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面向对象设计的五大原则（SOLID 原则）

article 2024/11/15 9:59:46

面向对象设计的五大原则（SOLID 原则）是指导我们设计可维护、灵活且易扩展的面向对象系统的核心准则。这些原则帮助开发者避免常见的设计陷阱，使代码更具可读性和可维护性。

0.设计原则和设计模式的关系

设计原则（Design Principles）指的是抽象性比较高、编程都应该遵守的原则，对应的设计模式（Design Pattens）是解决具体场景下特定问题的套路，这里要对两个概念进行区分。换句话说，设计模式要遵循设计原则。

1. 单一职责原则（SRP - Single Responsibility Principle）

定义：一个类应该只有一个引起它变化的原因，即一个类只负责一个功能或职责。

示例：
假设我们有一个类负责处理用户信息，同时负责生成用户报告。这样当用户信息或报告格式发生变化时，都会影响到同一个类，违背了 SRP。

class User {
    String name;
    String email;

    public void saveUser() {
        // 保存用户信息到数据库
    }

    public void generateUserReport() {
        // 生成用户报告
    }
}

改进：将用户管理和报告生成拆分为两个类。

class User {
    String name;
    String email;

    public void saveUser() {
        // 保存用户信息到数据库
    }
}

class UserReportGenerator {
    public void generateUserReport(User user) {
        // 生成用户报告
    }
}

这样，如果用户管理和报告生成的逻辑变更，它们只会影响各自相关的类。

2. 开放封闭原则（OCP - Open/Closed Principle）

定义：软件实体（类、模块、函数等）应该对扩展开放，对修改封闭。即当系统需求变化时，应该通过扩展类的行为，而不是修改已有的类来实现。

示例：
假设我们有一个用于处理图形的类，包含绘制不同图形的逻辑。

class GraphicEditor {
    public void drawShape(Shape s) {
        if (s instanceof Circle) {
            drawCircle((Circle) s);
        } else if (s instanceof Square) {
            drawSquare((Square) s);
        }
    }

    private void drawCircle(Circle c) {
        // 绘制圆形
    }

    private void drawSquare(Square s) {
        // 绘制方形
    }
}

如果需要支持绘制新形状，例如三角形，就需要修改 drawShape 方法，违反了 OCP。

改进：通过抽象类或接口实现扩展性。

abstract class Shape {
    public abstract void draw();
}

class Circle extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        // 绘制圆形
    }
}

class Square extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        // 绘制方形
    }
}

class GraphicEditor {
    public void drawShape(Shape s) {
        s.draw();
    }
}

现在如果要支持新形状，只需要添加新类，而不需要修改已有代码。

3. 里氏替换原则（LSP - Liskov Substitution Principle）

定义：子类对象必须能够替换其父类对象，程序的行为应该保持不变。即子类应当完整实现父类的行为，而不应违背父类的契约。

示例：
假设我们有一个 Rectangle（矩形）类，后来引入了 Square（正方形）作为它的子类。

class Rectangle {
    protected int width;
    protected int height;

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

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

class Square extends Rectangle {
    @Override
    public void setWidth(int width) {
        this.width = width;
        this.height = width; // 正方形的宽和高必须相等
    }

    @Override
    public void setHeight(int height) {
        this.height = height;
        this.width = height; // 正方形的宽和高必须相等
    }
}

虽然 Square 是 Rectangle 的子类，但由于 Square 违反了矩形的宽高独立性，它无法正确替换 Rectangle。

改进：避免继承错误的层次关系。

class Rectangle {
    protected int width;
    protected int height;

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

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

class Square {
    private int sideLength;

    public void setSideLength(int sideLength) {
        this.sideLength = sideLength;
    }
}

正方形和矩形应该是独立的类，不应通过继承关系来实现。

4. 接口隔离原则（ISP - Interface Segregation Principle）

定义：一个类不应该依赖于它不需要的接口。即接口应该尽量小而精简，不要强迫实现类去实现无关的方法。

示例：
假设有一个大型接口 Worker，它定义了很多不同类型工人的职责。

interface Worker {
    void work();
    void eat();
}

class Developer implements Worker {
    @Override
    public void work() {
        // 开发代码
    }

    @Override
    public void eat() {
        // 吃午餐
    }
}

class Robot implements Worker {
    @Override
    public void work() {
        // 执行任务
    }

    @Override
    public void eat() {
        // 机器人不需要吃饭
    }
}

Robot 需要实现 eat 方法，但实际上并不需要这个功能，违反了 ISP。

改进：将接口分割成多个小接口。

interface Workable {
    void work();
}

interface Eatable {
    void eat();
}

class Developer implements Workable, Eatable {
    @Override
    public void work() {
        // 开发代码
    }

    @Override
    public void eat() {
        // 吃午餐
    }
}

class Robot implements Workable {
    @Override
    public void work() {
        // 执行任务
    }
}

现在 Robot 只需实现 Workable 接口，不再被迫实现与自己无关的功能。

5. 依赖倒置原则（DIP - Dependency Inversion Principle）

定义：高层模块不应该依赖于低层模块，二者都应该依赖于抽象。换句话说，依赖于抽象，而不是具体实现。

示例：
假设我们有一个 Developer 类，它依赖于具体的 BackendDeveloper 和 FrontendDeveloper 类。

class BackendDeveloper {
    public void writeJava() {
        // 编写 Java 代码
    }
}

class FrontendDeveloper {
    public void writeJavaScript() {
        // 编写 JavaScript 代码
    }
}

class Project {
    private BackendDeveloper backendDeveloper = new BackendDeveloper();
    private FrontendDeveloper frontendDeveloper = new FrontendDeveloper();

    public void implement() {
        backendDeveloper.writeJava();
        frontendDeveloper.writeJavaScript();
    }
}

Project 类直接依赖于具体的开发者实现类，违反了 DIP。

改进：通过抽象接口进行依赖倒置。

interface Developer {
    void writeCode();
}

class BackendDeveloper implements Developer {
    @Override
    public void writeCode() {
        // 编写 Java 代码
    }
}

class FrontendDeveloper implements Developer {
    @Override
    public void writeCode() {
        // 编写 JavaScript 代码
    }
}

class Project {
    private List<Developer> developers;

    public Project(List<Developer> developers) {
        this.developers = developers;
    }

    public void implement() {
        for (Developer developer : developers) {
            developer.writeCode();
        }
    }
}