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面向对象设计原则 - SOLID原则 (基于C++)

article 2025/1/30 14:38:32

SOLID 是面向对象编程中的一组五个设计原则，这些原则旨在帮助开发者创建更灵活、可维护和可扩展的软件系统。它们最初由 Robert C. Martin 提出，并在 2000 年左右被广泛接受。每个字母代表一个不同的原则：

单一职责原则 (Single Responsibility Principle, SRP)
开闭原则 (Open-Closed Principle, OCP)
里氏替换原则 (Liskov Substitution Principle, LSP)
接口隔离原则 (Interface Segregation Principle, ISP)
依赖反转原则 (Dependency Inversion Principle, DIP)

下面我们将逐一详细讲解每个原则，并通过 C++ 示例来说明如何应用这些原则。

1. 单一职责原则 (SRP)

定义: 一个类应该只有一个引起它变化的原因，即一个类只负责一项功能或职责。

解释: 如果一个类承担了太多的责任，那么当需求发生变化时，这个类可能会因为多个原因而需要修改，这样会增加代码的复杂性和维护难度。因此，我们应该将不同的职责分配给不同的类。

示例:

// 错误示例：违反了单一职责原则
class User {
public:
    void registerUser() {
        // 注册用户逻辑
    }

    void sendEmail() {
        // 发送邮件逻辑
    }
};

// 正确示例：符合单一职责原则
class UserRegistration {
public:
    void registerUser() {
        // 注册用户逻辑
    }
};

class EmailSender {
public:
    void sendEmail() {
        // 发送邮件逻辑
    }
};

2. 开闭原则 (OCP)

定义: 软件实体（类、模块、函数等）应该对扩展开放，对修改关闭。

解释: 这意味着我们应该能够通过添加新的功能来扩展现有代码的行为，而不需要修改已有的代码。这可以通过使用继承、多态等方式来实现。

示例:

// 错误示例：违反了开闭原则
class Shape {
public:
    virtual double area() = 0;
};

class Circle : public Shape {
public:
    double radius;
    double area() override {
        return 3.14 * radius * radius;
    }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    double width, height;
    double area() override {
        return width * height;
    }
};

void printArea(Shape* shape) {
    std::cout << "Area: " << shape->area() << std::endl;
}

// 添加新形状时需要修改已有代码
class Triangle : public Shape {
public:
    double base, height;
    double area() override {
        return 0.5 * base * height;
    }
};

// 正确示例：符合开闭原则
void printArea(Shape* shape) {
    std::cout << "Area: " << shape->area() << std::endl;
}

3. 里氏替换原则 (LSP)

定义: 子类必须能够替换其基类而不影响程序的正确性。

解释: 这意味着子类应该能够在不改变程序行为的前提下，替代父类出现的地方。如果子类改变了父类的行为，可能会导致程序产生意想不到的结果。

示例:

// 错误示例：违反了里氏替换原则
class Rectangle {
public:
    virtual void setWidth(double w) { width = w; }
    virtual void setHeight(double h) { height = h; }
protected:
    double width, height;
};

class Square : public Rectangle {
public:
    void setWidth(double w) override {
        width = height = w;
    }

    void setHeight(double h) override {
        width = height = h;
    }
};

void test(Rectangle* r) {
    r->setWidth(5);
    r->setHeight(10);
    std::cout << "Expected area: 50, Actual area: " << r->getWidth() * r->getHeight() << std::endl;
}

// 正确示例：符合里氏替换原则
// 应该重新设计Square类，使其不违背LSP

4. 接口隔离原则 (ISP)

定义: 客户端不应该被迫依赖于它们不使用的接口。

解释: 这意味着我们不应该将多个无关的功能打包到一个接口中，而是应该将它们拆分为多个小的、专注的接口。这样可以避免客户端被迫实现不必要的方法。

示例:

// 错误示例：违反了接口隔离原则
class MultiFunctionPrinter : public IPrinter, IScanner, IFax {
    // 实现所有功能
};

// 正确示例：符合接口隔离原则
class IPrinter {
public:
    virtual void print() = 0;
};

class IScanner {
public:
    virtual void scan() = 0;
};

class IFax {
public:
    virtual void fax() = 0;
};

class SimplePrinter : public IPrinter {
public:
    void print() override {
        // 打印逻辑
    }
};

class AdvancedPrinter : public IPrinter, IScanner, IFax {
public:
    void print() override {
        // 打印逻辑
    }

    void scan() override {
        // 扫描逻辑
    }

    void fax() override {
        // 传真逻辑
    }
};

5. 依赖反转原则 (DIP)

定义: 高层模块不应该依赖于低层模块，两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。

解释: 这意味着我们应该尽量避免直接依赖具体的实现类，而是通过接口或抽象类来建立依赖关系。这样可以提高代码的灵活性和可测试性。

示例:

// 错误示例：违反了依赖反转原则
class Database {
public:
    void connect() {
        // 数据库连接逻辑
    }
};

class UserService {
private:
    Database db;

public:
    void addUser() {
        db.connect();
        // 添加用户逻辑
    }
};

// 正确示例：符合依赖反转原则
class IDatabase {
public:
    virtual void connect() = 0;
};

class Database : public IDatabase {
public:
    void connect() override {
        // 数据库连接逻辑
    }
};

class MockDatabase : public IDatabase {
public:
    void connect() override {
        // 模拟数据库连接逻辑
    }
};

class UserService {
private:
    IDatabase* db;

public:
    UserService(IDatabase* db) : db(db) {}

    void addUser() {
        db->connect();
        // 添加用户逻辑
    }
};