面向对象的代码风格
发表于2016-03-01
曾几何时，“面向对象”这个词一度风靡软件软件开发界。现如今长期霸占最热门编程语言榜前三的，里面就有一门叫Java的语言。这门语言就号称是贯彻面向对象思想设计的——“一切皆对象”是Java语言的口号。但现在，越来越多的新语言、新思想在软件开发界兴起，而C语言这类传统的结构化语言依然顽强的存在着。反而“面向对象”思想变得看起来有点“老土”。不过，那些言必称lamda的程序员们，也未必真正的理解“面向对象”这个编程体系。因此，我希望能重新思考与描述一下“面向对象”的概念和一些常见的编程实践，以便在继承伟大思想遗产后，更好的学习新的技术成果。
一、面向对象代码的特性
要理解面向对象代码编码的思想，就应该与另外一个著名的编程思想——结构化编程思想来对比。面向对象编程思想的基本特征有三个：封装、继承、多态。
首先说一下“封装”。这个是三个特征中最本质和最重要的特征。封装标准的说法是：把逻辑相关的数据和操作他们的代码封闭起来，让别的代码不可直接访问。这个说法是针对结构化编程中常见的一种写法：我们常常使用全局变量，或者用堆变量（new/malloc构造）的指针，来记录计算的过程结果。由于计算的过程常常需要修改，所以这些指针在使用上显得非常灵活有效。但是缺点也很明显，就是内存中的数据有太多的可能状态。由于对修改内存的代码没有限制，会让逻辑错误难以跟踪。代码由于不确定内存状态，导致代码在复用的时候，也能难保证稳定性。所以“面向对象”思想提出了代码和状态结合，这样的好处是所有的状态修改，都由确定的代码来进行。可以确定每行代码的状态，和每个状态的变更。为了实现这个目的，面向对象思想还提出了用“类”这个概念了包装代码，以及代码相关状态变量的方法。这样一来，“类”除了封装状态，还形成了对某个固定功能的语义集合。也就是说，我们不再像结构化编程那样，只能忽视处理的数据含义，而是把处理过程作为代码的语言来理解。使用“类”的语言，我们可以按业务领域中的名词来建模，这种封装后的代码，可重用性会更强。
被太多不同代码修改的内存景象
“类”封装了复杂的内部状态和结构，提供了简单的接口
其次我们说说“继承”。这个特征现在的名声不太好。业界充满了“尽量不要用继承”的告诫。因此还诞生了所谓“失血模型”的设计：天然不易产生继承的用法。因此现在更多人倾向忽视“继承”。然而，“继承”找到如此多的攻击，正是因为它太好用了，很容易被滥用。我们反而应该深入的了解这个特性，才能更好的避免它的缺点。
在我们有“继承”之前，为了掌握强大的函数库，程序员们需要学习大量近似但不同的API，这可比背单词困难多了。如果想在写好的系统换一套其他类似的API，更是可能需要大动干戈，修改大量的代码，这意味着搞出很多bug来。但是，如果用了“类库”，我们可以只学习一个标准的类库接口，掐所有类似功能的类都会继承这个标准。我们以后还可以不修改使用代码，直接替换其中的一些实现类，实现升级功能或者优化功能。这些都是极好的特性。然后“继承”最受诟病的问题，是对于同一个基类的属性继承后，子类对象就打破了封装，可以在不受既有代码控制下修改状态。——这个特性能如果让子类程序的开发变得非常简单，因为可以少管理很多状态，直接摆弄父类写好的内容即可。但这样也带来了风险，就是可能改变父类的接口承诺而不自知。
我们在编写复杂状态逻辑时，带继承能力的对象确实是更灵活简便的组合出多种目标对象的。如游戏领域中，角色类型的数量非常大，而且修改非常频繁。如果我们把怪物、玩家、NPC都继承“角色”类，那么脚本系统就能使用“角色”接口函数，通用的控制游戏中的所有“活物”，从而让游戏中越来越多不同种类的游戏角色能很简单添加。
继承特性在C++语言中，有初始化顺序、析构顺序等多个“看不见”的内部机制需要学习，如果使用“多重继承”，那情况就会更加复杂。但是我认为不应该因噎废食，在扩展功能对象，碰到明显的“Is A”关系时，还是应该用继承。因为大多数商业系统中，软件系统是需要长期维护，并且不断升级的。这些系统大多数在完成新功能的同时，还需要保持旧能力的稳定。最简单的做法就是利用继承来扩展旧的类，添加新的功能。这样的做法不能说是很好，但在实际环境下，往往是唯一可行的方案。但是我们也应该清晰的看到继承的缺点：它很容易“扭曲”被继承类的形式。这其实是要求使用继承的人具有足够清晰的模型识别能力，不能让子类“误解”父类。所以我觉得所有继承，最后能让父类的代码维护者来设计。
最后所说“多态”。在封装和继承中，其技术细节很多，但设计的外延却很少，面向对象真正对于程序设计的利器，其实是多态这个特性。多态在代码形式上的一个重要作用，就是取代switch…case。结构化编程的经验中，也有使用“查表”的方法来代替大段的switch…case的做法，而多态从实现上来说，其实也不过是用了“虚表”来做了隐式的查表。但是，我还是认为多态的方案较好。首先是因为有编译器的维护，虚表更不容易出错。其次是使用者定义接口和子类，这种代码比跟有利于需求领域的建模，从而方便未来的维护人员。设计模式中的策略模式，本质上就是利用多态配置不同情况下运行不同的代码。我们代码中最常见的糟糕情况，就是大量的if…else或switch…case中结合了大量的代码，就是多态最拿手解决的问题。
C++语言既有面向对象的多态，又有模板，因此被视为一门异常复杂的语言。虽然很多功能既可以用多态来实现，又可以用模板实现。但是多态能获得更多的类型检查，而模板只能在编译时提示出错。有人说编译模板后的代码名字很长，难以阅读，但是多态运行时错误同样不好调试。因此，真正决定用模板而不是多态，往往还是由于C++没有反射功能：当我们在编写一些期望很“通用”的代码时，往往希望“类”能与其他一些概念对应起来：在ORM中，我们希望类结构映射成表；在RPC中，我们希望类结构映射成通信协议；在算法容器中，我们希望类结构仅仅看成一个对象——在这些地方，我们把类对象，看成是一个模板参数传进来，从而可以统一的按某种“模板逻辑”做处理。在JAVA中，模板的类型参数是可以限制范围的，所以编写模板函数是可以约定使用协议的，否则如C++就只能靠编译时，看有没有“同样”的名字成员检查，因此不太好体现设计中的设计用途。
Spring框架在Java开源框架中久负盛名，其最受欢迎的功能能够就是IoC控制反转功能。这个功能让大家觉得好用的原因，主要是因为在服务器端软件开发中，有一个通用性需求：管理复杂的初始化过程。服务器端系统的输入基本上只有一种，就是协议包。因此系统由针对多种协议包处理的模块组合而成。初始化系统的工作，就是搭建这些模块。在没有多态的情况下，各个模块的处理接口就是一堆回调函数的函数指针，代码非常不好阅读；如果用了多态，函数指针编程了接口，实现模块还可以自由替换，大大增加了系统的灵活程度。特别是使用IoC功能框架后，这些根据确定接口来开发的跟踪模块，可以只使用配置文件就可以组装成不同的服务器进程，而无需重新编译长长的初始化脚本。这对于灵活部署分布式系统非常有帮助。
二、面向对象代码的形式
从面向对象代码的特性，在实际中我们可以得到几个典型的代码形式：一是名词化建模；二是充血模型和失血模型；三是高度易用性API。
先说说名词化建模：在结构化编程中，我们对于业务逻辑往往是用动词化建模的，也就是把问题分拆成一个个流程，然后再把每个流程拆分成几个更细节的子流程。并且以这些流程为功能范围建立函数。因此这些函数，都是代表着分解的处理过程，往往是以名词来命名的。面向对象编程这与上述方法大相径庭，面向对象的编程方法不会直接开始解决“业务功能”的问题，而是先考察业务需求涉及哪些对象，如使用角色，业务模块，然后对这些对象分析建模，建立起很多“类”，随后用“类”的属性与方法来描述业务功能。这样建立的“类”属性与方法就可以用来描述业务功能。因为对应的是对象而不是行为，这样建立的类往往是名词命名的。作为中国人，我们往往更容易理解结构化编程中的思想，因为汉语的动词非常丰富，我们的思维中，分解问题往往是“怎么干”，而不是“是什么”。但是英语词汇中，名词比动词更丰富，所以英语使用者在面对对象建模时更有优势。我们常常在中国程序员的代码中见到诸如：XXManager/XXControllor/XXHelper这样的类名，这就是对于名词词汇缺乏的例子。不过，角色对比与流程来说，是更稳定的，因为基于角色、对象的建模，应对需求变化的能力更好。
其次我们所说失血与充血模型。在网络上，这两种模型的争论非常激烈，依我来看，失血模型是不符合“封装”这个面向对象特征的。但是，失血模型也是有事实的好处的：针对那种数据类型很稳定，但处理逻辑很多变的业务来说，失血模型和结构化编程一样灵活方便。比如操作系统中，Linux把所有的数据处理都抽象成send和receive两个行为，任何的程序都可以按这个模式处理数据，处理程序可以和数据分开。又比如通讯系统中，数据结构常常已由通信协议确定，而对协议包的是处理流程比较多样。再比如一些银行、电商业务，长期的业务流程早已定义了大量的单据、表格，所以数据模型比较稳定。我认为，面向对象的“封装性”是为了解决程序“状态”复杂而提出的思想，如果我们的业务本身“状态”是较易稳定的，强行“封装”反而令程序的灵活性受限。关键是我们要明确“封装”的用途和缺点。另一方面，失血模型是面向对象的一种有益补充，让面向对象编程方法，吸收结构化编程的优点。
最后，说说API易用性问题。在传统的操作系统API中（如linux系统调用，WindowsAPI,gclib库），学习如何使用它们往往不那么容易，因为有两个困难：第一个是API的调用顺序需要学习，一批不同的函数如何组合使用，如何先后初始化，这些都要看例子程序才能学会。举个例子，文件操作API会要求用户先fopen()打开文件，获得一个FILE*文件指针，然后再对它执行read()或write()操作，才能读写文件。最后关闭文件也需要传入最开始返回的文件指针变量。而Java的文件类如FileInputStream/FileOutputStream就简单太多了，这种面向对象的API，首先需要用户构造一个FileOutputStream对象（这是使用任何对象都必须要先做的，无需额外学习），然后就可以直接调用这个对象上的任何方法，来操作文件了。这个对象本身也代表了在操作系统中打开的这个文件句柄。这些操作完全没有任何组合、顺序上的要求。即便你的调用顺序不对，比如在Close()后还调用了Read()，这样也最多会得到一个异常，而不会有什么奇怪的后果。面向对象的API的学习，基本上只要看手册就行了，而那些不是类库的API，既要看例程学习使用顺序，又要查手册看参数列表含义。第二个传统API学习的困难，在于参数的数量。过程式API的参数数量要明显多于类库型API，原因在于，有大量的“过程变量”和“配置变量”，由于需要组合API使用，所以要在相关的每个函数接口上重复。类的对象本身就能承载状态，所以方法函数的参数仅仅需要开放那些最必要的逻辑输入即可。对于配置变量，对象可以提供大量的setter方法，在运行时随时修改这些配置，而且还不会影响到其他的对象实例。所以，在API易用性上，面向对象基本完胜过程式函数，除非这是一个非常明确的无状态逻辑，如很多数学运算。
三、面向对象代码的结构
在结构化编程中，代码的结构以分解流程，实现处理方案为核心，代码的分解原色是以实现步骤为主。理解这种结构的代码，我们需要先理解问题的解决方案，如果需求变化，一般都需要修改代码。面向对象思想，针对结构化编程的这些缺点，提出了著名的“开-闭”原则。意思是代码应该对添加开放，对修改关闭。能做到这个原则，是需要代码结构上利用面向对象的特性才能做到的。
面向对象代码结构的重点是定义“类”，与结构化编程倾向分解问题解决步骤不同，面向对象编程更重视描述问题本身。由于代码按“类”划分，所以一般不会完全解决本身，而是全面的划分问题本质相关的角色。能做到“对添加开放”的根本原因，是以基类或接口描述了问题的“外观”，而需求的变化一般不涉及问题接口，而是实现的细节，因此利用多态，就能仅仅添加代码以完成增加新的实现代码。“对修改关闭”主要是通过面向对象的封装特性实现的，我们可以把接口基类和部分实现类编译成库，用户没有源代码就无法修改实现是类，但是他们依然可以继承、实现接口类。只要系统可以提供“注册”具体实现类的接口，就能轻易添加新功能了，而这种“注册”功能，正是所谓Ioc控制反转体系的基本功能。
在设计接口和实现类，以及设计基类和子类时，我们往往会不自觉的把日常生活中的分类方法用于程序设计：把通用的设计基类，把特殊的设计成子类。但实际上这种想法可能会是错误的，正确的设计应该是规则约束少的为基类，规则约束多的为子类。最著名的例子是矩形和正方形。日常观念中，矩形是比较通用的，而正方形是比较特殊的图形。所以我们很容易把矩形设计成基类，而正方形设计成继承矩形的子类。但是这就是一个错误的设计，因为如果用户以矩形的接口，去使用正方形的实例对象，调用了设置长度、宽度的方法时，其中的一个设置可能就是无效的，因为正方形不能接受不同的长度和宽度。这很容易产生逻辑错误。正确的做法是把正方形作为基类，而矩形继承正方形类，这样“设置边长”的方法也可用于矩形。我们在设计类的继承关系时，必须注意所谓“一般”和“特殊”的真实含义。由于在面向对象设置中，代码如按此“依赖倒置”原则设计，业务逻辑必将会被继承结构拆分成“一般”和“特殊”的层次结构。此种结构类对比结构化编程，就是把大流程拆分成多层级的子流程。但是，在面向对象的语义下，这种拆分的约束更多，更细致。比结构化编程的指导性更强。
在面向对象程序的结构中，还有一条原则叫“最小知识原则”，此原则要求代码间的耦合尽量简单：函数参数尽量少，引用的类型数量尽量少……。在结构化编程中，我们由于要组合多个函数，就会使用大量的过程变量，这样的代码无论如何简化，都不可能太简单。由于每个函数的调用都不带上下文，因此很多API设计者都喜欢设计常常的参数列表，以便使用者能更“灵活”的使用。但是这样的代码阅读区来宛如天数，即便你熟悉这些API，你也难以从一串参数中一样看出其含义。面向对象的代码结构，就要破解这种难以阅读的代码：由于每个调用层次的类、方法，都要求“缩小”耦合范围，简化使用形式，所以其类名、方法名就能带上更多语言，从而提高可读性。而这些类可以通过“开闭原则”，被拆分为多个层次的其他组合类，用户可以通过使用这些较低层的类来扩展功能，或直接通过继承来添加新的功能。
四、面向对象代码建模
面向对象思想是与结构化编程不同的一种思路，但并不是说就一定比结构化更先进。他们的关系应该是平等的。结构化编程思想诞生于计算机早期应用领域，以计算密集型任务为主，应用范围比较集中于需求稳定的领域，比如军事、金融、通信、操作系统；而面向对象这是在计算机应用范围快速扩大之后，大量商业、娱乐业务，需要更多的需求变化能力，因此代码的可读性，修改能力，变得更加重要。面向对象编程，就是为了这种需求变化而设计出来的。在面向对象方法中，最自然的就是针对业务领域的对象去建模，就是看业务领域中有什么东西，直接用这些东西来建立类。在游戏领域，这种方法最常见，因为游戏世界中本来就有许多虚拟角色、物品、场景。在电子商务这些与现实结合的领域，使用直接映射建“类”也很方便，现实业务领域提供了大量的概念定义。相比之下，结构化编程更依赖于程序的理性思考，对问题做细致分解；面向对象领域程序员有大量业务领域参照物，看起来简单得多。
虽然用直接业务领域映射的方法，很容易满足代码理解的需求，但是并不一定是最优方案。因为需求变更导致的代码修改，并不一定能很简单的对应到业务领域模型上。这就引入了面向爱你个对象思想的另外一个原则：需求变化的原因，就是对象建模的边界。——如果你发现有个需求变化，一定要修改代码，那么这个修改的地方，就是代码应该“切分”耦合的位置。这里的切分，就意味需要有两个不同的类。在需求的不断变化中，好的面向对象程序会逐步“进化”，变得越来越适应真实需求。这和传统的思维：需求变化会让代码“腐化”，是很不一样的。因此说面向对象思想是一种拥抱变化的思想。
在大量的编程实践中，人们总结了23种经典的“设计模式”。归根到底，这些模式利用面向对象的语言机制，更好的应对现实需求变化而产生的手段。设计模式把多种对象间常见的关系模型，抽象成模式。从直接的业务领域建模，转化成使用设计模式建模，往往需要一些思考分析，幸运的是，设计模式的资料汗牛充栋，而模式本身也就那么几种，全部记住也不是难事。因此，在理解了设计模式的使用条件后，这些知识就比较容易协助开发者建模。从这点上看，结构化编程中对于编程思想的指导就显得抽象的多，因此也更难以被掌握与良好的运用。在设计模式之上，人们还总结出针对更大型系统的设计经验：架构模式。虽然架构模式不限于使用面向对象特性来实现，但是设计模式却能很有效的用于构建各种架构模式。
在面向对象的实践中，许多思想往往只是一句话，但实现手段则可能很多种，因此业界总结出了：OOP->OOD->OOA三个层次的实践经验，对于新人来说，这无疑是一条明确的升阶之路。这个路径为软件业界提供了大量的优秀人才和作品，因此非常值得推广。