设计模式之美学习(八)

本文最后更新于:6 个月前

在面向对象编程中,有一条非常经典的设计原则,那就是:组合优于继承,多用组合少用继承。为什么不推荐使用继承?组合相比继承有哪些优势?如何判断该用组合还是继承?

为什么不推荐使用继承?

继承是面向对象的四大特性之一,用来表示类之间的 is-a 关系,可以解决代码复用的问题。虽然继承有诸多作用,但继承层次过深、过复杂,也会影响到代码的可维护性。所以,对于是否应该在项目中使用继承,网上有很多争议。很多人觉得继承是一种反模式,应该尽量少用,甚至不用。为什么会有这样的争议?

假设我们要设计一个关于鸟的类。我们将“鸟类”这样一个抽象的事物概念,定义为一个抽象类 AbstractBird。所有更细分的鸟,比如麻雀、鸽子、乌鸦等,都继承这个抽象类。

我们知道,大部分鸟都会飞,那我们可不可以在 AbstractBird 抽象类中,定义一个 fly() 方法呢?答案是否定的。尽管大部分鸟都会飞,但也有特例,比如鸵鸟就不会飞。鸵鸟继承具有 fly() 方法的父类,那鸵鸟就具有“飞”这样的行为,这显然不符合我们对现实世界中事物的认识。当然,你可能会说,在鸵鸟这个子类中重写(overridefly() 方法,让它抛出 UnSupportedMethodException 异常不就可以了吗?具体的代码实现如下所示:

public class AbstractBird {
  //...省略其他属性和方法...
  public void fly() { //... }
}

public class Ostrich extends AbstractBird { //鸵鸟
  //...省略其他属性和方法...
  public void fly() {
    throw new UnSupportedMethodException("I can't fly.'");
  }
}

这种设计思路虽然可以解决问题,但不够优美。因为除了鸵鸟之外,不会飞的鸟还有很多,比如企鹅。对于这些不会飞的鸟来说,都需要重写 fly() 方法,抛出异常。这样的设计,一方面,徒增了编码的工作量;另一方面,也违背了最小知识原则(Least Knowledge Principle,也叫最少知识原则或者迪米特法则),暴露不该暴露的接口给外部,增加了类使用过程中被误用的概率。

那再通过 AbstractBird 类派生出两个更加细分的抽象类:会飞的鸟类 AbstractFlyableBird 和不会飞的鸟类 AbstractUnFlyableBird,让麻雀、乌鸦这些会飞的鸟都继承 AbstractFlyableBird,让鸵鸟、企鹅这些不会飞的鸟,都继承 AbstractUnFlyableBird 类,不就可以了吗?具体的继承关系如下图所示:
image.png
从图中可以看出,继承关系变成了三层。不过,整体上来讲,目前的继承关系还比较简单,层次比较浅,也算是一种可以接受的设计思路。再继续加点难度。在刚刚这个场景中,我们只关注“鸟会不会飞”,但如果我们还关注“鸟会不会叫”,那这个时候,又该如何设计类之间的继承关系呢?

是否会飞?是否会叫?两个行为搭配起来会产生四种情况:会飞会叫、不会飞会叫、会飞不会叫、不会飞不会叫。如果我们继续沿用刚才的设计思路,那就需要再定义四个抽象类(AbstractFlyableTweetableBirdAbstractFlyableUnTweetableBirdAbstractUnFlyableTweetableBirdAbstractUnFlyableUnTweetableBird)。
image.png
如果还需要考虑“是否会下蛋”这样一个行为,那估计就要组合爆炸了。类的继承层次会越来越深、继承关系会越来越复杂。而这种层次很深、很复杂的继承关系,一方面,会导致代码的可读性变差。因为我们要搞清楚某个类具有哪些方法、属性,必须阅读父类的代码、父类的父类的代码……一直追溯到最顶层父类的代码。另一方面,这也破坏了类的封装特性,将父类的实现细节暴露给了子类。子类的实现依赖父类的实现,两者高度耦合,一旦父类代码修改,就会影响所有子类的逻辑。

总之,继承最大的问题就在于:继承层次过深、继承关系过于复杂会影响到代码的可读性和可维护性。这也是为什么不推荐使用继承。那刚刚例子中继承存在的问题,又该如何来解决呢?

组合相比继承有哪些优势?

实际上,可以利用组合(composition)、接口、委托(delegation)三个技术手段,一块儿来解决刚刚继承存在的问题。

前面讲到接口的时候说过,接口表示具有某种行为特性。针对“会飞”这样一个行为特性,我们可以定义一个 Flyable 接口,只让会飞的鸟去实现这个接口。对于会叫、会下蛋这些行为特性,我们可以类似地定义 Tweetable 接口、EggLayable 接口。将这个设计思路翻译成 Java 代码的话,就是下面这个样子:

public interface Flyable {
  void fly();
}
public interface Tweetable {
  void tweet();
}
public interface EggLayable {
  void layEgg();
}
public class Ostrich implements Tweetable, EggLayable {//鸵鸟
  //... 省略其他属性和方法...
  @Override
  public void tweet() { //... }
  @Override
  public void layEgg() { //... }
}
public class Sparrow impelents Flayable, Tweetable, EggLayable {//麻雀
  //... 省略其他属性和方法...
  @Override
  public void fly() { //... }
  @Override
  public void tweet() { //... }
  @Override
  public void layEgg() { //... }
}

不过,接口只声明方法,不定义实现。也就是说,每个会下蛋的鸟都要实现一遍 layEgg() 方法,并且实现逻辑是一样的,这就会导致代码重复的问题。那这个问题又该如何解决呢?

可以针对三个接口再定义三个实现类,它们分别是:实现了 fly() 方法的 FlyAbility 类、实现了 tweet() 方法的 TweetAbility 类、实现了 layEgg() 方法的 EggLayAbility 类。然后,通过组合和委托技术来消除代码重复。具体的代码实现如下所示:

public interface Flyable {
  void fly()
}
public class FlyAbility implements Flyable {
  @Override
  public void fly() { //... }
}
//省略Tweetable/TweetAbility/EggLayable/EggLayAbility

public class Ostrich implements Tweetable, EggLayable {//鸵鸟
  private TweetAbility tweetAbility = new TweetAbility(); //组合
  private EggLayAbility eggLayAbility = new EggLayAbility(); //组合
  //... 省略其他属性和方法...
  @Override
  public void tweet() {
    tweetAbility.tweet(); // 委托
  }
  @Override
  public void layEgg() {
    eggLayAbility.layEgg(); // 委托
  }
}

继承主要有三个作用:表示 is-a 关系,支持多态特性,代码复用。而这三个作用都可以通过其他技术手段来达成。比如 is-a 关系,我们可以通过组合和接口的 has-a 关系来替代;多态特性我们可以利用接口来实现;代码复用我们可以通过组合和委托来实现。所以,从理论上讲,通过组合、接口、委托三个技术手段,我们完全可以替换掉继承,在项目中不用或者少用继承关系,特别是一些复杂的继承关系。

如何判断该用组合还是继承?

尽管我们鼓励多用组合少用继承,但组合也并不是完美的,继承也并非一无是处。从上面的例子来看,继承改写成组合意味着要做更细粒度的类的拆分。这也就意味着,我们要定义更多的类和接口。类和接口的增多也就或多或少地增加代码的复杂程度和维护成本。所以,在实际的项目开发中,我们还是要根据具体的情况,来具体选择该用继承还是组合。

如果类之间的继承结构稳定(不会轻易改变),继承层次比较浅(比如,最多有两层继承关系),继承关系不复杂,我们就可以大胆地使用继承。反之,系统越不稳定,继承层次很深,继承关系复杂,我们就尽量使用组合来替代继承。

除此之外,还有一些设计模式会固定使用继承或者组合。比如,装饰者模式(decorator pattern)、策略模式(strategy pattern)、组合模式(composite pattern)等都使用了组合关系,而模板模式(template pattern)使用了继承关系。

前面讲到继承可以实现代码复用。利用继承特性,我们把相同的属性和方法,抽取出来,定义到父类中。子类复用父类中的属性和方法,达到代码复用的目的。但是,有的时候,从业务含义上,A 类和 B 类并不一定具有继承关系。比如,Crawler 类和 PageAnalyzer 类,它们都用到了 URL 拼接和分割的功能,但并不具有继承关系(既不是父子关系,也不是兄弟关系)。仅仅为了代码复用,生硬地抽象出一个父类出来,会影响到代码的可读性。如果不熟悉背后设计思路的同事,发现 Crawler 类和 PageAnalyzer 类继承同一个父类,而父类中定义的却只是 URL 相关的操作,会觉得这个代码写得莫名其妙,理解不了。这个时候,使用组合就更加合理、更加灵活。具体的代码实现如下所示:

public class Url {
  //...省略属性和方法
}

public class Crawler {
  private Url url; // 组合
  public Crawler() {
    this.url = new Url();
  }
  //...
}

public class PageAnalyzer {
  private Url url; // 组合
  public PageAnalyzer() {
    this.url = new Url();
  }
  //..
}

还有一些特殊的场景要求我们必须使用继承。如果你不能改变一个函数的入参类型,而入参又非接口,为了支持多态,只能采用继承来实现。比如下面这样一段代码,其中 FeignClient 是一个外部类,我们没有权限去修改这部分代码,但是我们希望能重写这个类在运行时执行的 encode() 函数。这个时候,我们只能采用继承来实现了。

public class FeignClient { // feign client框架代码
  //...省略其他代码...
  public void encode(String url) { //... }
}

public void demofunction(FeignClient feignClient) {
  //...
  feignClient.encode(url);
  //...
}

public class CustomizedFeignClient extends FeignClient {
  @Override
  public void encode(String url) { //...重写encode的实现...}
}

// 调用
FeignClient client = new CustomizedFeignClient();
demofunction(client);

尽管有些人说,要杜绝继承,100% 用组合代替继承,但是这里的观点没那么极端!之所以“多用组合少用继承”这个口号喊得这么响,只是因为,长期以来,过度使用继承。还是那句话,组合并不完美,继承也不是一无是处。只要我们控制好它们的副作用、发挥它们各自的优势,在不同的场合下,恰当地选择使用继承还是组合,这才是我们所追求的境界。

重点回顾

1. 为什么不推荐使用继承?

继承是面向对象的四大特性之一,用来表示类之间的 is-a 关系,可以解决代码复用的问题。虽然继承有诸多作用,但继承层次过深、过复杂,也会影响到代码的可维护性。在这种情况下,我们应该尽量少用,甚至不用继承。

2. 组合相比继承有哪些优势?

继承主要有三个作用:表示 is-a 关系,支持多态特性,代码复用。而这三个作用都可以通过组合、接口、委托三个技术手段来达成。除此之外,利用组合还能解决层次过深、过复杂的继承关系影响代码可维护性的问题。

3. 如何判断该用组合还是继承?

尽管我们鼓励多用组合少用继承,但组合也并不是完美的,继承也并非一无是处。在实际的项目开发中,我们还是要根据具体的情况,来选择该用继承还是组合。如果类之间的继承结构稳定,层次比较浅,关系不复杂,我们就可以大胆地使用继承。反之,我们就尽量使用组合来替代继承。除此之外,还有一些设计模式、特殊的应用场景,会固定使用继承或者组合。

思考

  • 在基于 MVC 架构开发 Web 应用的时候,经常会在数据库层定义 Entity,在 Service 业务层定义 BOBusiness Object),在 Controller 接口层定义 VOView Object)。大部分情况下,EntityBOVO 三者之间的代码有很大重复,但又不完全相同。该如何处理 EntityBOVO 代码重复的问题呢?

参考:为何说要多用组合少用继承?如何决定该用组合还是继承?