软件设计原则

软件设计主要关注如何设计一个高质量软件系统，使其满足用户需求，同时具有良好的可维护性、可扩展性、可重用性、可移植性等好的特性。其主要分为软件架构设计和详细设计两个阶段。本课程的主要关注面向对象（$\text{OO}$）。

面向对象过程主要分为几个阶段：面向对象分析并结合领域模型确立软件架构、面向对象设计和面向对象编程，即从高层设计向低层设计演进。

面向对象分析（OOA）、面向对象设计（OOD）和面向对象编程（OOP）

一般来说，后两者，即从面向对象设计到面向对象编程这一部分，相对较为简单，只是将设计的类和对象映射到编程语言中。而前两者之间的跨越则是一个较为复杂的过程，需要利用丰富的经验和熟练度来完成。这就需要长期的实践和积累。

从分析到设计的过程几乎等同于“魔法”

为了有助于软件设计的工程化，在长期的实践和积累中，人们总结出了一些软件设计原则。利用这些原则，可以帮助我们更好的设计软件系统，提高软件系统的质量。

面向对象设计原则概述

知名软件大师 $\text{Robert C. Martin}$ 认为，一个可维护性较低的软件设计，通常有以下弊病：过于僵硬、过于脆弱、复用率低、粘度过高（即添加新内容很困难）。总结地讲，面向对象的设计原则主要就是软件的高可维护性和高可复用性。软件的可维护性是指软件在发布后，能够被有效地修改、更新、修复和扩展的难易程度。可维护性高的软件能够快速适应新的需求、修复错误，并且不会引入新的问题。软件的可复用性是指软件组件（如代码、模块、库、框架等）能够在不同项目或系统中被重复使用的程度。可复用性高的组件能够减少开发时间、提高开发效率，并降低开发成本。遵循这一主要原则，我们可以提高软件开发的效率，减少成本；同时提升软件质量。此外，恰当的可复用性还可以改善系统的可维护性。

基于这一出发点，人们总结出了一些面向对象设计原则。这些原则并不是孤立存在的，他们相互依赖，互相补充。

单一职责原则

定义 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到一个类中。

另一种定义 就一个类而言，应该仅有一个引起它变化的原因。

变化的原因

一个类中的变化指由于需求点的变化而引起的变化。如果一个类有多个引起它变化的原因，那么这个类就有多个职责。

一般来说，一个类承担的职责越多，那么它被复用的可能性越小。当职责过多时，其中的一个职责发生变化，可能会影响其他职责，导致系统的不稳定。另外，遵循单一职责原则也是实现高内聚、低耦合的指导方针。

职责

类的职责指类在面向对象编程中承担的功能和任务。一般来说，类的职责分为两种：

• 数据职责：负责存储数据，如类的属性。
• 行为职责：负责完成某种功能，如类的方法。

利用单一职责原则优化设计

开闭原则

定义 一个软件实体（类、模块、函数等）应该对扩展开放，对修改关闭。

开闭原则表示，在设计一个软件实体时，应该使其通过扩展来改变行为，而不是通过修改已有的代码来实现变化。开闭原则是抽象化的体现。

利用开闭原则优化设计

里氏替换原则

定义 如果对每一个类型为 $S$ 的对象 $O_1$，都有类型为 $T$ 的对象 $O_2$，使得以 $T$ 定义的所有程序 $P$ 在所有对象 $O_1$ 都代换成 $O_2$ 时，程序 $P$ 的行为没有发生变化，那么类型 $S$ 是类型 $T$ 的子类型。

另一种定义 所有引用基类（父类）的地方必能透明地使用其派生类（子类）的对象。

里氏替换原则（$\text{LSP}$）主要是说，软件中如果能使用基类对象，那么一定能够使用其子类对象，而且不会出现任何问题。这是面向对象设计中继承部分的基本原则之一。此外，里氏替换原则还是开闭原则的实现基础。一般在我们的设计时，尽量在类设计中使用基类（抽象类）等，在具体实现时再指定具体的子类。

利用 LSP 优化设计

依赖倒置原则

定义 高层模块不应该依赖于底层模块，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。

另一种定义 应当面向接口编程，而不是面向实现编程。

依赖倒转主要意为：代码要依赖抽象的类，而非具体的类。要针对接口或抽象类编程，而不是针对具体类编程。依赖倒转原则是实现开闭原则的重要手段。

利用依赖倒置原则优化设计

接口隔离原则

定义 客户端不应该依赖它不需要的接口。一旦一个接口过大，则需要将它分割成更细小的接口，使用该接口的客户端仅需知道与之相关的方法即可。

接口的说明

这里的接口不仅仅指 Java 中的 interface。主要指类对外提供的方法，即与外部交互的方法。

接口隔离原则是讲，应当使用多个专门的接口，而非单一的总接口。此外，接口只应将客户端需要的方法暴露出来，而隐藏不需要的具体实现。接口隔离原则其实是对单一职责原则的扩展，是单一指责原则在接口层面的体现。

利用接口隔离原则优化设计

合成复用原则

定义 尽量使用对象组合，而不是继承来达到复用的目的。

合成复用原则是指，在新的对象里通过关联关系（包括组合关系和聚合关系）来使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部分；新对象通过委派调用已有对象的方法达到复用已有对象的目的。这一可以减少继承带来的复杂性。继承是一种强耦合的关系，继承复用一般是静态的，不可在运行时发生改变，没有足够的的灵活性。而组合/聚合是一种弱耦合的关系，可以在运行时选择性地调用成员对象的操作，动态地改变对象的行为。

利用合成复用原则优化设计

迪米特法则

定义 每一个软件单位（类、模块、函数等）对其他的单位都只有最少的知识，而且局限于那些与本单位密切相关的软件单位。换句话说就是只与你的直接朋友通信。

迪米特法则的表述相对而言较为笼统，但它的核心思想就是降低软件单位（实体）之间通信的宽度和深度。这样，当一个单位发生修改时，就会尽可能地减少对其他单位的影响。

还有一种狭义的迪米特法则：如果两个类之间不必彼此直接通信，那么这两个类就不应当发生直接的相互作用。如果其中一个类需要调用另一个类的方法，可以通过第三者转发这个调用。此外，经常变化的类应当被封装起来，其他类应该调用封装好的类来进行通信。狭义的迪米特法则关注类之间的耦合，而广义的迪米特法则关注对信息隐藏的控制。

利用迪米特法则优化设计

指导性建议

迪米特法则提供了以下指导性建议：

• 在类的划分上，应当尽量创建松耦合的类，类之间的耦合度越低，就越有利于复用，一个处在松耦合中的类一旦被修改，不会对关联的类造成太大波及；
• 在类的结构设计上，每一个类都应当尽量降低其成员变量和成员函数的访问权限；
• 在类的设计上，只要有可能，一个类型应当设计成不变类；
• 在对其他类的引用上，一个对象对其他对象的引用应当降到最低。