正交设计 OO 与 SOLID

Question

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？它们的目的和在？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）。

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：