9 Construction for Reuse

面向复用的软件结构技术

Outline

1. 源代码级别复用；
2. 复用模块级：类、抽象类、接口；
3. 库级复用:API、包
4. 系统级别复用:框架

设计可重用的类别

1. 继承和重写
2. 重载
3. 多态和泛型参数
4. 行为子类型与Liskov替换原则
5. 组合和委托

可复用的仓库和框架设计

1.什么是软件复用？

它主要体现在两个方面：基于复用编程-使用现有可复用软件搭载应用系统开发可复用软件。前者需要分析各种应用场景之间的相似性和差异；后者需要基于现有，选择、适应、修改、扩展。代码越抽象，可重用性越高，越具体，可重用性越差。

为什么要重用软件？

1. 降低开发成本和时间
2. 经过充分测试，更加可靠稳定
3. 标准化，在不同的应用中保持一致

一般来说，使用的产品规模越大，数量越多，成本越低

开发可复用软件：

1. 开发成本高于一般软件，适应性足够高
2. 性能差，缺乏针对更普通场景的针对性

使用现有软件进行开发常不能使用，需要适应

2. 如何衡量可复用性？

1. 复用的机会有多频繁？复用的场合有多少？

2. 复用的成本是多少？(搜索获取、适应扩展、实例化、与其他软件互联的难度)

3. 复用模块级(类、接口)

该类是代码重用的原子单元

- 不需要源代码，只需要类文件或jar/zip

- 只需包含在内classpath中即可

- 可以使用javap获取一类公共方法头文件的工具

? 文档很重要（Java API）

? 包装有助于重复使用

需要管理的代码较少

版本管理和向后兼容仍然是一个问题

相关类别需要一起包装 -- 静态链接

复用一个class有很多方法：

1. inheritance继承

此外，他们前的属性和行为，并重写现有的方法

没有必要设置一些假方法，如转发和委托，但在实现继承层结构之前，不能减少原始属性和方法，只能在原始基础上添加方法。

2. delegation委托

委托是指一个对象依靠另一个对象实现某些子集的功能(一个实体将某些东西传递给另一个实体)。

- 例如，排序器将功能委托给比较器。

谨慎的委托使代码重用

- 分拣器可以按任何顺序重复使用

- 比较器可以重用任何需要比较整数的客户端代码

? 显式委托：将发送对象传递给接收对象

? 隐藏委托：通过语言成员找到规则

委托可以描述为实体共享的低层次机制 委托是实体共享代码和数据的低级机制。

4. LIB等级复用:API、Package

Libaries：

库。一组提供可重复使用功能的类别和方法（API）。

Framework：

框架。可重复使用的骨架代码，可定制应用程序。

? 框架调用回客户端代码

- 好莱坞原则："不要给我们打电话。我们会给你打电话。

一个好的API的特点：

? Easy to learn

▪ Easy to use, even without documentation

▪ Hard to misuse

▪ Easy to read and maintain code that uses it

▪ Sufficiently powerful to satisfy requirements

▪ Easy to evolve

▪ Appropriate to audience

5.系统级别的复用： Framework

框架是一个子系统设计，包含了一系列的抽象和具体的类，以及每个类之间的接口。

“只有骨架，没有血肉。”

开发者需要根据自己的规约，向其中填充代码形成完整的系统。

框架与应用程序不同

- 抽象水平不同，因为框架为一系列相关问题提供了解决方案，而不是单一问题。

- 为了适应系列问题，框架是不完整的，包含了hot spots和hooks，以允许定制

框架可按用于扩展的技术进行分类。

- 白盒框架

- 黑盒框架

白盒框架，通过代码层面的继承进行框架扩展

- 通过继承和动态绑定实现可扩展性。

- 通过子类化框架基类来扩展现有的功能

并覆盖预定义的钩子方法

- 通常情况下，设计模式，如模板方法模式，被用来覆盖钩子方法。

黑盒框架，通过实现特定接口/委托进行框架扩展

- 拓展性是通过定义组件的接口来实现的，这些接口可以插入到框架中。

- 通过定义符合特定接口的组件，现有的功能被重新使用特定接口

- 这些组件通过委派与框架集成。

6.设计可复用的class

技术归纳：

封装和信息隐藏

继承和重写

多态性、子类型化和重载

通用编程

行为子类型和利斯科夫替代原则（LSP）

委派和组合

6.1 Behavioral subtyping and Liskov Substitution Principle (LSP)

6.1.1行为子类型

子类型多态：用户可以用统一的方式处理不同类型的对象。

– If the type Cat is a subtype of Animal, then an expression of type Cat can be used wherever an expression of type Animal is used.

Animal a = new Animal();

Animal c1 = new Cat();

Cat c2 = new Cat();

在可以使用a的场景，都可以用c1和c2代替而不会有任何问题

a = c1;

a = c2;

Let q(x) be a property provable about objects x of type T, then q(y) should be provable for objects y of type S where S is a subtype of T. 如果对于类型T的对象x，q(x) 成立，那么对于类型T的 子类型S的对象y，q(y) 也成立。

                                                                                                                           ——Barbara Liskov

1、Barbara Liskov简介

   Barbara Liskov （1939- ），美国第一位计算机科学方向的女博士，2008年图灵奖获得者。她提出了第一个支持数据抽象的面向对象编程语言CLU，对现代主流语言如C++/Java/Python /Ruby/C#都有深远的影响。她所提炼出来的数据抽象思想，成为软件工程的重要精髓之一。她提出的“Liskov替换原则”，是面向对象最重要的几大原则(SOLID)之一。

2、Behavioral subtyping

 Java中编译器依据强制的规则进行静态类型检查。

（1）子类型可以增加方法，但是不能删去方法；

（2）子类型需要实现抽象类型（接口、抽象类）所有未实现的方法；

（3）子类型中重写的方法必须拥有相同的或子类型的返回值，或者符合co-variant的参数；

（4）子类中重写的方法必须使用同样类型的参数或者符合contra-variant的参数（此种情况Java目前按照重载overload处理）；

（5）子类型中重写的方法不能抛出额外的异常；

同样也适用于指定的行为（方法）：

（1）相同或更强的不变量；

（2）相同或更弱的前置条件；

（3）相同或更强的后置条件；

6.1.2 Liskov Substitution Principle(LSP)

   LSP是一种特殊的子类型关系的定义，称为(强)行为子类型。

   在编程语言中，LSP依赖于以下限制：

（1）前置条件不能强化；

（2）后置条件不能弱化；

（3）不变量要保持；

（4）子类型方法参数：逆变（指从父类型到子类型越来越具体，参数类型要相反地变化，即不变或者越来越抽象）；

（5）子类型方法的返回值：协变（指从父类型到子类型越来越具体，返回值类型要相同地变化，即不变或越变越具体）；

（6）异常类型：协变（指从父类型到子类型越来越具体，异常的类型要相同地变化，即不变或越变越具体）。

Covariance（协变）：子类型的返回值和异常，不变或者越来越具体

 Contravariance（逆变）：参数的类型相反的变化，要不变或者越来越抽象

 

目前Java中遇到这种情况，当作overload看待 

错误提示：The method c(Object) of type S must override or implement a supertype method.

 Java中的数组是协变的，可以保存定义的类型及其子类型的数据

 

在运行时，Java知道这个数组被实例化为Integer数组，只是通过一个Number[ ]引用进行访问。在编译的过程中检查不出来这样的错误，在运行阶段会报错。

泛型中的LSP

泛型是类型不变的（标签不变）

– ArrayList is a subtype of List

– List is not a subtype of List