软件设计原则与实践指南

# 软件设计原则与实践指南 ## 1. 驯服问题与设计原则的关联 在软件设计领域，我们可以通过排序问题来理解“驯服问题”的概念。排序一个数据值列表就是一个典型的驯服问题，它具有以下特点： - 问题陈述清晰：使用特定函数将列表按升序排序。 - 有明确的终止点：列表排序完成。 - 结果可客观评估：列表要么排序正确，要么不正确。 - 属于同类问题：排序整数、字符串或数据库记录等都采用相似方法。 - 解决方案易尝试和放弃。 - 替代解决方案有限：比较排序有已知算法和理论下限。 认识到大多数软件问题存在一定的“复杂性”，这会影响我们对设计问题的思考方式、解决大型不明确问题的设计方法，也让我们对设计过程有更深入的理解。这促使我们摒弃瀑布模型，寻找适用于设计问题的统一启发式方法。 ## 2. 设计过程的特点 ### 2.1 设计是杂乱的 即使完全理解问题需求（即面对驯服问题），设计软件解决方案时通常也有许多替代方案需要考虑，并且在找到可行的解决方案之前往往会犯很多错误。随着对问题理解的加深，设计会不断变化，这看似杂乱无章，但实际上是在取得进展。 ### 2.2 设计涉及权衡和优先级 大多数软件项目都有时间限制，通常无法实现客户想要的所有功能。因此，需要确定在可用时间内为客户提供最高优先级功能的子集，对需求进行优先级排序，并在不同子集之间进行权衡。 ### 2.3 设计是启发式的 对于绝大多数项目，没有一套固定的规则来指导设计，如“先用技术 Y 设计组件 X，再用技术 W 设计组件 Z”。软件设计依靠设计师在职业生涯中积累的不断变化的启发式方法（经验法则）。优秀的设计师随着时间的推移会学习更多的启发式方法和模式，从而能够快速处理设计中的简单部分，深入解决问题的核心。最好的学习方式是向资深设计师学习这些启发式方法。 ### 2.4 设计是不断演变的 优秀的设计师明白，无论问题是驯服的还是复杂的，需求都会随时间变化，这会导致设计也随之演变。特别是在产品发布和添加新功能时，关键是创建一个易于更改且对下游设计和代码影响有限的软件架构。 以下是设计过程特点的总结表格： | 设计过程特点 | 描述 | | --- | --- | | 杂乱性 | 有多种替代方案，设计随对问题理解加深而变化 | | 权衡和优先级 | 受时间限制，需确定高优先级功能子集 | | 启发式 | 依靠不断变化的经验法则和模式 | | 演变性 | 需求变化导致设计演变，需创建易更改架构 | ## 3. 理想设计的特性 无论项目规模大小或采用何种设计过程，每个软件设计都应具备一些理想的特性，这些特性是设计时应遵循的原则。虽然设计不一定需要具备所有这些特性，但具备大部分特性将使软件更易于编写、理解和使用。 ### 3.1 适用性 设计必须可行且正确，即在软件运行平台的约束下满足给定的需求。在设计过程中不要自行添加新需求，客户会提出这些需求。 ### 3.2 关注点分离 与模块化密切相关，该原则要求清晰地分离设计中的功能部分，以方便维护和简化设计。模块化是有益的。 ### 3.3 简单性 设计应尽可能简单，以便他人理解。如果发现可以简化的地方，应及时进行简化。即使简化设计意味着添加更多模块或类，也是可以接受的。简单性也适用于模块或类之间的接口，简单的接口能让他人看到设计中的数据和控制流。在敏捷方法中，始终强调简单性，当有机会简化程序的某个部分时（在敏捷术语中称为重构），应立即进行。 ### 3.4 易于维护 简单易懂的设计更易于更改。开发过程中各个阶段（需求、分析、设计、编码和测试）都可能出现错误，设计越连贯、易懂，就越容易隔离和修复错误。 ### 3.5 松耦合 将设计分离为模块（在面向对象设计中为类）时，类之间的依赖程度称为耦合。紧密耦合的模块可能共享数据或过程，这意味着一个模块的更改很可能导致另一个模块的更改，增加了维护负担并使模块更易出错。而松耦合的模块仅通过接口连接，它们所需的任何数据都必须通过接口在过程或方法之间传递。松耦合模块向其他模块隐藏其操作细节，仅共享接口，这样一个类的实现更改只要接口不变，就不太可能影响其他类的操作，从而减少了维护负担，隔离了更改，降低了错误传播的可能性。 ### 3.6 高内聚 高内聚是松耦合的补充。模块内的内聚性是指模块在其所持数据和对数据执行的操作方面的自包含程度。具有高内聚性的类几乎在类模板中定义了所需的所有数据，并且对数据允许的所有操作也在类中定义。因此，从类模板实例化的任何对象都非常独立，仅通过其公开的接口与其他对象通信。 ### 3.7 可扩展性 简单性和松耦合的结果是能够轻松地向设计中添加新功能，即可扩展性。复杂软件问题的一个特点是永远不会真正完成，每次产品发布后，客户都会要求添加新功能。添加新功能越容易，设计就越优秀。 ### 3.8 可移植性 虽然可移植性不是最重要的特性，但考虑到软件可能需要移植到其他平台（一个或多个）是有好处的。软件移植涉及许多问题，包括操作系统、硬件架构和用户界面等方面，对于 Web 应用程序尤其如此。 以下是理想设计特性的 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR A[适用性] --> B[关注点分离] B --> C[简单性] C --> D[易于维护] D --> E[松耦合] E --> F[高内聚] F --> G[可扩展性] G --> H[可移植性] ``` ## 4. 设计启发式方法 以下是一些经过时间考验的设计启发式方法，虽然列表并不详尽且具有一定的特殊性，但可以反复使用。在下次设计练习中可以思考并尝试这些方法。 ### 4.1 寻找现实世界的对象进行建模 Alan Davis 和 Richard Fairley 将此称为“智力距离”，即设计与现实世界对象的接近程度。启发式方法是尝试找到与程序中要建模的事物接近的现实世界对象。在设计程序时牢记现实世界对象有助于使设计更贴近问题。Fairley 建议尽量减小现实世界对象与模型之间的智力距离。 ### 4.2 抽象是关键 无论是进行面向对象设计创建接口和抽象类，还是进行更传统的分层设计，都应使用抽象。抽象意味着暂时搁置需要做的事情，将其推到