架构设计基础系列：面向对象设计的原则

引言

面向对象设计（Object-Oriented Design，OOD）是软件开发中的重要概念，其核心在于通过对象、类、继承、封装和多态等机制，实现对现实世界问题的抽象和建模。OOD不仅有助于提高代码的可重用性、可维护性和可扩展性，还能有效管理复杂系统中的依赖关系。本文将深入探讨面向对象设计的原则，并通过丰富的Java代码案例进行说明。

1.单一职责原则（Single Responsibility Principle, SRP）

‌定义‌

一个类应该只有一个引起它变化的理由，或者说，一个类应该只有一个职责。

代码案例‌

// 违反单一职责原则
public class UserManager {
    public void createUser(String name, String email) {
        // 创建用户逻辑
    }

    public void sendEmail(String email, String message) {
        // 发送邮件逻辑
    }
}

// 遵循单一职责原则
public class UserService {
    public void createUser(String name, String email) {
        // 创建用户逻辑
    }
}

public class EmailService {
    public void sendEmail(String email, String message) {
        // 发送邮件逻辑
    }
}

2.开放封闭原则（Open Closed Principle,OCP）

‌定义‌

软件实体（类、模块、函数等）应该可以扩展，但是不可修改。

是所有面向对象原则的核心。软件设计本身所追求的目标就是封装变化、降低耦合，而_开放封闭原则_正是对这一目标的最直接体现

代码案例‌

// 违反开放封闭原则
public class Shape {
    public void draw() {
        System.out.println("Drawing Shape");
    }
}

// 需要新增一种形状时，需要修改Shape类或其子类

// 遵循开放封闭原则
public abstract class Shape {
    public abstract void draw();
}

public class Circle extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Drawing Circle");
    }
}

// 可以通过添加新的子类来扩展功能，无需修改现有代码
public class Rectangle extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Drawing Rectangle");
    }
}

3.里氏替换原则（Liskov Substitution Principle,LSP）

‌定义‌

子类必须能够替换它们的基类而不影响程序的正确性。

其核心思想是：‌如果S是T的子类型，那么在所有使用T类型的地方，都可以替换成S类型而不会影响程序的正确性‌。这意味着子类应该能够完全替代其父类，并且在使用时不会出现任何错误或异常。

‌代码案例‌

// 违反里氏替换原则
public class Bird {
    public void fly() {
        System.out.println("Flying");
    }
}

public class Ostrich extends Bird {
    @Override
    public void fly() {
        throw new UnsupportedOperationException("Ostriches can't fly");
    }
}

// 遵循里氏替换原则
public abstract class FlyingBird {
    public abstract void fly();
}

public class Sparrow extends FlyingBird {
    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("Sparrow is flying");
    }
}

// Ostrich类不继承FlyingBird，因为它不能飞

4.接口隔离原则（Interface Segregation Principle, ISP）

‌定义‌

客户端不应该被迫依赖于它们不使用的方法；接口应该小而专一，仅包含客户端需要的方法。这样可以减少不必要的依赖，提高系统的灵活性和可维护性。

其核心思想是‌客户端不应该依赖它不需要的接口‌，即类之间的依赖关系应建立在最小的接口上，避免设计臃肿的接口。‌

‌代码案例‌

// 违反接口隔离原则
public interface Animal {
    void eat();
    void sleep();
    void breathe(); // 并非所有动物都通过肺呼吸
}

// 遵循接口隔离原则
public interface Eater {
    void eat();
}

public interface Sleeper {
    void sleep();
}

public class Dog implements Eater, Sleeper {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("Dog is eating");
    }

    @Override
    public void sleep() {
        System.out.println("Dog is sleeping");
    }
}

5.依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle,DIP）

‌定义‌

高层模块不应该依赖于低层模块，二者都应该依赖于抽象；抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。

程序要依赖于抽象接口，不要依赖于具体实现。简单的说就是要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合。

‌代码案例‌

// 违反依赖倒置原则
public class HighLevelModule {
    private LowLevelModule lowLevelModule = new LowLevelModule();

    public void doSomething() {
        lowLevelModule.performTask();
    }
}

// 遵循依赖倒置原则
public interface TaskPerformer {
    void performTask();
}

public class LowLevelModule implements TaskPerformer {
    @Override
    public void performTask() {
        System.out.println("Performing low level task");
    }
}

public class HighLevelModule {
    private TaskPerformer taskPerformer;

    public HighLevelModule(TaskPerformer taskPerformer) {
        this.taskPerformer = taskPerformer;
    }

    public void doSomething() {
        taskPerformer.performTask();
    }
}

6. 组合复用原则（Composite Reuse Principle, CRP）

‌定义‌

优先使用对象组合（Composition）而非继承（Inheritance）来实现代码复用，避免因继承层次过深导致的代码僵化。

‌代码案例‌

// 使用继承导致脆弱的设计
public class Engine { /* 基础引擎实现 */ }

public class Car extends Engine {  
    public void start() {  
        System.out.println("Car starts with engine");  
    }  
}  

// 新增电动引擎时，继承体系难以扩展
public class ElectricEngine extends Engine { /* 电动引擎实现 */ }  

// 使用组合替代继承
public interface Engine {  
    void ignite();  
}  

public class GasolineEngine implements Engine {  
    @Override  
    public void ignite() {  
        System.out.println("Igniting gasoline engine");  
    }  
}  

public class ElectricMotor implements Engine {  
    @Override  
    public void ignite() {  
        System.out.println("Activating electric motor");  
    }  
}  

public class Car {  
    private final Engine engine;  

    public Car(Engine engine) {  
        this.engine = engine;  
    }  

    public void start() {  
        engine.ignite();  
        System.out.println("Car started");  
    }  
}

7. 迪米特法则（Law of Demeter, LoD）

‌定义‌

一个对象应仅与其直接朋友（即方法参数、成员变量、自身创建的对象）交互，避免“远距离耦合”。

‌代码案例‌

// 违反迪米特法则：直接访问深层对象
public class Customer {  
    private Wallet wallet;  
    public Wallet getWallet() { return wallet; }  
}  

public class Wallet {  
    private double balance;  
    public double getBalance() { return balance; }  
}  

// 在外部类中直接调用链式方法
public class PaymentService {  
    public void processPayment(Customer customer) {  
        double balance = customer.getWallet().getBalance();  
        // 直接依赖Wallet的实现细节  
    }  
}  

// 遵循迪米特法则：封装间接访问
public class Customer {  
    private Wallet wallet;  
    public double getWalletBalance() {  
        return wallet.getBalance();  
    }  
}  

public class PaymentService {  
    public void processPayment(Customer customer) {  
        double balance = customer.getWalletBalance();  
        // 仅依赖Customer的接口  
    }  
}

8. 稳定抽象原则（Stable Abstractions Principle, SAP）

‌定义‌

模块的抽象程度应与其稳定性成正比，稳定模块应通过抽象接口提供扩展点。

‌代码案例‌

// 稳定的抽象接口
public interface DataRepository {  
    void save(String data);  
}  

// 不稳定的具体实现可独立变化
public class DatabaseRepository implements DataRepository {  
    @Override  
    public void save(String data) {  
        System.out.println("Saving to database: " + data);  
    }  
}  

public class CloudStorageRepository implements DataRepository {  
    @Override  
    public void save(String data) {  
        System.out.println("Uploading to cloud: " + data);  
    }  
}  

// 高层模块依赖抽象，不受底层实现变化影响
public class ReportGenerator {  
    private final DataRepository repository;  

    public ReportGenerator(DataRepository repository) {  
        this.repository = repository;  
    }  

    public void generateReport() {  
        String reportData = "Report content";  
        repository.save(reportData);  
    }  
}

原则的综合应用：设计模式中的体现

面向对象设计原则常通过经典设计模式落地。例如：

‌策略模式‌（Strategy Pattern）

- 依赖抽象（DIP），通过接口隔离不同算法（ISP）。

public interface SortingStrategy {  
    void sort(int[] array);  
}  

public class QuickSort implements SortingStrategy { /* 具体实现 */ }  
public class MergeSort implements SortingStrategy { /* 具体实现 */ }

‌装饰器模式‌（Decorator Pattern）

- 开放封闭原则（OCP）的典型实践，通过组合动态扩展功能。

public interface Coffee { double getCost(); }  
public class SimpleCoffee implements Coffee { /* 基础实现 */ }  

public abstract class CoffeeDecorator implements Coffee {  
    protected Coffee decoratedCoffee;  
    public CoffeeDecorator(Coffee coffee) { this.decoratedCoffee = coffee; }  
}  

public class MilkDecorator extends CoffeeDecorator {  
    @Override  
    public double getCost() { return decoratedCoffee.getCost() + 0.5; }  
}

总结

面向对象设计原则并非孤立的教条，而是一个具有‌正交性‌的有机体系。其协同作用体现在三个关键维度：

• 模块化治理‌
  通过‌‌单一职责原则‌‌与‌‌接口隔离原则‌‌的正交组合，以声明式设计（Declarative Design）界定模块边界，消除职责扩散（Responsibility Diffusion）风险。

• 架构演化控制‌
  基于‌‌开放封闭原则‌‌的扩展性承诺与‌‌依赖倒置原则‌‌的抽象约束，形成面向变更的免疫系统（Change-Resistant Architecture），有效控制系统熵增。

• 耦合解耦工程‌
  通过‌‌组合复用原则‌‌的对象委托机制和‌‌迪米特法则‌‌的局部性原理（Locality Principle），实现耦合度的亚线性增长（Sublinear Growth）。

开发者应在‌技术债务控制‌与‌架构演进速度‌间建立动态平衡：

• 在敏捷开发的‌原型验证阶段‌，可对里氏替换原则实施有限豁免（如通过@Deprecated注解标记风险边界）
• 在‌核心业务域模块‌中，则需通过稳定抽象原则构建防腐层（Anti-Corruption Layer），保障领域模型纯度

架构启示‌：优秀设计不是原则的简单叠加，而是基于系统上下文（System Context）的拓扑重构（Topological Refactoring）。