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軟體開發必修課:你該知道的GRASP職責配置設定模式

軟體開發必修課:你該知道的GRASP職責配置設定模式

軟體在本質上是複雜的,軟體本身的複雜性在于除了要解決問題域,還要解決非功能性需求和軟體域特有問題:安全性、可用性、可維護性、可擴充性、性能、一緻性、容錯性、穩定性、可重用性、幂等、相容等等,軟體開發者的任務就是制造“簡單”的假象。如何組織複雜的系統?把複雜的事物分解到不同的層次中,層次代表了不同級别的抽象,一層建構于另一層之上,每一層都對上層屏蔽内部複雜度。

一 為什麼使用RDD?

在RDD中,我們認為“軟體對象具有職責”,這個定義很符合人在社會群體中分工協作的方式,軟體也是人編寫的,是以根據職責思考設計的軟體系統符合人的行為習慣,同時更易于了解和管理。在微服務架構中不同系統由不同的組織和人負責,把系統當作對象(人),系統提供的接口就是對象(人)的職責。

職責驅動設計的核心是考慮怎樣給對象配置設定職責,其适用于大到系統、小到對象等任何規模的軟體。職責配置設定的本質是分工,勞動分工是勞動生産率提高的主要原因。

  • 熟練度的提高,專注于某個領域(降低複雜度)。
  • 時間的節約,同一個人在不同工作來回切換需要耗費大量時間。
  • 人工發明的機器和應用(特定領域的工具)。

二 如何給對象(元素)配置設定職責?

配置設定職責應當從清晰的描述職責開始,對于軟體領域對象來說,領域模型描述了領域對象的屬性和關聯,對應類的屬性和引用,用例模型包含一系列的行為活動,對應類的方法。領域模型建立方式可參考《UML和模式應用》、UDD、DDD。

使用GRASP(General Responsibility Assignment Software Patterns)模式配置設定職責,GRASP是通用職責配置設定模式,是對一些基本的職責配置設定原則進行了命名和描述,共9種模式(一些GRASP原則是對其他原則和設計模式的歸納,設計模式有上百種,隻是記住GoF 23種設計模式就已經很困難了,更别提還要記住每種模式的細節,是以需要對設計模式進行有效的歸類。GRASP中的原則描述了模式的本質,除了有助加速設計模式學習之外,對發現現有設計存在的問題也更有效,這就是歸納的價值)。

當談論低耦合、高内聚時,我們具體是在談什麼?問題不在于耦合度高、内聚性低,而是在于其産生的負面影響,負面影響往往是在發生變化時展現出來的,這些負面影響會影響到我們開發的效率、穩定性、可維護性、可擴充性、可複用性等等,整個GRASP的核心是如何防止變異(變化)。

在學習過程中發現GRASP缺少結構化的展示歸納結果,通過我自己的了解把開發中常用的GoF設計模式、面向對象設計原則、架構設計原則和GRASP進行關聯:

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三 GRASP職責配置設定模式

1 防止變異

該模式基本等同于資訊隐藏和開閉原則。如何做到在不修改原來功能的前提下對變化的部分進行擴充?識别不穩定因素是特别困難的,也決定了我們能否做出符合開閉原則的設計。

問題:如何設計對象、子系統和系統,使其内部的變化或不穩定性不會對其他元素産生不良影響。

解決方案:識别預計變化或不穩定之處,配置設定職責用以在這些變化之外建立穩定接口。

相關原則和模式:

  • GRASP:間接性、多态
  • GoF:大量模式
  • 其他:接口、資料封裝

2 低耦合、高内聚

耦合是對某元素與其他元素之間的連接配接、感覺和依賴程度的度量,内聚是對元素職責的相關性和集中度的度量(這裡的元素指類、系統、子系統等等),耦合和内聚是從不同角度看待問題,他們互相依賴的互相影響的(以下兩點也可以反過來說):

  • 内聚過低,相關功能分散在不同子產品中,需要增加額外的耦合使這些功能聚合在一起,發生變更時影響多個子產品。
  • 内聚過高,不相關的功能聚集在一個子產品中,耦合度高,發生變更時會産生意想不到的影響。
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低耦合

耦合是對某元素與其他元素之間的連接配接、感覺和依賴程度的度量。這裡的元素指類、系統、子系統等等。

問題:怎樣降低依賴性,減少變化帶來的影響,提高重用性?

解決方案:配置設定職責,使耦合盡可能低。利用這一原則評估可選方案。

相關模式或原則:

  • GRASP:防止變異

注意:耦合不能脫離專家、高内聚等其他原則獨立考慮。

緊密耦合的系統在開發階段有以下的缺點:

  • 一個子產品的修改會産生漣漪效應,其他子產品也需随之修改(通常是内聚低引起的)。
  • 由于子產品之間的相依性,子產品的組合會需要更多的精力及時間,可複用性低(通常是耦合高引起的)。

解讀:耦合表示元素之間存在依賴,當談論“耦合高”時,我們具體是在談論什麼呢?是依賴産生的負面影響,是以低耦合的核心是解決不良依賴。高低是度量并不是評判耦合結果好壞的标準,使用“不良耦合”、“松耦合”描述的更為準确。不良耦合産生的負面影響主要有兩點:

  • 依賴關系本身錯綜複雜難以維護和了解,很容易産生遺漏和問題(這點針對人,人處理複雜性事物時能力是局限的)。
  • 與不穩定元素産生依賴時很容易受到變化的影響(通常無法避免不依賴)。

那麼如何做呢?先對依賴關系的好壞進行評估:依賴方式、依賴方向、依賴鍊路。

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方向:

  • 雙向依賴(差)
    • 互相依賴的兩個元素不能獨立行動,在微服務系統架構的系統中類級别不會産生特别複雜的問題,但是在子產品 or 系統級别就特别容易受到變化帶來的影響。
    • 舉例:A <-> B,A調用B的b接口,B的b接口依賴A的a接口,如果a b接口都要變更,兩個系統如何釋出?A依賴B先釋出,B也依賴A先釋出,互相依賴的兩個元素不能獨立行動。
  • 循環依賴(更差)
    • 循環依賴比雙向依賴的的鍊路更長,影響的範圍更大。
  • 單向依賴(好)

鍊路:

  • 深度
    • B調用A.getC().getD().getE().getF() 擷取到F。
  • 廣度
    • 在鍊路變寬的過程中不加以限制和管理很容易産生大雜燴的元素,也很容易産生雙向和循環依賴。

方式:

  • 内容耦合(高)
    • 當一個子產品直接使用另一個子產品的内部資料,或通過非正常入口而轉入另一個子產品内部。
  • 共享耦合/公共耦合(高)
    • 指通過一個公共資料環境互相作用的那些子產品間的耦合。
    • 公共耦合的複雜程度随耦合子產品的個數增加而增加。
  • 控制耦合(中)
    • 指一個子產品調用另一個子產品時,傳遞的是控制變量(如開關、标志等),被調子產品通過該控制變量的值有選擇地執行塊内某一功能;
  • 特征耦合/标記耦合(中)
    • 指幾個子產品共享一個複雜的資料結構,如進階語言中的數組名、記錄名、檔案名等這些名字即标記,其實傳遞的是這個資料結構的位址;
  • 資料耦合(低)
    • 指子產品借由傳入值共享資料,每一個資料都是最基本的資料,而且隻分享這些資料(例如傳遞一個整數給計算平方根的函數)。
  • 非直接耦合(低)
    • 兩個子產品之間沒有直接關系,它們之間的聯系完全是通過主子產品的控制和調用來實作的。耦合度最弱,子產品獨立性最強。
  • 無耦合(無)
    • 子產品完全不和其他子產品交換資訊。

解決不良依賴:

  • 管理複雜的依賴關系
    • 依賴方向:使用單向依賴,去除或弱化雙向依賴,不使用循環依賴。
    • 依賴鍊路:遵守最少認知原則。
    • 依賴方式:盡量使用資料耦合,少用控制和特征耦合,控制公共耦合的範圍,不使用内容耦合,如果依賴的對象不穩定使用非直接耦合來弱化耦合緊密程度。
  • 配置設定正确的職責減少不必要的依賴:專家、建立者。
  • 通過其他原則和模式減少不穩定元素帶來的影響:高内聚、純虛構、控制器、多态、間接性、最少認知。

高内聚

内聚是對元素職責的相關性和集中度的度量。

問題:怎麼樣保持對象是有重點的、可了解的、可維護的,并且能夠支援低耦合?

解決方案:按照相關性配置設定職責,可保持較高的内聚。

優點:

  • 分解後的元素更加簡單易于了解和維護。
  • 按照相關性拆分可以提高重用性。

相關原則和模式:單一職責原則、關注點分離、子產品化。

低内聚的缺點:内聚性較低的類要做許多不相關的工作,或需要完成大量的工作,這樣的類會導緻以下問題:

  • 難以了解
  • 難以複用
  • 難以維護
  • 經常會受到變化影響
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例子:A的變更影響從3個子產品變為1個。

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小結

通過結構化管理來保持低耦合、高内聚。

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3 建立者

建立者指導我們配置設定那些與建立對象有關的職責。如此選擇是為了保持低耦合。

問題:誰應該負責建立某類的新執行個體?

解決方案:滿足以下條件之一時,将建立類A的職責配置設定給類B(當滿足1條以上時,通常首選包含或聚合)。

  • B“包含”或聚合A。
  • B記錄A。
  • B頻繁使用A。
  • B具有A的初始化資料,該資料将在建立時傳遞給A。

優點:支援低耦合,因為建立者和被建立者已經存在關聯,是以這種方式不會增加耦合性。

  • GRASP:低耦合
  • GoF:具體工廠、抽象工廠
  • 其他:整體-部分

注:包含(作者在這裡标注了“”,因為包含在uml是表達用例關系的,用來說明對象關系也可以)、聚合、整體-部分 看UML定義;包含強調了強依賴(A是B的子集,A屬于B,缺少了A時B不是整體),聚合是弱依賴(B由A組成,A不屬于B)。

例子:

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  • Order包含Goods(Order脫離Goods就失去了完整性,沒有存在的意義)。
  • Order記錄相關的Goods。
  • Goods初始化資料:
    • 情況一:隻需要訂單上的Goods資料,這種情況Order具有Goods的初始化資料。
    • 情況二:訂單上的Goods資料不完整,這種情況Order隻有Goods初始化資料的一小部分,Order不能做為建立者。

4 資訊專家(or 專家)

“資訊”不單指資料。

問題:給對象配置設定職責的基本原則是什麼?

解決方案:把職責配置設定給資訊專家,它具有實作這個職責所必需的資訊

  • 對象使用自身資訊來完成任務,是以資訊的封裝性得以維持,是以支援了低耦合(至少不會增加耦合性)。
  • 行為分布在那些具有所需資訊的類之間,這樣功能更集中,是以支援了高内聚。
  • GRASP:低耦合、高内聚

注意:和“關注點分離”一起使用使得對象進一步内聚,進而達到高内聚,也能降低耦合。

舉例:擷取所有買的商品總金額,Order和Goods是一對多的關系。

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分析:Order本身關聯了Goods,并且了解Goods的結構。在圖例中Client通過Order擷取了Goods并做了邏輯運算得出商品總金額,這種做法産生了不必要的依賴增加了耦合數量,商品總金額計算的職責由Order承擔最合适。

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延伸:在某些情況下,該方案并不合适,通常是由于耦合與内聚問題産生的,如:誰應該把對象A存入資料庫?按照原則每個類都應該具有把自己持久化的能力。

5 純虛構

為了保持良好的耦合和内聚,捏造業務上不存在的對象來承擔職責。

問題:當你并不想違背高内聚和低耦合或者其他目标,但是基于專家模式所提供的方案又不合适時,哪些對象應該承擔這一職責?

解決方案:對人為制造的類配置設定一組高内聚的職責,該類并不代表問題領域的概念--虛構的事物,用以支援高内聚、低耦合和複用。

  • 支援高内聚,因為職責被解析為細粒度的類,這種類隻着重于極為特定的一組相關任務。
  • 增加了潛在的複用性。
  • GRASP:低耦合、高内聚。
  • 通常接納本來是基于專家模式所配置設定給領域類的職責。
  • 所有GoF設計模式都是純虛構,事實上所有其他設計模式也都是純虛構。

舉例:計算商品總數量。根據專家模式計算商品總數量的職責也應該是配置設定給Order,照這樣配置設定下去商品相關的還會有:總重量、總體積、總XX,這時Order的職責就會越來越多也可能會産生額外的耦合,通過純虛構對象把這些職責配置設定出去能夠得到更好的設計。

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通過虛構對象GoodsItems承擔和商品聚合計算相關的職責。

延伸:經常發現代碼中會使用Util、Handler、Service這樣的虛構類,缺點是這些類通常是單例并共用的,這些虛構類的職責會越來越多(一個Util類2000行代碼),建立和業務更相近的虛構對象才能便于了解和管理耦合關系。

6 控制器

解決方案:把職責配置設定給能代表以下選擇之一的類:

  • 代表整個“系統”、“根對象”、運作軟體的裝置或主要子系統,這些是外觀控制器的所有變體。
  • 代表用例場景,在該場景中發生系統事件。

相關模式:

  • GRASP:純虛構
  • GoF:指令、外觀
  • 其他:層

控制器的核心是提供一個統一入口,避免客戶對元素内部進行耦合,很好的維護了邊界:

  • api層
  • 根對象
  • 接口

7 多态

問題:如何處理給予類型的選擇?如何建立可插拔的軟體構件?

解決方案:當相關選擇或行為随類型有所不同時,使用多态操作為變化的行為類型配置設定職責。

優點:可擴充性強,同時不影響客戶。

訂單退款時需要計算出使用者退款金額和商戶扣款金額,在沒有新零售業務進來之前直接使用計算服務傳回的資料結構,新零售進來後資料結構未統一,需要進行适配,實作多态後的代碼擴充性很強。

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在微服務架構中,比較複雜的多态問題通常會選擇增加一層去解決,如:支付網關、傳遞網關。

8 間接性

計算機學科中的大多數問題都可以通過增加一層解決,如果不行再加一層。反過來大多數性能問題都可以通過去掉一層來解決。

問題:為了避免兩個或多個事物之間直接耦合,應該如何配置設定職責?

解決方案:将職責配置設定給中介對象,使其作為其他建構或服務之間的媒介,以避免他們之間的直接耦合。

優點:實作了構件之間的低耦合。

  • GRASP:防止變異、低耦合、大量間接性中介都是純虛構

注意:間接性通常用來支援防止變異。

四 架構模式

除了職責配置設定原則,還需要一些架構模式幫助我們更好的落地。

1 分層架構

在分布式系統中系統是獨立存在的,可以單獨變更而不對其他系統産生影響,但是随着業務整體複雜度的提升也帶來了一些負面影響:由于整體被分解成大量獨立的系統,随着複雜度提升系統之間的依賴關系會變的錯綜複雜,某個系統的變更會影響其他系統,同時也會産生意想不到的問題,效率也随之下降。這時就需要重新對分布式系統的邏輯架構做設計,以解決系統間的不良耦合和内聚,進而提效。

分層架構是非常實用和常見的方式,TCP/IP、HTTP、作業系統等等都運用了分層,分層的本質很簡單:通過分離關注點,達到高内聚;通過向下依賴、拒絕循環依賴、使用接口,達到低耦合。

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分層架構也是存在缺點的:按照分層架構定義消息消費應該在基礎設施層,但是消息消費是為了執行某個業務邏輯,這樣就需要依賴應用層 或 領域層,如果真的這樣寫就會出現循環依賴問題。通過依賴倒置可以解決依賴問題。

2 六(多)邊形架構(洋蔥圈架構)

六邊形架構(Hexagonal Architecture),又稱為端口和擴充卡架構風格,其中的“六”具體數字沒有特殊的含義,僅僅表示一個“量級”的意思,六邊形的定義隻是友善更加形象的了解。

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六邊形架構提倡用一種新的視角來看待整個系統,該架構中存在兩個區域:“外部區域”和“内部區域”。在外部區域中不同的客戶均可以送出輸入(網絡請求、定時腳本、消息消費等),而内部區域則是處理具體邏輯的地方。

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五 案例

案例1:Jpa替換為Mybatis

@Component
public class CloseOrderService {
    @Autowired(required = false)
    @Qualifier("rstOrderTransactionManager")
    JpaTransactionManager tm;
    
    public void invalid_order(Long orderId, Long userId, Short processGroup)
        throws UserException, SystemException, UnknownException {
        //其他邏輯。。。省略
        
        // 開啟事務
        DefaultTransactionDefinition def = new DefaultTransactionDefinition();
        TransactionStatus ts = tm.getTransaction(def);

        try {
            order = orderDAO.get(orderId);
            order.setStatusCode(toStatus);
            order.setUpdatedAt(new Timestamp(System.currentTimeMillis()));
            orderDAO.save(order);
            //送出事務
            tm.commit(ts);
        } catch (Exception e) {
            if (!ts.isCompleted()) {
                //復原
                tm.rollback(ts);
            }
            if (e instanceof SatisfiedStateException) {
                return;
            }
            throw e;
        }
    }
    @Transactional(transactionManager = "rstOrderTransactionManager", rollbackFor = Exception.class)
    public void invalidOrder(){
    }
}

@Component
public interface OrderDAO extends JpaRepository<OrderPO, Long> {
    @Query(value = "sql語句", nativeQuery = true)
    Long generateGlobalOrderId(@Param("userId") Long userId, 
                               @Param("restaurantId") Long restaurantId, 
                               @Param("seqName") String seqName);
}
           

變化帶來的影響:如果不出意外對Jpa的使用方式不會産生變更,意味着其相對穩定,是以在目前階段來看以上耦合是正常的也不會産生負面影響。但是在以下場景會讓我們對高耦合有很明顯的體感:大家覺得Jpa不好用,想替換為Mybatis該怎麼做?代碼中直接使用了繼承JpaRepository的OrderDAO做資料操作,由于Jpa和Mybatis的寫法不同,是以需要把使用到OrderDAO的地方都做替換:

  • 調用OrderDAO的類(70多個類)都需要替換為新的dao。
  • 使用JpaTransactionManager.getTransaction()的位置需要替換為MyBatis的TransactionManager。
  • 使用@Transactional(transactionManager = "rstOrderTransactionManager")的位置需要改為編寫事務送出和復原的代碼塊兒,便于做灰階。
  • 以上改動的位置需要增加開關做灰階。

結論:由于變更涉及到70多個類,同時事務管理器擷取方式也需要修改,其帶來的影響還是挺大的,不滿足“低耦合”原則,可以使用“多态”原則重新設計。

案例2:訂單對應的支付單應該由誰來建立?

拿餓了麼交易系統舉例,目前建立支付單的職責是由bos服務承擔(面向app的一個後端服務)的,接下我們進行分析。

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支付單建立分為兩種場景:

  • 建立訂單和支付單是在一次操作中完成。
  • 使用者回到訂單清單頁點選“去支付”時建立支付單。

支付單建立依賴:

  • 訂單号
  • 支付金額
  • 支付類型
  • 一堆支付系統配置設定的用于識别業務的參數
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注1:如果餓了麼隻會有外賣一種交易業務,目前的設計還是很穩定的,不會出現太大變化。是以識别變化點才能更好的評判目前系統設計是否合理,如:餓了麼将更新為本地生活服務公司,根據公司戰略多少能看出我們将來不隻外賣業務存在,還會有很多和本地生活相關的交易業務,這些業務會有自己的展示層(app、h5、web)同時對應會有類似bos的服務,如果有10個業務方,在支付場景就需要去對接10次,而由order做就隻需要一次(支付作為工具已經比較穩定,不會有太大變化)。

  • bos比order多出識别訂單結構的成本。
  • bos比order多出認知交易域業務知識的成本。需要深入了解交易狀态,這樣才知道什麼狀态才能去支付(一般是去問order服務的開發),打破了邊界。

結論:bos服務不應該承擔建立支付單的職責,由order承擔最合适。