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第5章:可復用性的軟件構建方法 5.2面向復用的構造

DevTalking / 3326人閱讀

摘要:代碼使用泛型類中不依賴于類型參數的方法。委托依賴于動態綁定,因為它要求給定的方法調用可以在運行時調用不同的代碼段。委托捕獲操作并將其發送給另一個對象。委托可以被看作是在對象層次上的復用機制,而繼承是類層次上的復用機制。

大綱

設計可復用的類

繼承和重寫

重載(Overloading)

參數多態和泛型編程

行為子類型與Liskov替換原則

組合與委托

設計可復用庫與框架

API和庫 - 框架

Java集合框架(一個例子)

設計可復用的類

在OOP中設計可復用的類
封裝和信息隱藏
繼承和重寫
多態性,子類型和重載
泛型編程
行為子類型和Liskov替代原則(LSP)
組合與委托

(1)行為子類型和Liskov替換原則(LSP)

行為子類型
子類型多態性:客戶端代碼可以統一處理不同種類的對象。 子類型多態:客戶端可用統一的方式處理不同類型的對象

如果Cat的類型是Animal的一個子類型,那么只要使用Animal類型的表達式,就可以使用Cat類型的表達式。

假設q(x)是T類型對象x可證明的性質,那么對于S類型的對象y,q(y)應該是可證明的,其中S是T的一個子類型。 - Barbara Liskov

Java編譯器執行的規則(靜態類型檢查)

子類可以添加,但不能刪除方法

具體類必須實現所有未定義的方法

重寫方法必須返回相同的類型或子類型

重寫方法必須接受相同的參數類型

重寫方法不會拋出額外的異常

也適用于指定的行為(方法):

相同或更強的不變量

相同或較弱的先決條件

相同或更強的后置條件

Liskov替代原則(LSP)

LSP是一種特定的子類型關系定義,稱為強行為子類型化
在編程語言中,LSP依賴于以下限制:

先決條件不能在子類型中加強。前置條件不能強化

后置條件在子類型中不能被削弱。后置條件不能弱化

超類型的不變式必須保存在一個子類型中。不變量要保持

子類型中方法參數的變換。子類型方法參數:逆變

子類型中返回類型的協邊。子類型方法的返回值:協變

子類型的方法不應引發新的異常,除非這些異常本身是超類型方法拋出的異常的子類型。 異常類型:協變(這將在第7-2節討論)

Covariance (協變)

父類型到子類型:
越來越具體specific
返回值類型:不變或變得更具體
異常的類型:也是如此

Contravariance (反協變、逆變)

父類型到子類型:
越來越具體specific
參數類型:要相反的變化,要不變或越來越抽象

從邏輯上講,它被稱為子類型中方法參數的逆變。
這在Java中實際上是不允許的,因為它會使重載規則復雜化。

協變和反協變

數組是協變的:根據Java的子類型規則,T []類型的數組可能包含T類型的元素或T的任何子類型。
在運行時,Java知道這個數組實際上是作為一個整數數組實例化的,它只是簡單地通過Number []類型的引用來訪問。

區分:對象的類型與引用的類型

考慮泛型中的LSP

泛型是類型不變的

ArrayList 是List 的子類型

List 不是List 的子類型

編譯完成后,編譯器會丟棄類型參數的類型信息; 因此這種類型的信息在運行時不可用。
這個過程被稱為類型擦除
泛型不是協變的。

什么是類型擦除?

類型擦除:如果類型參數是無界的,則將泛型類型中的所有類型參數替換為它們的邊界或對象。 因此,生成的字節碼只包含普通的類,接口和方法。

泛型中的通配符

無界通配符類型使用通配符(?)指定,例如List <?>。

這被稱為未知類型的列表。

有兩種情況,無界通配符是一種有用的方法:

如果您正在編寫可以使用Object類中提供的功能實現的方法。

代碼使用泛型類中不依賴于類型參數的方法。 例如,List.size或List.clear。 事實上,Class <?>經常被使用,因為Class 中的大多數方法不依賴于T.

下限通配符:
上限通配符:

考慮具有通配符的泛型的LSP

List是List的一個子類
List 是List的一個子類
List是List的一個子類

(2)委托和組合

Interface Comparator
int compare(T o1,T o2):比較它的兩個參數的順序。

一個比較函數,它對某些對象集合進行總排序。

可以將比較器傳遞給排序方法(如Collections.sort或Arrays.sort),以便精確控制排序順序。 比較器也可以用來控制某些數據結構(例如排序集合或排序映射)的順序,或者為沒有自然排序的對象集合提供排序。

如果你的ADT需要比較大小,或者要放入Collections或Arrays進行排序,可實現Comparator接口并重寫compare()函數。

該接口對每個實現它的類的對象進行總排序。

這種順序被稱為類的自然順序,類的compareTo方法被稱為其自然比較方法。
另一種方法:讓你的ADT實現Comparable接口,然后重寫compareTo()方法
與使用Comparator的區別:不需要構建新的Comparator類,比較代碼放在ADT內部。

委托

委托只是當一個對象依賴另一個對象來實現其功能的某個子集時(一個實體將某個事物傳遞給另一個實體)
委派/委托:一個對象請求另一個對象的功能

例如分揀機正在委托比較器的功能

委派是復用的一種常見形式

分揀機可以重復使用任意的排序順序

比較器可以重復使用需要比較整數的任意客戶端代碼

委托可以被描述為在實體之間共享代碼和數據的低級機制。

顯式委托:將發送對象傳遞給接收對象

隱式委托:由語言的成員查找規則

委托模式是實施委托的一種軟件設計模式,雖然這個術語也用于松散地進行咨詢或轉發。

委托依賴于動態綁定,因為它要求給定的方法調用可以在運行時調用不同的代碼段。
處理

接收者對象將操作委托給Delegate對象

接收者對象確保客戶端不會濫用委托對象。

委托與繼承

繼承:通過新操作擴展基類或重寫操作。
委托:捕獲操作并將其發送給另一個對象。
許多設計模式使用繼承和委派的組合。

將繼承替換為委派

問題:你有一個只使用其超類的一部分方法的子類(或者它不可能繼承超類數據)。
解決方案:創建一個字段并在其中放入一個超類對象,將方法委托給超類對象,并消除繼承。
實質上,這種重構拆分了兩個類,并使超類成為子類的幫助者,而不是其父類。

代替繼承所有的超類方法,子類將只有必要的方法來委派給超類對象的方法。

一個類不包含從超類繼承的任何不需要的方法。

合成繼承原則

或稱為合成復用原則(CRP)

類應該通過它們的組合(通過包含實現所需功能的其他類的實例)實現多態行為和代碼復用,而不是從基類或父類繼承。

最好組合一個對象可以做的事(has_a)而不是擴展它(is_a)。

委托可以被看作是在對象層次上的復用機制,而繼承是類層次上的復用機制。
“委托”發生在objet層面,而“繼承”發生在類層面

合成繼承原則

組合繼承的實現通常始于創建代表系統必須展現的行為的各種接口。
實現已識別的接口的類將根據需要構建并添加到業務域類中。
這樣,系統行為就沒有繼承地實現了。
使用接口定義不同側面的行為
接口之間通過擴展實現行為的擴展(接口組合)
類實現組合接口

委托的類型

使用(A使用B)
組合/聚合(A擁有B)
關聯(A有B)
這種分類是根據被委托者和委托者之間的“耦合程度”。

(1)依賴:臨時性的委托

使用類的最簡單形式是調用它的方法;
這兩種類別之間的關系形式被稱為“uses-a”關系,其中一個類使用另一個類而不實際地將其作為屬性。 例如,它可能是一個參數或在方法中本地使用。
依賴關系:對象需要其他對象(供應商)實施的臨時關系。

(2)關聯:永久性的委托

關聯:對象類之間的一種持久關系,它允許一個對象實例使另一個對象代表它執行一個動作。

has_a:一個類有另一個作為屬性/實例變量

這種關系是結構性的,因為它指定一種對象與另一種對象相連,并不代表行為。

(3)組成:更強的委托

組合是一種將簡單對象或數據類型組合成更復雜的對象的方法。

is_part_of:一個類有另一個作為屬性/實例變量

實現了一個對象包含另一個對象。

(4)聚合

聚合:對象存在于另一個之外,在外部創建,所以它作為參數傳遞給構造者。

has_a

組合(Composition)與聚合(Aggregation)

在組合中,當擁有的對象被破壞時,被包含的對象也被破壞。

一所大學擁有多個部門,每個部門都有一批教授。 如果大學關閉,部門將不復存在,但這些部門的教授將繼續存在。

在聚合中,這不一定是正確的。

大學可以被看作是一個部門的組合,而部門則擁有一批教授。 一位教授可以在一個以上的部門工作,但一個部門不能成為多個大學的一部分。

設計系統級可復用的庫和框架

實際中的庫和框架

定義關鍵抽象及其接口
定義對象交互和不變量
定義控制流程
提供體系結構指導
提供默認值
之所以庫和框架被稱為系統層面的復用,是因為它們不僅定義了1個可復用的接口/類,而是將某個完整系統中的所有可復用的接口/類都實現出來,并且定義了這些類之間的交互關系,調用關系,從而形成了系統整體的“架構”。

更多條款

API:應用程序編程接口,庫或框架的接口
客戶端:使用API的代碼
插件:定制框架的客戶端代碼
擴展點:框架內預留的“空白”,開發者開發出符合接口要求的代碼(即插件),框架可調用,從而相當于開發者擴展了框架的功能
協議:API和客戶端之間預期的交互順序
回調:框架調用來訪問定制功能的插件方法
生命周期方法:根據協議和插件狀態按順序調用的回調方法

(1)API設計

為什么API設計很重要?

如果你編程,你是一個API設計師,并且API可以是你最大的資產之一

好的代碼是模塊化的

每個模塊都有一個API

用戶大量投資:收購,寫作,學習

根據API思考改進代碼質量

成功的公共API捕捉用戶

也可以是你最大的責任

糟糕的API可能會導致無盡的支持調用流

可以抑制前進的能力

公共API是永遠的

有一個機會讓它正確

一旦模塊擁有用戶,就不能隨意更改API

(1)API應該做一件事,做得好

功能應該很容易解釋

如果名稱很難,那通常是一個不好的跡象

好名字推動發展

適合分解和合并模塊

(2)API應該盡可能小,但不能更小

API應該滿足其要求

功能,類別,方法,參數等

你可以隨時添加,但你永遠不能刪除

尋找一個很好的功率重量比

(3)實施不應該影響API

API中的實施細節是有害的

迷惑用戶

禁止改變執行的自由

請注意什么是實施細節

不要過分指定方法的行為

例如:不要指定散列函數

所有調整參數都是可疑的

不要讓實現細節“泄露”到API中

序列化表單,拋出異常

盡量減少一切的可達性(信息隱藏)

讓班級成員盡可能私人化

公共班級不應該有公共領域

(4)文件事宜

記錄每個類,接口,方法,構造函數,參數和異常

類:什么是實例

方法:方法和客戶之間的契約

先決條件,后置條件,副作用

參數:指示單位,表格,所有權

文件線程安全
如果類是可變的,則記錄狀態空間

重復使用比說要容易得多。 這樣做需要良好的設計和非常好的文檔。 即使我們看到良好的設計(這仍然不常見),如果沒有良好的文檔,我們也不會看到組件被復用。 - D. L. Parnas軟件老化,ICSE 1994

(5)考慮績效后果

不好的決定會限制性能

使類型變化

提供構造函數而不是靜態工廠

使用實現類型而不是接口

不要扭曲API來獲得性能

潛在的性能問題將得到解決,但頭痛將永遠伴隨著你

良好的設計通常與良好的性能相吻合
糟糕的API決策的性能影響可能是真實且永久的

Component.getSize()返回Dimension,但Dimension是可變的,因此每個getSize調用都必須分配Dimension,導致數百萬無用的對象分配

(6)API必須與平臺和平共存

習慣做什么

遵守標準的命名約定

避免過時的參數和返回類型

模仿核心API和語言中的模式

利用API友好功能

泛型,可變參數,枚舉,函數接口

了解并避免API陷阱和陷阱

終結器,公共靜態最終數組等。

不要音譯API

(7)類設計

最小化可變性:除非有充分的理由否則類應該是不可變的

優點:簡單,線程安全,可重復使用

缺點:為每個值分開對象

如果可變,保持狀態空間小,定義明確。

只有子類才有意義:子類化會影響替代性(LSP)

除非存在某種關系,否則不要繼承。 否則,請使用委托或組合。

不要為了復用實現而繼承子類。

繼承違反封裝,子類對超類的實現細節很敏感

(8)方法設計

不要讓客戶做任何模塊可以做的事情

客戶通常通過剪切和粘貼,這是丑陋的,煩人的,錯誤的。

API應該快速失?。罕M快報告錯誤。 編譯時間最好 - 靜態類型,泛型。

在運行時,第一個錯誤的方法調用是最好的

方法應該是失敗原子的

以字符串形式提供對所有可用數據的編程訪問。 否則,客戶端會解析字符串,這對客戶來說很痛苦
過度謹慎。 通常最好使用不同的名稱。
使用適當的參數和返回類型。

歡迎界面類型的類輸入靈活性,性能

使用最具體的可能輸入參數類型,從而將錯誤從運行時移到編譯時間。

避免長參數列表。 三個或更少的參數是理想的。

如果你必須使用很多參數呢?

避免需要特殊處理的返回值。 返回零長度數組或空集合,不為null。

(2)框架設計

白盒和黑盒框架

白盒框架

通過繼承和覆蓋方法進行擴展

通用設計模式:模板方法

子類具有主要方法,但對框架進行控制

黑盒框架

通過實現插件接口進行擴展

通用設計模式:策略,觀察者

插件加載機制加載插件并對框架進行控制

白盒與黑盒框架

白盒框架使用子類/子類型---繼承

允許擴展每個非私有方法

需要了解超類的實現

一次只能有一個分機

匯編在一起

通常所謂的開發者框架

黑盒框架使用組合 - 委派/組合

允許擴展在界面中顯示的功能

只需要了解接口

多個插件

通常提供更多的模塊化

可以多帶帶部署(.jar,.dll,...)

通常稱為最終用戶框架,平臺

框架設計考慮

一旦設計好,改變的機會就很小
關鍵決策:將通用部件與可變部件分開

你想解決什么問題?

可能的問題:

擴展點太少:限于狹窄的用戶類別

延伸點過多:難以學習,速度緩慢

太通用:很少復用價值

“最大限度地利用重復使用最小化”

典型的框架設計和實現

定義你的域名

識別潛在的公共部分和可變部分

設計和編寫示例插件/應用程序

分解和實施通用部件為框架

為可變部分提供插件接口和回調機制

在適當的地方使用眾所周知的設計原則和模式...

獲得大量的反饋,并迭代
這通常被稱為“域工程”。

進化設計:提取共同點

提取界面是進化設計中的一個新步驟:

抽象類是從具體類中發現的

接口是從抽象類中提取的

一旦架構穩定就開始

從課堂上刪除非公開的方法

將默認實現移動到實現接口的抽象類中

運行一個框架

一些框架可以自行運行

例如 Eclipse

其他框架必須擴展才能運行

Swing,JUnit,MapReduce,Servlets

加載插件的方法:

客戶端寫入main(),創建一個插件并將其傳遞給框架

Framework寫入main(),客戶端將plugin的名稱作為命令行參數或環境變量傳遞

Framework在一個神奇的位置查找,然后配置文件或.jar文件被自動加載和處理。

(3)Java集合框架

什么是收集和收集框架?

集合:對元素進行分組的對象
主要用途:數據存儲和檢索,以及數據傳輸

熟悉的例子:java.util.Vector,java.util.Hashtable,Array

集合框架:一個統一的架構

接口 - 實現獨立

實現 - 可復用的數據結構

算法 - 可復用的功能

最著名的例子

C++標準模板庫(STL)

Java集合框架(JCF)

同步包裝(不是線程安全的!)

同步包裝:線程安全的新方法

匿名實現,每個核心接口一個

靜態工廠需要收集適當的類型

如果通過包裝進行全部訪問,線程安全保證

必須手動同步迭代

那時是新的; 現在已經老了!

同步包裝很大程度上已經過時

由同時收集而過時

總結

設計可復用的類

繼承和重寫

超載

參數多態和泛型編程

行為分類和Liskov替代原則(LSP)

組成和委派

設計系統級可復用的庫和框架

API和庫

框架

Java集合框架(一個例子)

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