读书笔记《道法自然--面向对象时间指南》第七章

FISHGUI项目进入到面向对象设计的阶段了，面向对象设计阶段做些什么东西呢？有没有一
些基本原则？又有哪些需要注意的问题呢？

概括的讲，面向对象设计就是对分析模型的细化，在“分析模型”一章也强调过，面向对象设
计是以面向分析阶段的分析模型作为输入，通过对分析模型中所有对象和类的分析，明确对
象的属性和操作，制定属性的类型特征，补全对象之间的关系，并在不断细化的基础上，把
分析模型转化成详细描述如何解决问题、如何实现软件系统的对象模型。具体地说，面向对
象设计工作包括以下几个主要的工作步骤：
（1）细化和重组类；
（2）细化和实现类间关系，明确其可见性；
（3）增加遗漏的属性，制定属性的类型和可见性；
（4）分配职责，定义执行每个职责的方法；
（5）对消息驱动的系统，明确消息传递方式；
（6）利用设计模式进行局部设计；
（7）画出详细的顺序图或协作图。

书中的CPU难题，说明类可以通过继承无限度的细分下去。无限度的划分，肯定不是正确的
方法，继承不能滥用，在使用继承的时候应该考虑以下的情况：
· 首先，必须基于需求来确定继承的粒度。如果提取对象的某一个共性对于我们要解决
的问题没有任何帮助，或只有很小的帮助，那就没有必要因为提取该共性而增加继承树
的复杂程度。
· 其次，对象的某些共性更适合于用属性而不是用新的基类和派生类来表达。例如，CP
U的一级缓存和二级缓存只是简单的数量值，用一个属性来表达非常方便，将其作为共
性来归纳、抽象成类反而会造成派生类的数目无限增长的麻烦。
· 最后，程序员要清楚，利用类和对象来模拟现实世界是手段而不是目的。我们不能为
了提取类而提取类。其实，软件的内部结构和现实世界一模一样并不见得是件好事。我
们最终的目的是最大限度地实现代码复用，提高软件质量。因此，如果不能达到代码复
用的目的，就没有必要再提取新的类了。

以支不支持多重继承为标准，面向对象语言可分为两大阵营。C++、Eiffel和CLOS都支持多
重继承，而Java和Delphi不支持多重继承。多继承在提供了灵活性的同时，也带来了使用的
复杂性，使用与否，还是要仔细斟酌。在处理有包容关系的类时，究竟该使用继承机制，还
是聚合机制？这没有一定的答案，就看哪种方法在表述问题时更简单、更合理。由于面向对
象设计的目标并不是要和现实世界一模一样，所以为了提高代码的复用性，减少代码的重复
，我们也可以添加某些与实际物体无法对应的类。

聚合也可以无限的分解下去，在处理聚合的问题时，我们需要遵循的原则与处理继承粒度时
的原则完全一致：模拟现实世界只是手段而不是目的，我们的最终目的是改善代码结构，提
高代码的复用性。只有从这一原则出发，我们才能较好的确定概念分解的层次，将聚合的粒
度控制在一个既能满足需求又不过分增加软件复杂性的水平上。

马丁·福勒在《重构》中提出的几个对于类的重构方法，对面向对象设计也很有用。有关的
方法如下：
·提炼类(Extract Class)：在迭代的过程中，如果类的属性和方法逐渐增多，最终变得
职责不够明显。这是我们就可以把一部分的属性和方法分离出去，形成一个新的类。这
可以提高类的内聚性。
·将类内联化(Inline Class)：在提炼类的过程中，有可能一些类变得很小，负责的职责
过少，这时，我们可以把该类去掉，把它的工作移到其它类中。这是提炼类的反向过程。
·以类取代型别码(Replace Type Code with Subclasses)：如果在某个类中有一个表达
具体对象类型的代码（型别码），该型别码影响了该类的行为，并可能使得程序中频繁
出现与该型别码相关的分支语句，这时，我们应该创建新的派生类，并使用多态来代替
它。
·提炼子类（Extract Subclass）：有时，一个类中的某些属性只对部分对象实例有意
义，这说明该类的设计并不完美，我们还可以把这些属性单独提取出来，形成该类的一
个派生类。例如，在PC服务器的模拟软件中，如果我们只有一个CPU类，该类中的
_have3Dnow属性就只对AMD系列的CPU有意义，那么，添加一个派生类AMD_CPU来单独处理
该属性就是最好的选择了。
·提炼超类（Extract Superclass）:如果两个类有相同的属性和方法，两个类中就必定
有一些代码是重复的。为了消除重复代码“的坏味道”，我们可以创建两个类的共同基类
，把重复的属性和方法上移到基类中。

通过细化和重组，找出了设计类，接下来的就是要“细化和实现类间关系，明确其可见性”。
类间关系不难理解，但什么是关系的可见性？
“关系的可见性指的是一个对象能够‘看见’并且引用另一个对象的能力。”
假设A对象要引用B对象，即A对象发送消息给对象B，那么，可见性就规定了对象A能够以何
种方式引用对象Ｂ。一般说来，对象A到对象B的可见性有以下几种：
·属性可见性：对象A的一个属性指向或引用了对象B，这是一种相对持久的关系，只要
对象A存在，它就能引用对象B。
·参数可见性：即对象B是对象A中一个方法的参数，对象A只有在该方法内才能发送消息
给对象B.
·局部声明可见性：即对象B是对象A中一个方法内部定义的局部变量，同样的，对象A只
有在该方法中才会发送消息给对象B。
·全局可见性：即对象B是全局变量，对象A任何时刻都可以发送消息给对象B。这是看似
方便，却会对系统整体结构造成很大危害的可见性，在面向对象设计中，应该尽量避免
全局可见性。必要时，可以使用单件模式来代替全局变量，在后面的“单件模式”一章中，
我们还会对此做进一步的描述。
其中，全局可见性并不会在类图中表现出来（只要声明某一个类为单件类，整个系统中的其
他类就可以任意访问该类），参数可见性和局部可见性是一种比较短暂的关系，一般也不需
要在类图中出现（特别必要时可以用依赖关系来表述）。最终，在类图中出现的基本都是属
性可见性的关系，即那些通过类属性来实现的类间关系。

可见性大致有以上几种，类间的关系可分为：依赖关系（Dependency Relationship）、关
联关系（Association Relationship）、聚合关系（Aggregation Relationship）、双向关
系。
依赖关系是一种比较弱的关系，这种使用方式可能只是以参数可见性或局部声明可见性的方
式使用。C++语言中，对头文件的使用，指明了类间的依赖关系；

关联系系表示在某个对象
的数据成员指向另一个类对象的实例，通过该数据成员，该对象的生命周期内可以随时向另
一个对象实例发送消息；

聚合关系是一种特殊的关联关系，表达的是整体和部分之间的关联
；

关联关系和聚合关系都有可能发展成双向关系，双向关系既可以画成一条没有箭头的连接线
，也可以画成两条关联关系的带箭头连接线。在C++语言中，两个类各自通过一个指向对方
的指针来实现双向的关联关系。在两个类的生命周期中，它们可以随时互发消息。

面向对象设计阶段的产出，要能指导实际的编码工作，还需要进一步指定分析类属性的类型
、增加遗漏的属性，并且制定外部对象对属性的访问权限（Privated、Protected、Public）
，按照面向对象强调封装的思路，类不应该暴露内部细节给客户程序，所以属性一般都设置
为私有或保护，而另外提供访问属性的函数。

类要向客户提供服务，这应该提供的服务的义务就是类的职责。一般说来，面向对象系统中
的类所承担的职责可以分为两大类。
·“做”型职责：自己要做某事；自己要为其他对象提供某种服务；发送消息给其他对象
以要求提供某种服务；控制和协调其他对象的活动。
·“知道”型职责：知道自己内部封装了哪些数据；知道哪些对象和自己发生了关系。通
用职责分配软件模式（GRASP）可以指导我们进行职责分配，GRASP模式包括以下９种：
·专家（Expert）
·创建者（Creator）
·低耦合（Low Coupling）
·高内聚（High Cohesion）
·控制者（Controller）
·多态（Polymorphism）
·纯虚构（Pure Fabrication）
·中介者（Indirection）
·不要和陌生人说话（Don't talk to Stranger）
专家模式认为，职责应该分配给信息专家，即分配职责时，我们应该了解履行职责需要哪些
信息，这些信息为哪个类或哪些类所拥有。如果这些信息为一个类所拥有，就把该职责分配
给它；如果为多个类所拥有，就为每个类分配一个职责，然后通过消息传递和交互，使这些
类协同完成该职责。该模式体现了面向对象的封装性，能够得到高内聚、低耦合的设计方案
。

系统运行过程中需要创建的对象，究竟把这创建的职责分配给谁比较合适呢？创建者模式就
为这问题提出了指导性的方案。按照创建者模式的要求，如果类A和类B满足下列条件中的某
一个：
·A聚合了B对象；
·A包含了B对象；
·A的一个属性记录了B对象
·A要经常使用B对象；
·B对象被创建时，A要传递初始化数据给B对象。
那么，我们就可以把创建B对象的职责分配给A对象。因为这样做，不会增加系统的耦合性。

要软件系统具备低耦合，也就是要类对象间的关系做到低耦合。这要求我们在面向对象设计
时尽量用耦合度低的结构来实现系统。类A和类B之间的耦合包括以下几种情况：
·类A的一个方法参数引用了类B，或方法内定义了类B的一个局部变量；
·类A的一个属性引用了类B的实例对象；
·类A的一个属性聚合了类B的多个实例对象；
·类A是类B间接或直接的派生类。
以上几种情况，从上至下耦合程度越来越强，继承是最强的一种耦合，这是因为派生类没有
任何声明，就悄悄地把基类的属性和方法全部包含进自己内部。

高内聚说的是一个类的各个职责之间的相关程度或几种程度。一般说来，内聚度高的类应只
包含很少的方法数，方法之间的关联程度很高，每个方法承担的工作量不是太大，任务也比
较单一。当我们在设计中发现一个类负担的任务太多、太杂，就应该主动把一些职责分配给
其他的类，这样才能保证设计方案的高内聚。显然，内聚度高的设计方案更易理解、易维护
、易重用。

控制者模式要求把协调处理系统消息的职责分配给不同的控制类。

当某一职责在不同的派生类中表现为不同的行为时，我们就可以使用多态模式，即利用一个
同名的多态方法把该职责分配给不同的派生类，让他们表现不同的行为。面向对象语言的多
态性就是为这个目的而生的。

有时，我们可以虚构出一些类，把一组高度内聚的职责分配给它，该人造类只是虚构出来的。
使用纯虚构也是为了获得高内聚、易重用的类。但由于纯虚构更多是以功能来划分不同的类，
这与面向对象思想相违背，因此使用时要给外销新。

中介者模式是指：把一些职责分配给一个虚构的中介类，让该中介类来协调多个类的协作关
系。使用中介者模式可以隔离耦合度过大的多个类，使易发生变化的对象不会影响其他的对
象。GoF模式中的中介者（Mediator）模式，适配器（Adapter）模式、观察者（Observer）
模式等都体现了GRASP模式中的中介者模式的思想。

不要和陌生人说话，这个模式要求一个类尽量只和它的直接对象交互，避免和间接对象进行
交互，这样，它就可以和最少的类产生耦合，使系统的耦合度保持最低。该准则要求，在一
个对象的方法中，只能给下面这些对象发送消息：
·该对象自己；
·这个方法的一个参数；
·该对象的一个属性；
·该对象的一个属性集合中的一个元素；
·在该方法中创建的一个对象。
与越少的类（只和熟人）交互，不仅能降低耦合，而且能提高内聚。下面是一个违犯此模式
的例子：
class Client
{
private:
ClassA * m_pClassA;
public:
void func()
{
m_pClassA->getClassB()->getClassC()
->getClassD()->getTimer();
}
};


在分配职责时，CRC（Class Responsibility Collaborator Card）卡也有很大的帮助，此
外，CRC卡对于理清对象间的协作关系亦很有裨益。

今天，大多数面向对象的系统都采用了消息驱动的设计方案，这是因为，面向对象设计很容
易造成对象之间的关系数目日益膨胀，形成复杂的网状结构，关系的复杂性同样会导致类和
对象间的耦合度增大，而消息驱动的设计方案可以很好地避免上述缺陷。仅仅依靠静态类图
，我们还无法准确表示一个外部消息时如何传递到最终责任者那里的。对于这样的系统，我
们必须进一步明确消息传递的机制、路径和实现方式。

以上各步完成了之后，该是设计模式一展身手的时候了。我们应该尽量使用成熟的设计模式
来优化模型的局部设计。还记得前面提到过的设计模式的几个要点吗？设计模式是为了适应
需求的变化，针对接口编程，优先使用聚合。

在面向对象分析阶段，为了了解系统的主要业务流程，我们需要画出一些顺序图和协作图。
到了面向对象设计阶段，以最终的设计类及其内部的详细设计模型为依据，绘制特定用例实
现的顺序图就显得更为必要了，因为这时的顺序图才是系统真正的运行顺序图，图中的很多
步骤都可以简单地影射成为最终的实现代码。由于我们在设计过程中补充了一些遗漏的类、
属性和方法，与面向对象分析阶段相比，这是绘制的顺序图就包含了更多的细节。但根据心
理学的原理，人们在一次观察过程中，能够仔细关注的对象通常只有六七个，因此我们不要
试图在一幅顺序图中画出所有的细节。对于比较复杂的用例实现，完全可以把它们拆分到几
个相互关联的顺序图中。一般说来，面向对象设计阶段产生的顺序图应详尽到能知道代码编
写的程度。

总结：
·在面向对象设计过程中，体现对象的个性和归纳它们的共性时，要注意适度的原则，
脱离实际的概括和没有止境的西化都是相当危险的事情；
·继承关系和聚合关系各有各的使用范围，取舍的惟一标准就是保证设计方案的低耦合、
高内聚；
·合理分配类和对象的职责，有效组织它们的相互关系，这是面向对象设计思想的核心
内容。