面对对象七大设计原则(场景分析、java代码实现）

引言

软件的可维护性：是指软件能够被理解、改正、适应及扩展的难易程度。
软件的可复用性 ：是指软件能够被重复使用的难易程度。

面向对象设计原则为支持可维护性复用而诞生，这些原则蕴含在很多设计模式中，它们是从许多设计方案中总结出的指导性原则。

最常见的7种面向对象设计原则定义如下表所示：

js/
uml类图示例：

在这里插入图片描述

本文代码部分，为了简写，为了主要体现设计原则之间类的结构，有些底层方法对象如sql的connection、lisdt等统一用string

一、开闭原则((Open-Closed Principle, OCP)

开闭原则是面对对象的可复用的第一块基石，他是最重要的面对对象设计原则。
开闭原则就是软件实体应尽量在不修改原有代码的情况下进行扩展。

场景

任何软件都需要面临一个很重要的问题，即它们的需求会随时间的推移而发生变化。当软件系统需要面对新的需求时，我们应该尽量保证系统的设计框架是稳定的。如果一个软件设计符合开闭原则，那么可以非常方便地对系统进行扩展，而且在扩展时无须修改现有代码，使得软件系统在拥有适应性和灵活性的同时具备较好的稳定性和延续性。随着软件规模越来越大，软件寿命越来越长，软件维护成本越来越高，设计满足开闭原则的软件系统也变得越来越重要。

实现

为了满足开闭原则，需要对系统进行抽象化设计，抽象化是开闭原则的关键。
在很多面向对象编程语言中都提供了接口、抽象类等机制。就可以为系统增加一个稳定的抽象层。，而将不同的实现行为移至具体的实现层中完成。如果需要修改系统的行为，无须对抽象层进行任何改动，只需要增加新的具体类来实现新的业务功能即可，在不修改已有代码的基础上扩展系统的功能，达到开闭原则的要求。

二、单一职责原则（Single Responsibility Principle,SRP)

单一职责原则是最简单的面对对象设计原则，它用于控制类的粒度大小。
是实现高内聚、低耦合的指导方针。

场景

Sunny软件公司开发人员针对某CRM（Customer Relationship Management，客户关系管理）系统中客户信息图形统计模块提出了如图1所示初始设计方案：

在图中，CustomerDataChart类中的方法说明如下：getConnection()方法用于连接数据库， findCustomers()用于查询所有的客户信息，createChart()用于创建图表，displayChart() 用于显示图表。

代码：

public class CustomerDataChart {

    public String getConnection() {
        return "获取sql连接成功....";
    }

    public String findCustomers() {
        return "查询所有客户信息如下...";
    }

    public void creatChart() {
        System.out.println("创建图表成功....");
    }

    public void displayChart(){
        System.out.println("展现图标成功....");
    }
}

场景深入

CustomerDataChart类承担了太多的职责。

：如果其他类需要连接数据库，那么getConnection()这个方法难以得到复用。
：无论是要修改连接数据库的方法或者是修改创建图表的方法。都要修改这个类。导致这个类拥有不止一个引起它变化的原因。

场景改造

利用单一职责原则重构后的结构：

DBUtil：负责连接数据库，包含数据库连接方法getConnection()；
CustomerDAO：负责操作数据库中的Customer表，包含对Customer表的增删改查等方法，如 findCustomers()；
CustomerDataChart：负责图表的生成和显示，包含方法createChart()和 displayChart()。

代码：

DBUtil类:

public class DBUtil {
    public String getConnection(){
        return "获取sql数据库连接...";
    }
}

CustomerDataChart类

@Data
public class CustomerDataChart {
    CustomerDAO dao;

    public void creatChart() {
        System.out.println("创建图表成功....");
    }

    public void displayChart(){
        System.out.println("展现图标成功....");
    }
}

CustomerDAO类：

@Data
public class CustomerDAO {
    public DBUtil util;

    public CustomerDAO(DBUtil util) {
        this.util = util;
    }

    public String findCustomers(){
        return "查询所有客户信息如下...";
    }
}

三、里氏代换原则（(Liskov Substitution Principle, LSP）

里氏代换原则告诉我们，在软件中将一个基类对象替换成它的子类对象，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对象的话，那么它不一定能够使用基类对象。
例如：我喜欢动物，那我一定喜欢狗，因为狗是动物的子类；但是我喜欢狗，不能据此断定我喜欢动物，因为我并不喜欢老鼠，虽然它也是动物。
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。
里氏代换原则是继承复用的基石。只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不会受到影响时，基类才能真正的被复用，而衍生类也才能够在基类的基础上增加新的行为。

注意点：
1、子类的所有方法必须在父类中声明，或子类必须实现父类中声明的所有方法。

根据里氏代换原则，为了保证系统的扩展性，在程序中通常使用父类来进行定义，如果一个方法只存在子类中，在父类中不提供相应的声明，则无法在以父类定义的对象中使用该方法。

2、我们在运用里氏代换原则时，尽量把父类设计为抽象类或者接口，让子类继承父类或实现父接口，并实现在父类中声明的方法。

运行时，子类实例替换父类实例，我们可以很方便地扩展系统的功能，同时无须修改原有子类的代码，增加新的功能可以通过增加一个新的子类来实现。里氏代换原则是开闭原则的具体实现手段之一。

3、 Java语言中，在编译阶段，Java编译器会检查一个程序是否符合里氏代换原则，这是一个与实现无关的、纯语法意义上的检查，但Java编译器的检查是有局限的。（例如商业业务逻辑）。

场景

在Sunny软件公司开发的CRM系统中，客户(Customer)可以分为VIP客户(VIPCustomer)和普通客户(CommonCustomer)两类，系统需要提供一个发送Email的功能，且VIP与普通客户发送邮件的过程相同，原始设计方案如图所示：

代码：

为了更好区分普通用户与VIP用户在原有类中增加TYPE类型。

EmailSender类：

public class EmailSender {
    public void send(CommonCustomer commonCustomer){
        System.out.println("发送了一条邮件......");
    }
    public void send(VIPCustommer vipCustommer){
        System.out.println("发送了一条邮件......");
    }
}

CommonCustomer类：

public class CommonCustomer {
    private String name;
    private String email;
    private final String TYPE = "COMMON";
    
    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getEmail() {
        return email;
    }

    public void setEmail(String email) {
        this.email = email;
    }
}

VIPCustommer类：

public class VIPCustommer {
    private String name;
    private String email;
	private final String TYPE = "VIP";
	
    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getEmail() {
        return email;
    }

    public void setEmail(String email) {
        this.email = email;
    }
}

场景深入

发送邮件的过程都是相同的，也就是说两个send()方法中的代码重复，代码的复用性不高。
而且在本系统中如果得增加新的用户类型，则要去修改源码EmailSender,违反了开闭原则。

场景改造

可以考虑增加一个新的抽象客户类Customer，而将CommonCustomer和VIPCustomer 类作为其子类，邮件发送类EmailSender类针对抽象客户类Customer编程，根据里氏代换原则，能够接受基类对象的地方必然能够接受子类对象，因此将EmailSender中的send()方法的参数类型改为Customer对象，如果需要增加新类型的客户，只需将其作为Customer类的子类即可。

public class CommonCustomer extends Customer{
    private final String TYPE = "COMMON";
    public String getTYPE() {
        return TYPE;
    }
}

public class VIPCustommer extends Customer{
    private final String TYPE = "VIP";

    public String getTYPE() {
        return TYPE;
    }
}

public class EmailSender {
    public void send(Customer customer){
        System.out.println("发送了一条邮件......");
    }
}

public class Customer {
    private String name;
    private String email;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getEmail() {
        return email;
    }

    public void setEmail(String email) {
        this.email = email;
    }

}

四、依赖倒转原则(Dependency Inversion Principle, DIP)

如果说开闭原则是面对对象设计的目标，那么依赖倒转原则就是面对对象设计的主要实现机制之一，它是系统抽象化的具体实现。
依赖倒转原则要求针对接口编程，不要针对实现编程。即实现依赖倒转原则需要对而将具体类的对象通过依赖注入 (DependencyInjection, DI)的方式注入到其他对象中。
（依赖注入是指当一个对象要与其他对象发生依赖关系时，通过抽象来注入所依赖的对象。常用的注入方式有三种，分别是：构造注入，设值注入（Setter注入）和接口注入。）

场景：

Sunny软件公司开发人员在开发某CRM系统时发现：该系统经常需要将存储在TXT或Excel文件中的客户信息转存到数据库中，因此需要进行数据格式转换。在客户数据操作类中将调用数据格式转换类的方法实现格式转换和数据库插入操作，初始设计方案结构如图所示：

代码：

public class CustomerDAO {
    public void addCustomers(){
        // 转化的数据类型为Excel
        ExcelDataConvertor.readFile();
    }
}

public static void readFile(){
        System.out.println("转换Excel数据.......");
    }

public class TXTDataConvertor {
    public static void readFile(){
        System.out.println("转换TXT数据.......");
    }
}

场景深入

由于每次转换数据时数据来源不一定相同，因此需要更换数据转换类，如有时候需要将 TXTDataConvertor改为ExcelDataConvertor，此时，需要修改CustomerDAO的源代码，而且在引入并使用新的数据转换类时也不得不修改CustomerDAO的源代码，违反了开闭原则。

场景实现

由于CustomerDAO针对具体数据转换类编程，因此在增加新的数据转换类或者更换数据转换类时都不得不修改CustomerDAO的源代码。我们可以通过引入抽象数据转换类解决该问题，在引入抽象数据转换类DataConvertor之后，CustomerDAO针对抽象类DataConvertor编程，而将具体数据转换类名存储在配置文件中，符合依赖倒转原则。

在上述重构过程中，我们使用了开闭原则、里氏代换原则和依赖倒转原则，在大多数情况下，这三个设计原则会同时出现，开闭原则是目标，里氏代换原则是基础，依赖倒转原则是手段，它们相辅相成，相互补充，目标一致，只是分析问题时所站角度不同而已。

代码：

配置文件

data.class=com.example.edu.entity.DIP.ExcelDataConvertor
#data.class=com.example.edu.entity.DIP.TXTDataConvertor

实体类部分：

@Slf4j
@Repository
public class CustomerDAO {

    // 通过配置文件中的属性注入
    @Value("${data.class}")
    private  String tempClass;

    public String getTempClass() {
        return tempClass;
    }

    public void addCustomers(){
        System.out.println(tempClass);
        // 转化的数据类型为Excel
        try {

            Class<?> classType=Class.forName(tempClass);
            try {
                DataConvertor dataConvertor = (DataConvertor) classType.newInstance();
                dataConvertor.readFile();
            } catch (InstantiationException | IllegalAccessException e) {
                log.debug("方法或构造器没有权限");
                e.printStackTrace();
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            log.debug("相应的类未找到");
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public abstract class DataConvertor {
    abstract  void readFile();
}

public class ExcelDataConvertor extends DataConvertor{
    public  void readFile(){
        System.out.println("转换Excel数据.......");
    }
}

public class TXTDataConvertor  extends DataConvertor{
    public  void readFile(){
        System.out.println("转换TXT数据.......");
    }
}

	@Test
    public void DIPTest(){
        customerDAO.addCustomers();
    }

输出结果：
在这里插入图片描述

五、接口隔离原则(Interface Segregation Principle, 0)

根据接口隔离原则，当一个接口太大时，我们需要将它分割成一些更细小的接口，使用该接口的客户端仅需知道与之相关的方法即可。

这里的“接口”往往有两种不同的含义：一种是指一个类型所具有的方法特征的集合，仅仅是一种逻辑上的抽象；
另外一种是指某种语言具体的“接口”定义，有严格的定义和结构，比如Java 语言中的interface。

对于这两种含义，一般ISP有不同的解释：

当把“接口”理解成一个类型所提供的所有方法特征的集合的时候，这就是一种逻辑上的概念，接口的划分将直接带来类型的划分。可以把接口理解成角色，一个接口只能代表一个角色，每个角色都有它特定的一个接口，此时，这个原则可以叫做“角色隔离原则”。
在面向对象编程语言中，实现一个接口就需要实现该接口中定义的所有方法，因此大的总接口使用起来不一定很方便，为了使接口的职责单一，需要将大接口中的方法根据其职责不同分别放在不同的小接口中，以确保每个接口使用起来都较为方便，并都承担某一单一角色。接口应该尽量细化，同时接口中的方法应该尽量少，每个接口中只包含一个客户端（如子模块或业务逻辑类）所需的方法即可，这种机制也称为“定制服务”，即为不同的客户端提供宽窄不同的接口。

场景

Sunny软件公司开发人员针对某CRM系统的客户数据显示模块设计了如图1所示接口，其中方法 dataRead()用于从文件中读取数据，方法transformToXML()用于将数据转换成XML格式，方法 createChart()用于创建图表，方法displayChart()用于显示图表，方法createReport()用于创建文字报表，方法displayReport()用于显示文字报表。

因为客户端只是需求端无实际部分就略过代码部分

代码：
定制接口类：

public class ConcreteClass implements CustomerDataDisplay {
    @Override
    public void dataRead() {
        System.out.println("从文件中读取数据...");
    }

    @Override
    public void transformToXML() {
        System.out.println("将数据转化成XML...");
    }

    @Override
    public void createChart() {
        System.out.println("创建图标...");
    }

    @Override
    public void displayChart() {
        System.out.println("创建图表...");
    }

    @Override
    public void displayReport() {
        System.out.println("显示文字报表...");
    }

    @Override
    public void createReport() {
        System.out.println("创建文字报表...");
    }

}

接口类：

public interface CustomerDataDisplay {
    void dataRead();
    void transformToXML();
    void createChart();
    void displayChart();
    void createReport();
    void displayReport();
}

场景深入

在实际使用过程中该接口很不灵活，例如如果一个具体的数据显示类无须进行数据转换（源文件本身就是XML格式），但由于实现了该接口，将不得不实现其中声明的transformToXML()方法（至少需要提供一个空实现）；
如果需要创建和显示图表，除了需实现与图表相关的方法外，还需要实现创建和显示文字报表的方法，否则程序编译时将报错。

场景改造

由于在接口CustomerDataDisplay中定义了太多方法，即该接口承担了太多职责，一方面导致该接口的实现类很庞大，在不同的实现类中都不得不实现接口中定义的所有方法，灵活性较差，如果出现大量的空方法，将导致系统中产生大量的无用代码，影响代码质量；

另一方面由于客户端针对大接口编程，将在一定程序上破坏程序的封装性，客户端看到了不应该看到的方法，没有为客户端定制接口。因此需要将该接口按照接口隔离原则和单一职责原则进行重构，将其中的一些方法封装在不同的小接口中，确保每一个接口使用起来都较为方便，并都承担某一单一角色，每个接口中只包含一个客户端（如模块或类）所需的方法即可。

代码：
拆分后的接口类：

public interface ChartHander {
    void createChart();
    void displayChart();
}

public interface DataHandler {
    void dataRead();

}
public interface ReportHandler {
    void createReport();
    void displayReport();
}
public interface XMLTransformer {
    void transformToXML();
}

定制接口：

public class ConcreteClass implements DataHandler , ChartHander {
    @Override
    public void dataRead() {
        System.out.println("从文件中读取数据...");
    }

    @Override
    public void createChart() {
        System.out.println("创建图标...");
    }

    @Override
    public void displayChart() {
        System.out.println("创建图表...");
    }

}

六、合成复用原则(Composition/Aggregate Reuse Principle, CARP)

合成复用原则就是在一个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功能的目的。
简言之：复用时要尽量使用组合/聚合关系（关联关系），少用继承。

在面向对象设计中，可以通过两种方法在不同的环境中复用已有的设计和实现，即通过组合/聚合关系或通过继承。
但首先应该考虑使用组合/聚合，组合/聚合可以使系统更加灵活，降低类与类之间的耦合度，一个类的变化对其他类造成的影响相对较少；其次才考虑继承，在使用继承时，需要严格遵循里氏代换原则，有效使用继承会有助于对问题的理解，降低复杂度，而滥用继承反而会增加系统构建和维护的难度以及系统的复杂度，因此需要慎重使用继承复用。

场景

Sunny软件公司开发人员在初期的CRM系统设计中，考虑到客户数量不多，系统采用MySQL作为数据库，与数据库操作有关的类如CustomerDAO类等都需要连接数据库，连接数据库的方法 getConnection()封装在DBUtil类中，由于需要重用DBUtil类的getConnection()方法，设计人员将CustomerDAO作为DBUtil类的子类，初始设计方案结构如图所示：

代码：

public class CustomerDAO extends DBUtil{
    void addCustomer(){
        super.getConnection();
        System.out.println("增加一个客户对象...");
    }
}
public class DBUtil {
    public String getConnection(){
        return "获取连接...";
    }
}

场景深入

随着客户数量的增加，系统决定升级为Oracle数据库，因此需要增加一个新的OracleDBUtil类来连接Oracle数据库，由于在初始设计方案中CustomerDAO和DBUtil之间是继承关系，因此在更换数据库连接方式时需要修改CustomerDAO类的源代码，将CustomerDAO作为OracleDBUtil的子类，这将违反开闭原则。

场景改造

在图中，CustomerDAO和DBUtil之间的关系由继承关系变为关联关系，采用依赖注入的方式将 DBUtil对象注入到CustomerDAO中，可以使用构造注入，也可以使用Setter注入。如果需要对 DBUtil的功能进行扩展，可以通过其子类来实现，如通过子类OracleDBUtil来连接Oracle数据库。由于CustomerDAO针对DBUtil编程，根据里氏代换原则，DBUtil子类的对象可以覆盖DBUtil 对象，只需在CustomerDAO中注入子类对象即可使用子类所扩展的方法。例如在CustomerDAO中注入OracleDBUtil对象，即可实现Oracle数据库连接，原有代码无须进行修改，而且还可以很灵活地增加新的数据库连接方式。

代码：

public class CustomerDAO extends DBUtil{
    private DBUtil util;

    public CustomerDAO(DBUtil util) {
        this.util = util;
    }

    public  void addCustomer(){
        System.out.println(util.getConnection());

    }
}

public class DBUtil {
     String getConnection(){
        return "获取连接...";
    }
}

public class OracleDBUtil extends DBUtil{
    @Override
    String getConnection() {
        return "获取Oracle连接..，";
    }
}

测试类：

	@Test
    public void CARP(){
        CustomerDAO customerDAO = new CustomerDAO(new OracleDBUtil());
        customerDAO.addCustomer();
    }

输出结果：
在这里插入图片描述

七、迪米特法则(最少知识原则 LeastKnowledge Principle, LKP）

如果一个系统符合迪米特法则，那么当其中某一个模块发生修改时，就会尽量少地影响其他模块，扩展会相对容易，这是对软件实体之间通信的限制，迪米特法则要求限制软件实体之间通信的宽度和深度。迪米特法则可降低系统的耦合度，使类与类之间保持松散的耦合关系.

迪米特法则还有几种定义形式，包括：不要和“陌生人”说话、只与你的直接朋友通信等，在迪米特法则中，对于一个对象，其朋友包括以下几类：
(1) 当前对象本身(this)；
(2) 以参数形式传入到当前对象方法中的对象；
(3) 当前对象的成员对象；
(4) 如果当前对象的成员对象是一个集合，那么集合中的元素也都是朋友；
(5) 当前对象所创建的对象。

任何一个对象，如果满足上面的条件之一，就是当前对象的“朋友”，否则就是“陌生人”。在应用迪米特法则时，一个对象只能与直接朋友发生交互，不要与“陌生人”发生直接交互，这样做可以降低系统的耦合度，一个对象的改变不会给太多其他对象带来影响。

场景

Sunny软件公司所开发CRM系统包含很多业务操作窗口，在这些窗口中，某些界面控件之间存在复杂的交互关系，一个控件事件的触发将导致多个其他界面控件产生响应，例如，当一个按钮(Button) 被单击时，对应的列表框(List)、组合框(ComboBox)、文本框(TextBox)、文本标签(Label)等都将发生改变，在初始设计方案中，界面控件之间的交互关系可简化为如图所示结构：

代码：
各个组件类：

public class Button {
    public static void clickAction(){
        System.out.println("点击触发按钮...");
        ListEntity.clickAction();
        Label.clickAction();
        ComboBox.clickAction();
        TextBox.clickAction();
    }
}

public class ComboBox {
    public static void clickAction(){
        System.out.println("触发组合框...");
    }
}

public class Label {
    public static void clickAction(){
        System.out.println("触发标签...");
    }
}
public class ListEntity {
    public static void clickAction(){
        System.out.println("触发列表...");
    }
}

public class TextBox {
    public static void clickAction(){
        System.out.println("触发文本框...");
    }
}

测试类：

	@Test
    public void ButtonTest(){
        Button.clickAction();
    }

输出结果：
在这里插入图片描述

场景深入

在图中，由于界面控件之间的交互关系复杂，导致在该窗口中增加新的界面控件时需要修改与之交互的其他控件的源代码，系统扩展性较差，也不便于增加和删除新控件。

场景改造

在本实例中，可以通过引入一个专门用于控制界面控件交互的中间类(Mediator)来降低界面控件之间的耦合度。引入中间类之后，界面控件之间不再发生直接引用，而是将请求先转发给中间类，再由中间类来完成对其他控件的调用。当需要增加或删除新的控件时，只需修改中间类即可，无须修改新增控件或已有控件的源代码，重构后结构如图所示：

代码：
重构后的按钮类：

public class Button {
    public static void clickAction(){
        System.out.println("点击触发按钮...");
    }
}

中间控制类：

public class Mediator {
    public void actionButton(){
        Button.clickAction();
    }

    public void actionList(){
        ListEntity.clickAction();
    }

    public void actionComboBox(){
        ComboBox.clickAction();
    }
    public void actionLabel(){
        ComboBox.clickAction();
    }
    public void actionTextBox(){
        TextBox.clickAction();
    }
}

此时组件控制都由中间类完成

参考资料

《java设计模式》 -刘伟