设计模式之美学习(七)

本文最后更新于:9 个月前

基于接口而非实现编程。这个原则非常重要,是一种非常有效的提高代码质量的手段,在平时的开发中特别经常被用到。

如何解读原则中的“接口”二字?

“基于接口而非实现编程”这条原则的英文描述是:“Program to an interface, not an implementation”。理解这条原则的时候,千万不要一开始就与具体的编程语言挂钩,局限在编程语言的“接口”语法中(比如 Java 中的 interface 接口语法)。这条原则最早出现于 1994GoF 的《设计模式》这本书,它先于很多编程语言而诞生(比如 Java 语言),是一条比较抽象、泛化的设计思想。

实际上,理解这条原则的关键,就是理解其中的“接口”两个字。从本质上来看,“接口”就是一组“协议”或者“约定”,是功能提供者提供给使用者的一个“功能列表”。如果落实到具体的编码,“基于接口而非实现编程”这条原则中的“接口”,可以理解为编程语言中的接口或者抽象类。

这条原则能非常有效地提高代码质量,之所以这么说,那是因为,应用这条原则,可以将接口和实现相分离,封装不稳定的实现,暴露稳定的接口。上游系统面向接口而非实现编程,不依赖不稳定的实现细节,这样当实现发生变化的时候,上游系统的代码基本上不需要做改动,以此来降低耦合性,提高扩展性。

“基于接口而非实现编程”这条原则的另一个表述方式,是“基于抽象而非实现编程”。后者的表述方式其实更能体现这条原则的设计初衷。在软件开发中,最大的挑战之一就是需求的不断变化,这也是考验代码设计好坏的一个标准。越抽象、越顶层、越脱离具体某一实现的设计,越能提高代码的灵活性,越能应对未来的需求变化。好的代码设计,不仅能应对当下的需求,而且在将来需求发生变化的时候,仍然能够在不破坏原有代码设计的情况下灵活应对。而抽象就是提高代码扩展性、灵活性、可维护性最有效的手段之一。

如何将这条原则应用到实战中?

假设我们的系统中有很多涉及图片处理和存储的业务逻辑。图片经过处理之后被上传到阿里云上。为了代码复用,我们封装了图片存储相关的代码逻辑,提供了一个统一的 AliyunImageStore 类,供整个系统来使用。具体的代码实现如下所示:

public class AliyunImageStore {
  //...省略属性、构造函数等...
  
  public void createBucketIfNotExisting(String bucketName) {
    // ...创建bucket代码逻辑...
    // ...失败会抛出异常..
  }
  
  public String generateAccessToken() {
    // ...根据accesskey/secrectkey等生成access token
  }
  
  public String uploadToAliyun(Image image, String bucketName, String accessToken) {
    //...上传图片到阿里云...
    //...返回图片存储在阿里云上的地址(url)...
  }
  
  public Image downloadFromAliyun(String url, String accessToken) {
    //...从阿里云下载图片...
  }
}

// AliyunImageStore类的使用举例
public class ImageProcessingJob {
  private static final String BUCKET_NAME = "ai_images_bucket";
  //...省略其他无关代码...
  
  public void process() {
    Image image = ...; //处理图片,并封装为Image对象
    AliyunImageStore imageStore = new AliyunImageStore(/*省略参数*/);
    imageStore.createBucketIfNotExisting(BUCKET_NAME);
    String accessToken = imageStore.generateAccessToken();
    imagestore.uploadToAliyun(image, BUCKET_NAME, accessToken);
  }
  
}

整个上传流程包含三个步骤:创建 bucket(你可以简单理解为存储目录)、生成 access token 访问凭证、携带 access token 上传图片到指定的 bucket 中。代码实现非常简单,类中的几个方法定义得都很干净,用起来也很清晰,乍看起来没有太大问题,完全能满足我们将图片存储在阿里云的业务需求。

不过,软件开发中唯一不变的就是变化。过了一段时间后,我们自建了私有云,不再将图片存储到阿里云了,而是将图片存储到自建私有云上。为了满足这样一个需求的变化,我们该如何修改代码呢?

我们需要重新设计实现一个存储图片到私有云的 PrivateImageStore 类,并用它替换掉项目中所有的 AliyunImageStore 类对象。这样的修改听起来并不复杂,只是简单替换而已,对整个代码的改动并不大。不过,我们经常说,“细节是魔鬼”。这句话在软件开发中特别适用。实际上,刚刚的设计实现方式,就隐藏了很多容易出问题的“魔鬼细节”,一块来看看都有哪些。

新的 PrivateImageStore 类需要设计实现哪些方法,才能在尽量最小化代码修改的情况下,替换掉 AliyunImageStore 类呢?这就要求我们必须将 AliyunImageStore 类中所定义的所有 public 方法,在 PrivateImageStore 类中都逐一定义并重新实现一遍。而这样做就会存在一些问题,我总结了下面两点。
首先,AliyunImageStore 类中有些函数命名暴露了实现细节,比如,uploadToAliyun()downloadFromAliyun()。如果开发这个功能的同事没有接口意识、抽象思维,那这种暴露实现细节的命名方式就不足为奇了,毕竟最初我们只考虑将图片存储在阿里云上。而我们把这种包含“aliyun”字眼的方法,照抄到 PrivateImageStore 类中,显然是不合适的。如果我们在新类中重新命名 uploadToAliyun()downloadFromAliyun() 这些方法,那就意味着,我们要修改项目中所有使用到这两个方法的代码,代码修改量可能就会很大。

其次,将图片存储到阿里云的流程,跟存储到私有云的流程,可能并不是完全一致的。比如,阿里云的图片上传和下载的过程中,需要生产 access token,而私有云不需要 access token。一方面,AliyunImageStore 中定义的 generateAccessToken() 方法不能照抄到 PrivateImageStore 中;另一方面,我们在使用 AliyunImageStore 上传、下载图片的时候,代码中用到了 generateAccessToken() 方法,如果要改为私有云的上传下载流程,这些代码都需要做调整。

那这两个问题该如何解决呢?解决这个问题的根本方法就是,在编写代码的时候,要遵从“基于接口而非实现编程”的原则,具体来讲,我们需要做到下面这 3 点。

  • 函数的命名不能暴露任何实现细节。比如,前面提到的 uploadToAliyun() 就不符合要求,应该改为去掉 aliyun 这样的字眼,改为更加抽象的命名方式,比如:upload()

  • 封装具体的实现细节。比如,跟阿里云相关的特殊上传(或下载)流程不应该暴露给调用者。我们对上传(或下载)流程进行封装,对外提供一个包裹所有上传(或下载)细节的方法,给调用者使用。

  • 为实现类定义抽象的接口。具体的实现类都依赖统一的接口定义,遵从一致的上传功能协议。使用者依赖接口,而不是具体的实现类来编程。

按照这个思路,把代码重构一下。重构后的代码如下所示:

public interface ImageStore {
  String upload(Image image, String bucketName);
  Image download(String url);
}

public class AliyunImageStore implements ImageStore {
  //...省略属性、构造函数等...

  public String upload(Image image, String bucketName) {
    createBucketIfNotExisting(bucketName);
    String accessToken = generateAccessToken();
    //...上传图片到阿里云...
    //...返回图片在阿里云上的地址(url)...
  }

  public Image download(String url) {
    String accessToken = generateAccessToken();
    //...从阿里云下载图片...
  }

  private void createBucketIfNotExisting(String bucketName) {
    // ...创建bucket...
    // ...失败会抛出异常..
  }

  private String generateAccessToken() {
    // ...根据accesskey/secrectkey等生成access token
  }
}

// 上传下载流程改变:私有云不需要支持access token
public class PrivateImageStore implements ImageStore  {
  public String upload(Image image, String bucketName) {
    createBucketIfNotExisting(bucketName);
    //...上传图片到私有云...
    //...返回图片的url...
  }

  public Image download(String url) {
    //...从私有云下载图片...
  }

  private void createBucketIfNotExisting(String bucketName) {
    // ...创建bucket...
    // ...失败会抛出异常..
  }
}

// ImageStore的使用举例
public class ImageProcessingJob {
  private static final String BUCKET_NAME = "ai_images_bucket";
  //...省略其他无关代码...
  
  public void process() {
    Image image = ...;//处理图片,并封装为Image对象
    ImageStore imageStore = new PrivateImageStore(...);
    imagestore.upload(image, BUCKET_NAME);
  }
}

除此之外,很多人在定义接口的时候,希望通过实现类来反推接口的定义。先把实现类写好,然后看实现类中有哪些方法,照抄到接口定义中。如果按照这种思考方式,就有可能导致接口定义不够抽象,依赖具体的实现。这样的接口设计就没有意义了。不过,如果你觉得这种思考方式更加顺畅,那也没问题,只是将实现类的方法搬移到接口定义中的时候,要有选择性的搬移,不要将跟具体实现相关的方法搬移到接口中,比如 AliyunImageStore 中的 generateAccessToken() 方法。

总结一下,我们在做软件开发的时候,一定要有抽象意识、封装意识、接口意识。在定义接口的时候,不要暴露任何实现细节。接口的定义只表明做什么,而不是怎么做。而且,在设计接口的时候,我们要多思考一下,这样的接口设计是否足够通用,是否能够做到在替换具体的接口实现的时候,不需要任何接口定义的改动。

是否需要为每个类定义接口?

为了满足这条原则,我是不是需要给每个实现类都定义对应的接口呢?在开发的时候,是不是任何代码都要只依赖接口,完全不依赖实现编程呢?

做任何事情都要讲求一个“度”,过度使用这条原则,非得给每个类都定义接口,接口满天飞,也会导致不必要的开发负担。至于什么时候,该为某个类定义接口,实现基于接口的编程,什么时候不需要定义接口,直接使用实现类编程,我们做权衡的根本依据,还是要回归到设计原则诞生的初衷上来。只要搞清楚了这条原则是为了解决什么样的问题而产生的,你就会发现,很多之前模棱两可的问题,都会变得豁然开朗。

前面也提到,这条原则的设计初衷是,将接口和实现相分离,封装不稳定的实现,暴露稳定的接口。上游系统面向接口而非实现编程,不依赖不稳定的实现细节,这样当实现发生变化的时候,上游系统的代码基本上不需要做改动,以此来降低代码间的耦合性,提高代码的扩展性。

从这个设计初衷上来看,如果在我们的业务场景中,某个功能只有一种实现方式,未来也不可能被其他实现方式替换,那我们就没有必要为其设计接口,也没有必要基于接口编程,直接使用实现类就可以了。

除此之外,越是不稳定的系统,越是要在代码的扩展性、维护性上下功夫。相反,如果某个系统特别稳定,在开发完之后,基本上不需要做维护,那我们就没有必要为其扩展性,投入不必要的开发时间。

重点回顾

1.“基于接口而非实现编程”,这条原则的另一个表述方式,是“基于抽象而非实现编程”。后者的表述方式其实更能体现这条原则的设计初衷。我们在做软件开发的时候,一定要有抽象意识、封装意识、接口意识。越抽象、越顶层、越脱离具体某一实现的设计,越能提高代码的灵活性、扩展性、可维护性。

  1. 我们在定义接口的时候,一方面,命名要足够通用,不能包含跟具体实现相关的字眼;另一方面,与特定实现有关的方法不要定义在接口中。

3.“基于接口而非实现编程”这条原则,不仅仅可以指导非常细节的编程开发,还能指导更加上层的架构设计、系统设计等。比如,服务端与客户端之间的“接口”设计、类库的“接口”设计。

思考

  • 上面的代码例子中,尽管通过接口来隔离了两个具体的实现。但是,在项目中很多地方,我们都是通过下面第 8 行的方式来使用接口的。这就会产生一个问题,那就是,如果我们要替换图片存储方式,还是需要修改很多类似第 8 行那样的代码。这样的设计还是不够完美,对此,有更好的实现思路吗?
    // ImageStore的使用举例
    public class ImageProcessingJob {
      private static final String BUCKET_NAME = "ai_images_bucket";
      //...省略其他无关代码...
      
      public void process() {
        Image image = ...;//处理图片,并封装为Image对象
        ImageStore imageStore = new PrivateImageStore(/*省略构造函数*/);
        imagestore.upload(image, BUCKET_NAME);
      }

参考:为什么基于接口而非实现编程?有必要为每个类都定义接口吗?



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