软件的复杂度和它的规模成指数关系,一个复杂度为100的软件系统,如果能拆分成两个互不相关、同等规模的子系统,那么每个子系统的复杂度应该是25,而不是50。软件开发这个行业很久之前就形成了一个共识,应该将复杂的软件系统进行拆分,拆成多个更低复杂度的子系统,子系统还可以继续拆分成更小粒度的组件。也就是说,软件需要进行模块化、组件化设计。
事实上,早在打孔纸带编程时代,程序员们就开始尝试进行软件的组件化设计。那些相对独立,可以被复用的程序被打在纸带卡片上,放在一个盒子里。当某个程序需要复用这个程序组件的时候,就把这一摞纸带卡片从盒子里拿出来,放在要运行的其他纸带的前面或者后面,被光电读卡器一起扫描,一起执行。
其实我们现在的组件开发与复用跟这个也差不多。比如我们用Java开发,会把独立的组件编译成一个一个的jar包,相当于这些组件被封装在一个一个的盒子里。需要复用的时候,程序只需要依赖这些jar包,运行的时候,只需要把这些依赖的jar包放在classpath
路径下,最后被JVM统一装载,一起执行。
现在,稍有规模的软件系统一定被拆分成很多组件。正是因为组件化设计,我们才能开发出复杂的系统。
那么如何进行组件的设计呢?组件的粒度应该多大?如何对组件的功能进行划分?组件的边界又在哪里?
我们之前说过,软件设计的核心目标就是高内聚、低耦合。那么今天我们从这两个维度,看组件的设计原则。
组件内聚原则主要讨论哪些类应该聚合在同一个组件中,以便组件既能提供相对完整的功能,又不至于太过庞大。在具体设计中,可以遵循以下三个原则。
复用发布等同原则是说,软件复用的最小粒度应该等同于其发布的最小粒度。也就是说,如果你希望别人以怎样的粒度复用你的软件,你就应该以怎样的粒度发布你的软件。这其实就是组件的定义了,组件是软件复用和发布的最小粒度软件单元。这个粒度既是复用的粒度,也是发布的粒度。
同时,如果你发布的组件会不断变更,那么你就应该用版本号做好组件的版本管理,以使组件的使用者能够知道自己是否需要升级组件版本,以及是否会出现组件不兼容的情况。因此,组件的版本号应该遵循一些大家都接受的约定。
这里有一个版本号约定建议供你参考,版本号格式:主版本号.次版本号.修订号。比如1.3.12,在这个版本号中,主版本号是1,次版本号是3,修订号是12。主版本号升级,表示组件发生了不向前兼容的重大修订;次版本号升级,表示组件进行了重要的功能修订或者bug修复,但是组件是向前兼容的;修订号升级,表示组件进行了不重要的功能修订或者bug修复。
共同封闭原则是说,我们应该将那些会同时修改,并且为了相同目的而修改的类放到同一个组件中。而将不会同时修改,并且不会为了相同目的而修改的类放到不同的组件中。
组件的目的虽然是为了复用,然而开发中常常引发问题的,恰恰在于组件本身的可维护性。如果组件在自己的生命周期中必须经历各种变更,那么最好不要涉及其他组件,相关的变更都在同一个组件中。这样,当变更发生的时候,只需要重新发布这个组件就可以了,而不是一大堆组件都受到牵连。
也许将某些类放入这个组件中对于复用是便利的、合理的,但如果组件的复用与维护发生冲突,比如这些类将来的变更和整个组件将来的变更是不同步的,不会由于相同的原因发生变更,那么为了可维护性,应该谨慎考虑,是不是应该将这些类和组件放在一起。
共同复用原则是说,不要强迫一个组件的用户依赖他们不需要的东西。
这个原则一方面是说,我们应该将互相依赖,共同复用的类放在一个组件中。比如说,一个数据结构容器组件,提供数组、Hash表等各种数据结构容器,那么对数据结构遍历的类、排序的类也应该放在这个组件中,以使这个组件中的类共同对外提供服务。
另一方面,这个原则也说明,如果不是被共同依赖的类,就不应该放在同一个组件中。如果不被依赖的类发生变更,就会引起组件变更,进而引起使用组件的程序发生变更。这样就会导致组件的使用者产生不必要的困扰,甚至讨厌使用这样的组件,也造成了组件复用的困难。
其实,以上三个组件内聚原则相互之间也存在一些冲突,比如共同复用原则和共同闭包原则,一个强调易复用,一个强调易维护,而这两者是有冲突的。因此这些原则可以用来指导组件设计时的考量,但要想真正做出正确的设计决策,还需要架构师自己的经验和对场景的理解,对这些原则进行权衡。
组件内聚原则讨论的是组件应该包含哪些功能和类,而组件耦合原则讨论组件之间的耦合关系应该如何设计。组件耦合关系设计也应该遵循三个原则。
无循环依赖原则说,组件依赖关系中不应该出现环。如果组件A依赖组件B,组件B依赖组件C,组件C又依赖组件A,就形成了循环依赖。
很多时候,循环依赖是在组件的变更过程中逐渐形成的,组件A版本1.0依赖组件B版本1.0,后来组件B升级到1.1,升级的某个功能依赖组件A的1.0版本,于是形成了循环依赖。如果组件设计的边界不清晰,组件开发设计缺乏评审,开发者只关注自己开发的组件,整个项目对组件依赖管理没有统一的规则,很有可能出现循环依赖。
而一旦系统内出现组件循环依赖,系统就会变得非常不稳定。一个微小的bug都可能导致连锁反应,在其他地方出现莫名其妙的问题,有时候甚至什么都没做,头一天还好好的系统,第二天就启动不了了。
在有严重循环依赖的系统内开发代码,整个技术团队就好像在焦油坑里编程,什么也不敢动,也动不了,只有焦躁和沮丧。
稳定依赖原则说,组件依赖关系必须指向更稳定的方向。很少有变更的组件是稳定的,也就是说,经常变更的组件是不稳定的。根据稳定依赖原则,不稳定的组件应该依赖稳定的组件,而不是反过来。
反过来说,如果一个组件被更多组件依赖,那么它需要相对是稳定的,因为想要变更一个被很多组件依赖的组件,本身就是一件困难的事。相对应的,如果一个组件依赖了很多的组件,那么它相对也是不稳定的,因为它依赖的任何组件变更,都可能导致自己的变更。
稳定依赖原则通俗地说就是,组件不应该依赖一个比自己还不稳定的组件。
稳定抽象原则说,一个组件的抽象化程度应该与其稳定性程度一致。也就是说,一个稳定的组件应该是抽象的,而不稳定的组件应该是具体的。
这个原则对具体开发的指导意义就是:如果你设计的组件是具体的、不稳定的,那么可以为这个组件对外提供服务的类设计一组接口,并把这组接口封装在一个专门的组件中,那么这个组件相对就比较抽象、稳定。
在具体实践中,这个抽象接口的组件设计,也应该遵循前面专栏讲到的依赖倒置原则。也就是说,抽象的接口组件不应该由低层具体实现组件定义,而应该由高层使用组件定义。高层使用组件依赖接口组件进行编程,而低层实现组件实现接口组件。
Java中的JDBC就是这样一个例子,在JDK中定义JDBC接口组件,这个接口组件位于java.sql
包,我们开发应用程序的时候只需要使用JDBC的接口编程就可以了。而发布应用的时候,我们指定具体的实现组件,可以是MySQL实现的JDBC组件,也可以是Oracle实现的JDBC组件。
组件的边界与依赖关系划分,不仅需要考虑技术问题,也要考虑业务场景问题。易变与稳定,依赖与被依赖,都需要放在业务场景中去考察。有的时候,甚至不只是技术和业务的问题,还需要考虑人的问题,在一个复杂的组织中,组件的依赖与设计需要考虑人的因素,如果组件的功能划分涉及到部门的职责边界,甚至会和公司内的政治关联起来。
因此,公司的技术沉淀与实力,公司的业务情况,部门与团队的人情世故,甚至公司的过往历史,都可能会对组件的设计产生影响。而能够深刻了解这些情况的,通常都是公司的一些“老人”。所以,年龄大的程序员并不一定要和年轻程序员拼技术甚至拼体力,应该发挥自己的所长,去做一些对自己、对公司更有价值的事。
在稳定抽象原则里,类似JDBC的例子还有很多,你能举几个吗?
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