正交设计，OO与SOLID

软件设计 OO

正交设计，是普遍的设计原则，与粒度无关，与编程范式无关，更与具体的实现语言无关。（虽然确实在不同的编程范式下，或使用不同的编程语言时，具体的解决方法或难易程度不同，这也正是为何我们总是在寻找更适合的编程范式，更高效的编程语言的原因）。

而具体到面向对象范式，我们都知道著名的SOLID原则。但是：这五个原则是怎么来的？它们的目的何在？它们的关系如何？

为了搞清楚这些疑问，我们再次回到最初的问题：

1. 软件模块该如何划分？（怎么分）
2. 模块间API该如何定义？（怎么合）

怎样进行分解？

模块的划分，是一个问题分解的过程。

在文章《VBD (Volatility Based Decomposition)》里，引用了一篇70年代的论文《On the Criteria to be Used in Decomposing Systems into Modules》。

在这篇论文里，作者通过一个小例子，清晰的指出了软件模块划分应该以基于信息隐藏为目的，以职责划分为手段，从而封装变化，让软件更加容易修改（即Kent Beck的理想：局部化影响）。

这篇文章也展示了：基于流程（过程）的分解，是一种极其脆弱的模块划分方式。因而我们应该离基于过程的分解越远越好。

这也是为何Matt Cochran将这种分解方法称做：基于易变性的分解（Volatility Based Decomposition）。

总而言之，变化及应对变化，是软件设计最大的挑战，目的和意义。

面向对象究竟要解决什么问题？

最近几年，我听到太多针对OO的批评，其中最为奇葩的说法是：OO只适合GUI编程。因为GUI组件概念上更接近于对象，至于其它领域则不太合适。

对提出这样高论的人，我相当确信，他们不仅对于面向对象一无所知，更是对于复杂软件所面临的真正挑战，以及软件设计究竟要解决什么问题一无所知。

前两天偶然从东海陈光剑的文章《函数式编程与面向对象编程[5]:编程的本质》读到软件模块化的目的和价值（虽然他用的是结构化，但在我看来也是在谈模块化），非常精彩，深合我意：

（软件设计是一个）层次化分解与重新复合的过程

这个思维过程, 并非是受计算机的限制而产生，它反映的是人类思维的局限性。我们的大脑一次只能处理很少的概念。生物学中被广为引用的 一篇论文指出我们我们的大脑中只能保存7 ± 2个信息块。我们对人类短期记忆的认识可能会有变化，但是可以肯定的是它是有限的。底线就是我们不能处理一大堆乱糟糟的对象或像兰州拉面似的代码。

我们需要结构化并非是因为结构化的程序看上去有多么美好，而是我们的大脑无法有效的处理非结构化的东西。我们经常说一些代码片段是优雅的或美观的，实际上那只意味 着它们更容易被人类有限的思维所处理。优雅的代码创造出尺度合理的代码块，它正好与我们的『心智消化系统』能够吸收的数量相符。

那么，对于程序的复合而言，正确的代码块是怎样的？它们的表面积必须要比它们的体积增长的更为缓慢。我喜欢这个比喻，因为几何对象的表面积是以尺寸的平方的速度增长的，而体积是以尺寸的立方的速度增长的，因此表面积的增长速度小于体积。

代码块的表面积是是我们复合代码块时所需要的信息。代码块的体积 是我们为了实现它们所需要的信息。一旦代码块的实现过程结束，我们就可以忘掉它的实现细节，只关心它与其他代码块的相互影响。在面向对象编程中，类或接口的声明就是表面。在函数式编程中，函数的声明就是表面。我把事情简化了一些，但是要点就是这些。

怎样才能做到表面积增长速度小于体积增长速度？当然是分解，信息隐藏，抽象。而这些也正是面向对象所追求和擅长的。

面向对象主要目的是为了模块化。虽然在一些数学家看来：由于面向对象没有很好的数学理论基础，因而必然是一个错误的方法论。可对于如何编写一个易于应对变化的软件，并不是一个纯数学理论问题（或许确实有数学家也可以抽象出一套数学理论），而更多的是一个实践问题。作为长期处于实践一线的我们，不应把几个数学家的看法当作金科玉律（对于那些没有实践经验，却对如何实践指手画脚的纯理论派，每次看到他们的不负责任的言论，考虑到他们的影响力和对新手的误导，就禁不住想对他们竖中指）（参见《学习的逻辑3: 三人行必有我徒》）。

软件工业最近20年来，能够构建如此大规模的需求频繁变化的软件系统，很大程度上得益于面向对象对于模块化的良好支持。

而现在风头正劲的微服务化，无非是把模块化的思想，从进程内模块（类），变为进程间而已。

OO和FP

面向对象与函数式编程的最大区别在于数据是否是强制不变性。这个前提，导致了一系列其它的差异。

因为可变性，面向对象可以将算法和数据放在一起，当数据是一种实现细节时，可对其进行信息隐藏和封装。但在Pure FP里，数据和算法是必须分离的。这种分离，在很多场景下，对于信息隐藏相当不利（在这里我们先不谈性能）。因而，当系统规模足够复杂时，FP对于构造易于维护软件的能力比面向对象要弱。

因而，FP为了实用，要么部分放弃对不变性的坚持（如LISP所做的那样），从而允许模拟面向对象范式（参见SICP）；要么通过Existential Quantification，来模拟OO的运行时多态，以达到信息隐藏，隔离变化的目的；要么使用轻量级进程（轻量很关键）：让每个轻量级进程承担一个很小的职责，从进程外部看，每个轻量级进程都可以有可修改的数据，以及基于消息的行为驱动（如erlang或akka的Actor模型），而这正是对于smalltalk的对象模拟，从而缓解了不变性带来的尴尬。进而也说明了基于高内聚，低耦合原则进行的模块化是超越范式的。

因而，一些FPer对于OO的盲目批评，和认为面向对象只适合GUI领域一样，都并不真正明白一个复杂软件的关键挑战，以及解决方案何在。

当然，具体到编程语言，即便都是OO语言，差别也巨大。但这是另外一个宏大的话题，这里暂且不谈。只重点说一句：不要把某种OO语言，当作OO本身。

关于FP和OO的话题，值得专门写一篇文章全面论述，而本文的目的在于介绍SOLID，因而不再赘述。

正交原则与SOLID的关系

一个好的面向对象设计，自然是符合高内聚，低耦合原则的对象划分和协作方式。

单一职责和开放封闭，更多的在强调类划分时的高内聚；而里氏替换，依赖倒置，接口隔离则更多的强调类与类之间协作接口（即API）定义的低耦合。

高内聚（怎么分）

单一职责，通过对变化原因的识别，将一个承担多重职责的类，不断分割为更小的，只具备单一变化原因的类。而单一变化原因指的是：一个变化，会引起整个类都发生变化。只有关联极其紧密的情况，才会导致这样的局面。因而，单一职责和高内聚某种程度是同义词。

但单一职责原则本身，并没有明确指示我们该如何判定一个类属于单一职责的，以及如何达到单一职责的状态。而策略消除重复，分离不同变化方向，正是让类达到单一职责的策略与途径。

低耦合 (怎么合)

而开放封闭原则，正是通过将不同变化方向进行分离，从而达到对于已经出现的变化方向，对于修改是封闭的，对于扩展是开放的。

里氏替换原则强调的是，一个子类不应该破坏其父类与客户之间的契约。唯有如此，才能保证：客户与其父类所暴露的接口（即API）所产生的依赖关系是稳定的。子类只应该成为隐藏在API背后的某种具体实现方式。

依赖倒置原则则强调：为了让依赖关系是稳定的，不应该由实现侧根据自己的技术实现方式定义接口，然后强迫上层（即客户）依赖这种不稳定的API定义，而是应该站在上层（即客户）的角度去定义API（正所谓依赖倒置）。

但是，虽然接口由上层定义，但最终接口的实现却依然由下层完成，因此依赖倒置描述为：上层不依赖下层，下层也不依赖上层，双方共同依赖于抽象。

最后，接口隔离原则强调的是：不应该强迫客户依赖它不需要的东西。显然，这是缩小依赖范围策略在面向对象范式下的产物。

结论

正交设计是一种与范式，语言无关的设计原则。为了解决在模块化的过程中，如何让软件在长期范围内更容易应对变化。

而面向对象是一种对模块化支持良好的范式。通过高内聚，低耦合原则，或正交策略的运用，面向对象范式下SOLID原则会自然浮现。

我们耳熟能详的软件设计相关原则，模式与实践的关系如下：

关于正交设计的更多细节，请参阅《变化驱动：正交设计》。