P28 抽象类与开闭原则

2024-01-20 16:20:28

接口和抽象类既是理论难点，又是代码难点。

接口和抽象类用得好，写出来的代码才好测试。

引言

软件也是工业的分支，设计严谨的软件必须经得起测试。

软件能不能测试、测试出问题后好不好修复、软件整体运行状态好不好监控，都依赖于对接口和抽象类的使用。

接口和抽象类是现代面向对象的基石，也是高阶面向对象程序设计的起点。

学习设计模式的前提：

透彻理解并熟练使用接口和抽象类
深入理解 SOLID 设计原则，并在日常工作中自觉得使用它们

要做到这两点，你必须在一个有质量文化的团队中，踏踏实实的写两三年代码。
建议尽快离开没有质量文化的组，在这些地方你即难学到好东西还会养成一身坏毛病。

算法、设计原则、设计模式必须要用到工作中去，才能真正掌握。
还是那句话“学习编程的重点不是学是用”。

SOLID

SRP：Single Responsibility Principle

OCP：Open Closed Principle

LSP：Liskov Substitution Principle

ISP：InterfaceSegregation Principle

DIP：Dependency Inversion Principle

SOLID（单一功能、开闭原则、里氏替换、接口隔离以及依赖反转）是由罗伯特·C·马丁在21世纪早期引入的记忆术首字母缩略字，指代了面向对象编程和面向对象设计的五个基本原则。

为做基类而生的“抽象类”与“开闭原则”

抽象类和开闭原则有密切的联系。

设计原则的重要性和它在敏捷开发中扮演的重要角色：

之前学了类的封装与继承，理论上爱怎么用怎么用，但要写出高质量、工程化的代码，就必须遵循一定的规则

写代码就必须和人合作，即使是你一个人写的独立软件，未来的你也会和现在的你合作

这些规则就如同交通规则，是为了高效协作而诞生的

硬性规定：例如变量名合法，语法合法
软性规则：程序设计原则

抽象类

一个类里面一旦有了 abstract 成员，类就变成了抽象类，就必须标 abstract。

抽象类内部至少有一个函数成员未完全实现。

	abstract class Student
	{
		abstract public void Study();

	}

abstract 成员即暂未实现的成员，因为它必须在子类中被实现，所以抽象类不能是 private 的。

因为抽象类内部还有未实现的函数成员，它没有具体的行为，计算机不知道怎么调用这类成员，于是编译器干脆不允许你实例化抽象类。

一个类不允许实例化，它就只剩两个用处了：

作为基类，在派生类里面实现基类中的 abstract 成员
声明基类（抽象类）类型变量去引用子类（已实现基类中的 abstract 成员）类型的实例，这又称为多态。

抽象方法的实现，看起来和 override 重写 virtual 方法有些类似，所以抽象方法在某些编程语言（如 C++）中又被称为“纯虚方法”。

virtual（虚方法）还是有方法体的，只不过是等着被子类重写 abstract（纯虚方法）却连方法体都没有。

PS：我们之前学的非抽象类又称为 Concrete Class。

开闭原则

如果不是为了修复 bug 和添加新功能，别总去修改类的代码，特别是类当中函数成员的代码。

我们应该封装那些不变的、稳定的、固定的和确定的成员，而把那些不确定的，有可能改变的成员声明为抽象成员，并且留给子类去实现。

开放修复 bug 和添加新功能，关闭对类的更改

示例

示例演示如何添加交通工具类，通过版本的迭代来讲解开闭原则、抽象类和接口。

初始版本

从 Car 直接 copy 代码到 Truck：

class Car
{
    public void Run()
    {
        Console.WriteLine("Car is running...");
    }

    public void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopped!");
    }
}

class Truck
{
    public void Run()
    {
        Console.WriteLine("Truck is running...");
    }

    public void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopped!");
    }
}

这就已经违反了设计原则：不能 copy paste。

提取父类版

将相同的方法提取出来放在父类里面：

class Vehicle
{
    public void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopped!");
    }
}

class Car : Vehicle
{
    public void Run()
    {
        Console.WriteLine("Car is running...");
    }
}

class Truck : Vehicle
{
    public void Run()
    {
        Console.WriteLine("Truck is running...");
    }
}

但这样会有一个问题就是 Vehicle 类型变量无法调用 Run 方法，有两种解决方法：

Vehicle 里面添加一个带参数的 Run 方法
虚方法

添加带参数的 Run：

class Vehicle
{
    public void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopped!");
    }

    public void Run(string type)
    {
        if (type == "car")
        {
            Console.WriteLine("Car is running...");
        }
        else if (type == "truck")
        {
            Console.WriteLine("Truck is running...");
        }
    }
}

这就违反了开闭原则，既没有修 bug 又没有添新功能就多了个 Run 方法。而且一旦以后再添加别的交通工具类，你就又得打开（Open） Vehicle 类，修改 Run 方法。

虚方法：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Vehicle v = new Car();
        v.Run();
        // Car is running...
    }
}

class Vehicle
{
    public void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopped!");
    }

    public virtual void Run()
    {
        Console.WriteLine("Vehicle is running...");
    }
}

class Car : Vehicle
{
    public override void Run()
    {
        Console.WriteLine("Car is running...");
    }
}

class Truck : Vehicle
{
    public override void Run()
    {
        Console.WriteLine("Truck is running...");
    }
}

虚方法解决了 Vehicle 类型变量调用子类 Run 方法的问题，也遗留下来一个问题：Vehicle 的 Run 方法的行为本身就很模糊，且在实际应用中也根本不会被调到。而且从测试的角度来看，测试一段你永远用不到的代码，也是不合理的。

抽象类版

要不就干脆 Run 方法里面什么都不写，进而直接把 Run 的方法体干掉，Run 就变成了一个抽象方法。于是 Vehicle 也变成了抽象类。

abstract class Vehicle
{
    public void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopped!");
    }

    public abstract void Run();
}

当 Vehicle 变成抽象类后，再添加新的继承于 Vehicle 的类就很简单了，也无需修改 Vehicle 的代码。

abstract class Vehicle
{
    public void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopped!");
    }

    public abstract void Run();
}

class Car : Vehicle
{
    public override void Run()
    {
        Console.WriteLine("Car is running...");
    }
}
...

class RaceCar : Vehicle
{
    public override void Run()
    {
        Console.WriteLine("Race car is running...");
    }
}

不光要掌握最后虚方法的用法，还有理解之前过程中的问题，进而识别并改善工作中的代码。

纯抽象类版（接口）

有没有一种可能，一个抽象类里面的所有方法都是抽象方法？

VehicleBase 是纯虚类，它将成员的实现向下推，推到 Vehicle。Vehicle 实现了 Stop 和 Fill 后将 Run 的实现继续向下推

// 特别抽象
abstract class VehicleBase
{
    public abstract void Stop();

    public abstract void Fill();

    public abstract void Run();
}

// 抽象
abstract class Vehicle:VehicleBase
{
    public override void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopped!");
    }

    public override void Fill()
    {
        Console.WriteLine("Pay and fill...");
    }
}

// 具体
class Car : Vehicle
{
    public override void Run()
    {
        Console.WriteLine("Car is running...");
    }
}

在 C++ 中能看到这种纯虚类的写法，但在 C# 和 Java 中，纯虚类其实就是接口。

因为 interface 要求其内部所有成员都是 public 的，所以就把 public 去掉了
接口本身就包含了“是纯抽象类”的含义（所有成员一定是抽象的），所以 abstract 也去掉了
因为 abstract 关键字去掉了，所以实现过程中的 override 关键字也去掉了

interface VehicleBase
{
    void Stop();

    void Fill();

    void Run();
}

abstract class Vehicle : VehicleBase
{
    public void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Stopped!");
    }

    public void Fill()
    {
        Console.WriteLine("Pay and fill...");
    }

    // Run 暂未实现，所以依然是 abstract 的
    public abstract void Run();
}

class Car : Vehicle
{
    public override void Run()
    {
        Console.WriteLine("Car is running...");
    }
}

纯虚类演变成了接口，现在的代码架构就有点像平时工作中用的了。

又因为接口在 C# 中的命名约定以 I 开头：

interface IVehicle
{
    void Stop();

    void Fill();

    void Run();
}

总结

什么是接口和抽象类

接口和抽象类都是“软件工程产物”

具体类 -> 抽象类 -> 接口：越来越抽象，内部实现的东西越来越少

抽象类是未完全实现逻辑的类（可以有字段和非 public 成员，它们代表了“具体逻辑”）

抽象类为复用而生：专门作为基类来使用。也具有解耦功能
- 解耦的具体内容留待下一节讲接口时讲
封装确定的，开放不确定的（开闭原则），推迟到合适的子类中去实观
接口是完全未实现逻辑的“类”（“纯虚类”；只有函数成员；成员全部 public）

接口为解耦而生：“高内聚，低耦合”，方便单元测试

接口是一个“协约”。早已为工业生产所熟知（有分工必有协作，有协作必有协约）

它们都不能实例化。只能用来声明变量、引用具体类（concrete class）的实例

对于一个方法来说，方法体就是它的实现；对于数据成员，如字段，它就是对类存储数据的实现。

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