly() {

    }

    @Override
    public void swim() {

    }
}

Dog 类实现：

public class Dog implements IAnimal {
    @Override
    public void eat() {

    }

    @Override
    public void fly() {

    }

    @Override
    public void swim() {

    }
}

可以看出，Bird 的 swim()方法可能只能空着，Dog 的fly()方法显然不可能的。这时候，我们针对不同动物行为来设计不同的接口，分别设计 IEatAnimal，IFlyAnimal 和ISwimAnimal 接口，来看代码：

IEatAnimal接口：

1
2
3

public interface IEatAnimal {
    void eat();
}

IFlyAnimal接口：

1
2
3

public interface IFlyAnimal {
    void fly();
}

ISwimAnimal接口：

1
2
3

public interface ISwimAnimal {
    void swim();
}

Dog 只实现 IEatAnimal 和 ISwimAnimal 接口：

public class Dog implements IEatAnimal, ISwimAnimal {

    @Override
    public void eat() {
        
    }

    @Override
    public void swim() {

    }
}

1.5 迪米特法则（Law of Demeter, LoD）

迪米特法则是指一个对象应该对其他对象保持最少的了解，又叫最少知道原则（Least Knowledge Principle， LKP），尽量降低类与类之间的耦合。主要强调只和朋友说话，不和陌生人说话。出现在成员变量、方法输入、输出参数中的类都可以称之为成员朋友类，而出现在方法体内部的类不属于朋友类。

现在来设计一个权限系统，老板需要查看目前发布到线上的课程数量。这个老板找到项目负责人去进行统计，项目负责人再把统计结果告诉老板。来看一下代码示例：

Course类：

1 2	public class Course { }

TeamLeader类：

public class TeamLeader {
    public void checkNumberOfCourses(List<Course> courseList){
        System.out.println("目前已发布的课程数量是："+courseList.size());
    }
}

Boss类：

public class Boss {

    public void commandCheckNumber(TeamLeader teamLeader){
        //模拟 Boss 一页一页往下翻页，TeamLeader 实时统计
        List<Course> courseList = new ArrayList<Course>();
        for (int i= 0; i < 10 ;i ++){
            courseList.add(new Course());
        }
        teamLeader.checkNumberOfCourses(courseList);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Boss boss = new Boss();
        TeamLeader teamLeader = new TeamLeader();
        boss.commandCheckNumber(teamLeader);
    }
}

上面的代码根据迪米特原则，老板Boss只想要结果，不需要跟Course产生直接交流。而课程负责人统计要引用Course对象。Boss和Course并不是朋友，我们需要修改代码：

TeamLeader类：

public class TeamLeader {

    public void checkNumberOfCourses(){
        List<Course> courseList = new ArrayList<Course>();
        for(int i = 0 ;i < 10;i++){
            courseList.add(new Course());
        }
        System.out.println("目前已发布的课程数量是："+courseList.size());
    }

}

Boss类：

public class Boss {

    public void commandCheckNumber(TeamLeader teamLeader){
        teamLeader.checkNumberOfCourses();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Boss boss = new Boss();
        TeamLeader teamLeader = new TeamLeader();
        boss.commandCheckNumber(teamLeader);
    }
}

得到的：学习软件设计原则，千万不能形成强迫症。碰到业务复杂的场景，我们需要随机应变。

1.6 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）

里氏替换原则是指如果对每一个类型T1的对象o1,都有类型为T2的对象o2,使得以T1定义的所有程序P在所有的对象o1都替换成o2时，程序P的行为没有发生变化，那么类型T2是类型T1的子类型。

定义看上去还是比较抽象，可以理解为如果适应一个父类的话，那一定是适用于子类，所有的引用父类的地方必须能透明的使用子类的对象，子类对象能够替换父类对象，而程序逻辑不变。 总结一下：

引申含义：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。

1、子类可以实现父类的抽象方法，但不能覆盖父类的抽象方法；

2、子类中可以增加自己特有的方法；

3、当子类的方法覆盖父类的方法时，方法的前置条件（即方法的输入/入参）要比父类方法的输入参数更宽松；

4、当子类的方法实现父类的方法时（重写/重载或实现抽象方法），方法的后置条件（即方法的输出/返回值）要比父类更严格或者相等。

我们在开闭原则的代码案例中在获取折后时覆盖了父类的getPrice()方法，增加了一个获取优惠价格后的方法getOriginPrice(),显然就违背了里氏替换原则。接下来我们不覆盖getPrice()方法，增加getDiscountBook()方法：

public class ComputerDiscountBook extends ComputerBook {
    public ComputerDiscountBook(Integer id, String name, Double price) {
        super(id, name, price);
    }

    public Double getDiscountBook() {
        return super.getPrice() * 0.8;
    }
}

使用里氏替换原则有以下几个优点：

1、约束继承泛滥，开闭原则的一种体现；

2、加强程序的健壮性，同时变更时可以做到很好的兼容性，提高程序的维护性、扩展性。降低需求变更时引入的风险。

现在用正方形、矩形和四边形来说明里氏替换原则，我们都知道正方形是一个特殊的长方形，创建一个长方形父类Rectangle：

public class Rectangle {

    private long width;

    private long height;

    public long getWidth() {
        return width;
    }

    public void setWidth(long width) {
        this.width = width;
    }

    public long getHeight() {
        return height;
    }

    public void setHeight(long height) {
        this.height = height;
    }
}

创建正方形Square类继承Rectangle长方形类，

public class Square extends Rectangle {

    private long length;
    public long getLength() {
        return length;
    }
    public void setLength(long length) {
        this.length = length;
    }

    @Override
    public long getWidth() {
        return getLength();
    }
    @Override
    public long getHeight() {
        return getLength();
    }
    @Override
    public void setHeight(long height) {
        setLength(height);
    }
    @Override
    public void setWidth(long width) {
        setLength(width);
    }
}

在测试类中创建 resize()方法，根据逻辑长方形的宽应该大于等于高，我们让高一直自增，知道高等于宽变成正方形：

public static void resize(Rectangle rectangle){
        while (rectangle.getWidth() >= rectangle.getHeight()){
            rectangle.setHeight(rectangle.getHeight() + 1);
            System.out.println("width:"+rectangle.getWidth() + ",height:"+rectangle.getHeight());
        }
        System.out.println("resize 方法结束" +
                "\nwidth:"+rectangle.getWidth() + ",height:"+rectangle.getHeight());
}

测试代码：

 public static void main(String[] args) {
        Rectangle rectangle = new Rectangle();
        rectangle.setWidth(20);
        rectangle.setHeight(10);
        resize(rectangle);
}

运行结果：

修改代码把长方形Rectangle替换成它的子类正方形Square：

public static void main(String[] args) {
        Square square = new Square();
        square.setLength(10);
        resize(square);
}

这时候我们运行的时候就出现了死循环，违背了里氏替换原则，将父类替换为子类后，程序运行结果没有达到预期。因此，我们的代码设计是存在一定风险的。里氏替换原则只存在父类与子类之间，约束继承泛滥。再来创建一个基于长方形与正方形共同抽象的四边形Quadrangle接口：

public interface Quadrangle {
    
    long getWidth();
    
    long getHeight();
}

修改长方形 Rectangle 类：

public class Rectangle implements Quadrangle {

    private long height;
    private long width;
    @Override
    public long getWidth() {
        return width;
    }
    public long getHeight() {
        return height;
    }
    public void setHeight(long height) {
        this.height = height;
    }
    public void setWidth(long width) {
        this.width = width;
    }
}

修改正方形类 Square 类：

public class Square implements Quadrangle {

    private long length;
    public long getLength() {
        return length;
    }
    public void setLength(long length) {
        this.length = length;
    }
    @Override
    public long getWidth() {
        return length;
    }
    @Override
    public long getHeight() {
        return length;
    }
}

此时，如果我们把 resize()方法的参数换成四边形 Quadrangle类，方法内部就会报错。因为正方形 Square 已经没有了 setWidth()和 setHeight()方法了。因此，为了约束继承泛滥，resize()的方法参数只能用 Rectangle 长方形。

1.7 合成复用原则（Composite/Aggregate Reuse Principle，CARP）

合成复用原则是指尽量使用对象组合/聚和，而不是用继承关系达到对象复用的目的。这样可以使系统更加灵活，降低类与类之间的耦合度，一个类的变化对其它类造成的影响也较少。

继承又叫做白箱复用，相当于把所有的实现细节暴露给子类。组合/聚和也成为黑箱复用，对类以外的对象是无法获取到实现细节的。 需要根据具体的业务场景来设计代码，其实也要遵循OOP模型。这里以数据库操作为例，先创建DBConnection类：

public class DBConnection {

    public String getConnection(){
        return "MySQL 数据库连接";
    }
}

创建 ProductDao 类：

public class ProductDao {

    private DBConnection dbConnection;
    public void setDbConnection(DBConnection dbConnection) {
        this.dbConnection = dbConnection;
    }
    public void addProduct(){
        String conn = dbConnection.getConnection();
        System.out.println("使用"+conn+"增加产品");
    }
}

这就是非常典型的合成复用原则的应用场景。但是DBConnection还不是一种抽象，不便于系统扩展。目前系统只支持Mysql数据库连接，假设业务发生变化，数据库操作层要支持Oralce数据库。当然，可以在DBConnection中增加对Oracle数据库支持的方法。但是违背了开闭原则。我们可以不修改Dao的代码，将DBConnection改为abstract，代码如下：

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3

public abstract class DBConnection {
    public abstract String getConnection();
}

然后，将 MySQL 的逻辑抽离：

public class MySqlConnection extends DBConnection {
    @Override
    public String getConnection() {
        return "MySQL 数据库连接";
    }
}

再创建 Oracle 支持的逻辑：

public class OracleConnection extends DBConnection {
    @Override
    public String getConnection() {
        return "Oracle 数据库连接";
    }
}

二、设计原则总结

学习设计原则，学习设计模式的基础。在实际开发过程中，并不是所有的代码都要遵循设计原则。我们需要考虑人力、时间、成本、质量，不是刻意的追求完美，要在适当的场景下遵循设计原则，体现的是一种平衡的取舍，帮助我们设计出更加优美的代码结构。

来一杯咖啡

互联网技术无边界，学习与交流

架构师内功心法，软件架构设计的七大原则精选案例

一、软件架构设计的七大原则简介

1.1 开闭原则（Open-Closed Principle，OCP）

1.2 依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle，DIP）

1.3 单一职责原则（Simple Responsibility Principle，SRP）

1.4 接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）

1.5 迪米特法则（Law of Demeter, LoD）

1.6 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）

1.7 合成复用原则（Composite/Aggregate Reuse Principle，CARP）

二、设计原则总结

一、软件架构设计的七大原则简介

1.1 开闭原则（Open-Closed Principle，OCP）

1.2 依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle，DIP）

1.3 单一职责原则（Simple Responsibility Principle，SRP）

1.4 接口隔离原则 （Interface Segregation Principle，ISP）

1.5 迪米特法则（Law of Demeter, LoD）

1.6 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）

1.7 合成复用原则 （Composite/Aggregate Reuse Principle，CARP）

二、 设计原则总结

1.4 接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）

1.7 合成复用原则（Composite/Aggregate Reuse Principle，CARP）

二、设计原则总结