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OO真经——关于面向对象的哲学体系及科学体系的探讨
 

2010-08-03 作者:张洋 来源:张洋的blog

 

目录 Catelog

       目录 Catelog

       序言 Perface

       真经第一章:世界 Waltanschauung

       真经第二章:抽象 Abstraction

       真经第三章:层次 Arrangement

       真经第四章:继承 Inheritance

       真经第五章:耦合 Couple

       真经第六章:运作 Moving

       真经第七章:建造 Build

       真经第八章:刻画 Delineate

       真经第九章:模式 Pattern

       真经第十章:悟道 Doctrine

       后记 Afterword

       参考文献 Reference

序言 Perface

“佛曰:苦海无涯,回头是岸。——佛教用语”

面向对象(Object-Oriented),这是一条令无数开发人员魂牵梦绕的短语。几乎每个软件分析师、设计师和程序员都时刻将它铭记于心,对它顶礼膜拜。然而,对大多数人来说,它又像是天边的霞光,可望而不可及,无数次伸出双手,总是抓不住这虚无缥缈的圣物。于是,我们依然每天将面向对象高高供其,却始终无法悟得其道,更不要谈娴熟运用其道法了。

面向对象像一滩苦海,无数人游弋其中,却久久不得其要领;类、对象、继承、多态、接口、UML、设计模式……无数概念看得我们眼花缭乱,却也悟不透其真谛。佛教有云:苦海无涯,回头是岸。如果置身苦海中无法脱离,那么,我们是否应该提高一个层面去看这片苦海:从哲学及科学的角度,去审视面向对象。

曾有人说:艺术的极致是科学,科学的极致是哲学。此话不无道理,牛顿、爱因斯坦等科学界泰斗,在其后期都不约而同地转向哲学研究。当然,这里本人无意更不敢将自己与上面两位大师相提并论,而且本人也不奢求此文能成为一篇颇有思想的佳作。只不过,本人在平时的实践和思考中,略有小得,于是,在这里拿出,和大家一起分享讨论。虽然肤浅,但希望本文能成为一丝波纹,为各位脱离苦海提供一点点的推动作用。

真经第一章——世界 Weltanschauung

“世界观(德文:Weltanschauung)意为‘着眼世界之上’,是人们对世界的总的根本的看法。任何哲学问题的探讨,归其出发点和本源,都是世界观的问题。什么样的世界观决定了什么样的哲学观点。——马克思”

1.1、看世界

我们知道,哲学领域中,最根本的对立是唯物主义和唯心主义的对立,而附属其下,又有许多对立,如形而上学和辩证法的对立、可知论和不可知论的对立等等。这些对立形成了哲学的基本体系、派别和出发点。实际上,这些对立,都是世界观的对立。世界观,简而言之即如何看待这个世界。世界观是一切哲学问题的本源和出发点。

同样,在程序世界里,也有着不同的世界观。而这其中最根本的对立便是过程论和对象论的对立,这个对立,衍生出了面向过程和面向对象两种方法论。于是,要真正理解面向过程和面相对象,我们就不得不先深究一下程序世界中这两种世界观。

首先要提到的是,不论是过程论还是对象论,都承认一点,那就是程序世界本质上只有两种东西——数据和逻辑。数据天性喜静,构成了程序世界的本体和状态;逻辑天性好动,作用于数据,推动程序世界的演进和发展。尽管上述观点是统一的,但是在数据和逻辑的存在形式和演进形式上,过程论和对象论的观点截然不同。

过程论认为:数据和逻辑是分离的、独立的,各自形成程序世界的一个方面(Aspect)。所谓世界的演变,是在逻辑作用下,数据做改变的一个过程。这种过程有明确的开始、结束、输入、输出,每个步骤有着严格的因果关系。过程是相对稳定的、明确的和预定义的,小过程组合成大过程,大过程还可以组合成更大的过程。所以,程序世界本质是过程,数据作为过程处理对象,逻辑作为过程的形式定义,世界就是各个过程不断进行的总体。

对象论认为:数据和逻辑不是分离的,而是相互依存的。相关的数据和逻辑形成个体,这些个体叫做对象(Object),世界就是由一个个对象组成的。对象具有相对独立性,对外提供一定的服务。所谓世界的演进,是在某个“初始作用力”作用下,对象间通过相互调用而完成的交互;在没有初始作用力下,对象保持静止。这些交互并不是完全预定义的,不一定有严格的因果关系,对象间交互是“偶然的”,对象间联系是“暂时的”。世界就是由各色对象组成,然后在初始作用力下,对象间的交互完成了世界的演进。

1.2、一道智力题引发的思考

上面的描述也许有些不够直观,那么,下面我们通过一个实际的例子,直观感受一下在两种世界观下,对同一件事物是怎么看的。

大家都听过这么个智力题吧:

说有甲、乙、丙三人住店,一间房30。于是每人10元,共计给店老板30元住进一间房。后来店老板发现弄错了,房价应该是25元,于是给小二5元让小二退给房客。小二黑心,贪污了2元,退给甲乙丙每人1元。这样房客每人付了10-1=9元,三九27,加上小二贪污的2元,共29元,问那1元哪里去了?

不知各位聪明的看官是否已经参透其中玄机。不过参不透也没有关系,这不是重点,重点是,我们现在来分别用过程论和对象论分析一下这件事。

首先,我们来看看过程论是怎么看这件事情的。

图1.1、过程论看世界

如图1.1所示,这就是过程论下看这件事的样子。左边是过程的各个步骤,而右边红字表示在每个过程步骤的数据情况,这种数据情况反映了世界当前的状态。为简单起见,我们只考虑在这个过程中参与分配的数据。

初始时甲乙丙各10元,老板和小二没有钱,这可以认为是这个过程的初始状态,这些数据是输入。随着各个步骤的进行,数据不断更新,而在每个步骤,数据如何更新、更新多少,都是由步骤严格确定的。经历五个步骤后,数据变为甲乙丙各1元,老板25元,小二2元,这就是终止状态,也是这个过程的输出。

下面,再来看看对象论下如何看这件事。

图1.2、对象论看世界

对象论眼中,世界是由各种对象组成的,每个对象有自己的数据和逻辑,如图1.2所示。在这件事里,有五个基本对象:甲、乙、丙、小二和老板(注意,这里我们还没有提到类和抽象等概念,所以不要让固有思维跳出来,在这里要只认识对象,不认识类等概念。现在我们只讨论世界观的基本问题:程序世界的本质,至于更具体的问题,留待后面讨论)。每个对象有自己的一系列数据和逻辑,这里只列出了我们关心的部分。

然后呢?没有然后了。没错,在对象论眼里,这就是这件事的本质模样,这件事所涉及的东西就是这么几个对象,本来它们各自独立,老死不相往来。只不过在“住店”这个外部驱动力下,几个对象“偶然”、“暂时”互相联系,利用其他对象提供的公开服务,完成了一些交互。在交互中,各自的数据可能会发生一些变化,但对象的本质没有变。这里也要注意,这种交互虽然在一定程度上由既定逻辑预定义,但不像过程论认为“万事万物都已注定”,在对象论下,对象间的交互是“偶然的”、“暂时的”,这次五个人因为住店这个外部驱动力交互了一次。但下次如果魏国和蜀国交战变为驱动力,他们间的交互就不是拿钱给钱了,而是刀兵相见。所以,对象论不认为“一切都已注定”。

1.3、总结

通过上面一个例子,不知各位是否已经明白程序世界中两种世界观看事物的不同。下面,有一些问题还要明确一下。

I. 过程论和对象论是两种看世界的观点,没有孰对孰错、孰好孰坏之分。

II. 过程论和对象论不是一种你死我活的绝对对立,而是一种辩证统一的对立,两者相互渗透、在一定情况下可以相互转化,是一种“你中有我、我中有你”的对立。如果将对象论中的所有交互提取出来而撇开对象,就变成了过程论,而如果对过程论中的数据和逻辑分类封装并建立交互关系,就变成了对象论。

III. 过程论相对确定,有利于明晰演进的方向,但当事物过于庞大繁杂,将很难理清思路。因为过程繁多、过程中又有子过程,容易将整个世界看成一个纷繁交错的过程网,让人无法看清。

IV. 对象论相对不确定,但是因为以对象为基本元素,即使很庞大的事物,也可以很好地分离关注,在研究一个对象的交互时,只需要关系与其相关的少数几个对象,不用总是关注整个流程和世界。但是,对象论也有困难。例如,如何划分对象才合理?对于同一个驱动力,为什么不同情况下参与对象和交互流程不一样?如何确定?其实,这些困难也正是面向对象技术中的困难。

综上,我们知道在程序世界中,存在着过程论和对象论两种对立的世界观,并且其各有千秋,无法定夺孰好孰坏。但是,对象论似乎更有助于分析规模较大的事物。本文是探讨面向对象的,所以,在下文中,都会选择对象论作为世界观。这种以对象为本的世界观,也是本文后续一切的基础和出发点。

真经第二章——抽象 Abstraction

“金、木、水、火、土元素,构成宇宙万物,并作为各种自然现象变化之基础——五行说”

2.1、导言

上文探讨了世界观问题。我们知道,要想真正理解面向对象,首先要用对象论去审视世界。而在对象论中,万事万物的本源是对象,对象是组成世界的基本元素。但是,要真正看透一个世界,只有基本元素是不行的。

中国古代的朴素唯物主义哲学中,比较有代表性的是五行说。五行说认为,世界的基本元素是“金、木、水、火、土”,但若说世界只有“金、木、水、火、土”,也是不成的,所以后续有云:五行相生相克,相互交织结合,组成了大千世界。虽然从现代科学角度看,五行说并不完全准确,但其有一点事非常正确的,那就是世界首先有基本元素,然后基本元素还要衍生出各种其它东西。

在第一章中,我们说了在对象论中,对象是组成世界的基本元素,但这还不能构成真正的世界。下面,我们来看看对象是如何构成和衍生出其它事物的。

2.2、类是怎么来的

和真实世界中构成和衍生方式不同,程序世界中,最重要的衍生方式是抽象。例如,众所周知的类(Class),就是从对象上首先抽象出来的概念。下面我们看一看类是怎么来的。

从哲学角度说,先有对象,然后才有类,类和对象是“一般和特殊”这一哲学原理在程序世界中的具体体现。这可能和很多人的直觉不同,因为在具体写程序时,是先定义类,然后才能实例化对象。在这里,我们是从哲学层面进行探讨,所以,对象是本源,类的概念是衍生。为什么?因为从认识论来说,首先有具体认知能力,才能有抽象认知能力,抽象认知能力是一种高层的,人类特有的认知能力,它使我们可以从大量具体认知中,舍弃个别的、非本质的属性,提取出共同的、本质的属性,是形成概念的必要手段。

还是以住店的故事为例吧。在我们的世界观中,那个故事涉及了五个对象,刚开始我们没有抽象的概念,而只是从具体认知角度对这五个对象进行认知:首先是甲,他有头、有身子、有胳膊有腿,头上有眼睛鼻子耳朵,他还有个名字叫刘备,有个身份是顾客……除了这些数据,这个对象还可以做一些事情,可以吃饭、呼吸、喝水,还能给钱和拿钱……好的,一通认知后,我们对甲这个对象有具体认知了;然后,我们对乙进行认知:他有头、有身子、有胳膊有腿,头上有眼睛鼻子耳朵,他还有个名字叫关羽,有个身份是顾客……除了这些数据,这个对象还可以做一些事情,可以吃饭、呼吸、喝水,还能给钱和拿钱……认知完了,接着是丙、小二和老板……当具体认知足够多后,我们发现一件事情:这几个对象很相似啊,有相似的数据(但具体值可能不同),有相同的逻辑,于是,我们的抽象认知能力告诉我们,这五个对象很相似,可以看做一类东西,于是,我们给出一个类,叫“人”,并且认为这五个对象都是“人”这个类的具体例子,我们叫其为实例。以后遇到类似的对象,我们都可以知道,这个对象属于“人”类。

 图2.1、“人”类的由来

所以,类其实是抽象认知能力作用于程序世界的基本元素——对象后所衍生出来的抽象概念,是抽象思维在程序世界中物化后的产物。当然,现实世界中每个对象都有无数的数据和逻辑,但在具体到程序世界时,我们往往只关心具体场景中相关的数据和逻辑。例如,在住店场景中我们关心现金这则数据,至于这个人力气大不大无所谓;而如果上战场打仗,我们就关心攻击力和力量,现金就不重要了。

2.3、为什么要有类

知道了类是怎么来的,那么类的作用是什么,我们为什么需要类呢?

类可以帮助我们方便地认识和定义世界中的对象。这个作用是显而易见的。例如当今世界有60几亿人,如果不会抽象思维,我们每遇到一个人,都要认知一遍:啊!这个对象有眼睛,有耳朵,有鼻子有嘴,有胳膊有腿……要是真这样,世界也太疯狂了。有了类的概念,我们就可以只记类的数据和逻辑,而对于具体对象,只要知道它属于什么“类”,一切就都知道了,所需要区分的只是不同对象的数据具有不同值而已。

其实,这不仅仅是类的作用,我们进行抽象思维,就是为了这个目的。

2.4、总结

这一章叙述了类的哲学本质、衍生过程和作用。要记住,抽象是形成和衍生概念的基本方法,不只是类,后面的很多概念,都是通过抽象形成的。所以,我们可以说:上天只给了这个世界各种对象,但我们用抽象去更好地认识世界。

真经第三章——层次 Arrangement

“道生一,一生二,二生三,三生万物——老子”

3.1、导言

上文提到,在对象论中,抽象是衍生概念的基本方法。但是你有没有一个疑问?所谓抽象,是对许多对象撇开个性,抽出共性,这样,抽象过程就不是确定的、唯一的。例如,我们在看过很多对象后,发现有一类对象有四个轮子、有发动机、可以驾驶、是可以被意识反映的客观实在。我们抽象出一个叫“汽车”的类。这次抽象中,我们将有四个轮子看做了共性,但是,如果撇开这条性质,仅看后三条,摩托车、轮船、飞机都符合,于是,我们又可以抽象出“机动交通工具”类。再把有发动机撇掉,自行车、脚踏三轮车,甚至马都符合,所以,又得出个“代步工具”类,最后,把可以驾驶也撇掉,只剩下“是可以被意识反映的客观实在”,如果这样,所有物质都符合,这样,就得出一个“物质”类。

这下子困难就来了,你说我家的奔驰应该归到哪一类呢?我家的奔驰和一只是不是一类东西呢?如果从前三类看,当然不是,但是从最后一个“物质”类看,又确实是一类东西。那到底哪一个对?事情究竟是怎样的?其实答案很简单:归到哪一类都正确。至于后一个问题,无法回答,因为这个问题单独问根本没有意义。为什么?

关键在于:抽象是有层次的。

3.2、世界是一棵树

上文说到,对象是基本,我们从对象上抽象出类。但是,世界可并不是一层对象一层类那么简单,对象抽象出类,在类的基础上可以再进行抽象,抽象出更高层次的类。所以经过抽象的对象论世界,形成了一个树状结构。

图3.1、抽象层次树示例

图3.1展示了一棵抽象层次树的示例。不要怀疑,在对象论中,经过初步抽象思维加工后的世界就是这样样子。本来,世界只有各个具体对象(最底下紫色文字表示的层次),这是第0层,是一切抽象的本源和起始,然后,抽象思维作用其上,抽象出初步的类,然后在既有类和对象的基础上可以再进行抽象……如此归纳下去,最终整个世界归结于树的根节点:本体。所谓本体,即万物之源、万物之本,是哲学层面上最高层次的抽象。在这里,我们将其看成是一个特殊的类,作为抽象层次树的根。

千万不要小看了这棵抽象层次树,如果能参透其中的奥秘,就能明白很多面向对象中的玄机,而且很多问题就都迎刃而解了。这种抽象层次树理论也是后续诸多内容的理论基础。例如,OO中重要的概念——继承(Inheritance)和多态(Polymiorphism),如若探究其哲学本源,就是从这里来的。

下面,对这棵树做一些必要的说明。

I. 这是一棵单根树,最顶层“本体”为唯一的根,最下层叶子节点为基本对象。一切中间节点都为类。

II. 越往上的类抽象层次越高,具体度越低,其内涵越小,外延越大;越往下的类抽象层次越低,具体度越高,其内涵越大,外延越小。说明一下,所谓类的内涵,是指类对属于自己的对象的说明力度,而外延是指类能包含的具体对象的总和。例如,家用电器这个类,其内涵是使用电作为能源并完成特定功能的家用器具,各个电冰箱、洗衣机、电磁炉、游戏机、DVD机等都在其外延之内;而娱乐家用电器这个类,作为比家用电器更低层次的类,其内涵除了“使用电作为能源并完成特定功能的家用器具”外,还要是具有娱乐功能,其内涵明显大了,但外延却缩小了,只包括了各个游戏机、DVD机等对象。

III. 抽象层次树不是从根部向下长的,而是从叶子节点向上归纳生成的。

IV. 某一个叶子节点所代表的对象可以归入所有其祖先结点所代表的类

V. 直接问两个叶子节点属不属于一个类没有意义,而要指定抽象层次才有意义。例如在较低层,一辆宝马属于汽车,而一只苍蝇属于昆虫,不是一类。但如果指定在较高层比较,两个都属于具体物质,属于一个类。

VI. 我们定义,如果一个节点CNode非叶子节点也非根节点,那么在哲学意义上,这个节点继承于其父节点PNode,并且说PNode是CNode的泛化。

VII. 我们定义,如果一个节点CNode非叶子节点也非根节点,如果强行将它看成其任何一个祖先节点ANode,并当做ANode使用,那么在哲学意义上,叫做多态性。

3.3、总结

先说明这么多了,随着后续内容的深入,还会有更多丰富的内容进来。例如,后面会看到,所谓的“里氏代换原则(LSP)”,在哲学本质上不过是在这棵树上所加的一条限制规则,而“面向接口编程”、“低耦合、高内聚”、“依赖倒置”等一系列耳熟能详的短语,归结到哲学上也只是这棵树的一些精化。

另外,看了上面的理论,我想本章开头留下的疑问也已经烟消云散了吧。

再提示一遍,这棵树非常重要,得其精髓,就能理解诸多OO中概念、原则和方法的本质。后续讨论中,抽象层次树理论将作为重要的理论基础。

真经第四章——继承 Inheritance

“子类型必须能够替代掉其父类型——Barbara Liskov”

4.1、原来是先有儿子才有父亲

这一章我们讨论继承(Inheritance)。

我们先看一看继承在哲学意义上时怎么来的。对象论的世界观认为,世界的基本元素是对象,我们将抽象思维作用于对象,形成了类的概念,而抽象的层次性形成了抽象层次树的概念。接着,我们就可以定义:在抽象层次树上,除根节点和叶子节点外,任一节点CNode非严格继承其所有祖先节点所组成的集合中的任一元素,而CNode严格继承其父节点PNode。

继承概念,看似简单,若深入思考,却隐藏众多玄机。首先,继承描述的实际是抽象层次树上祖先节点与子孙节点的关系,但我个人一直不赞成使用继承(Inheritance)一词来描述这种关系,而推荐使用泛化(Generalization)一词。为什么呢?因为我们已经知道,从哲学和认识论角度来说,是先有对象,然后有类;先有子类,然后有父类,是一种自底向上形成的体系。而继承一词,明显带有自顶向下的暗示,因为往往是先有爷爷、有父亲继承爷爷、然后才能有儿子继承父亲。这样,就容易让人误解成是先有父类才有子类。所以,为了更好的体现继承的哲学本质,我更倾向于使用“泛化”代替“继承”。当然,由于继承一词已经被普遍使用和接受,接下来我还是会沿用继承一词,只不过希望各位时刻牢记,其实是先有了子类,才从子类泛化出父类。

当然,当父类被抽象出来后,可能还会有新的子类加进来。但是,当初父类一定是从某些子类中泛化出来的,而不会是凭空突然出现的。

4.2、继承的作用

探讨了继承的本质,然后我们来探讨继承存在的意义。一切存在的东西都是有意义的,否则就不可能存在。注意,这里的“意义”是中性词,指事物存在的原由,不要理解成褒义。

我们需要继承这个概念,本质上是因为对象论中世界的运作往往是在某一抽象层次上进行的,而不是在最低的基本对象层次上。举个例子,某人发烧了,对其他人说:我生病了,要去医院看医生。这句简短的话中有一个代词“我”和三个名词“病”、“医院”、“医生”。这四个具有名词性的词语中,除了“我”是运作在世界的最底层——基本对象层外,其他三个都运作在抽象层次,在这个语境中,“病”、“医院”、“医生”都是抽象的,他并没有在医院里拉着某个医生对别人说:我生了这个,需要去这里看这个。但是,本质上他确实是生了一个具体的病,要去一个具体的医院看一个具体的医生,那么在哲学上要如何映射这种抽象和具体呢?就是靠继承, 拿医生来说吧,所有继承自“医生”类的类所指的所有具体对象都可以替换掉这里具体的医生,这都不影响这句话语义的正确性。

所以,继承的哲学作用就是:规定了抽象与具体之间的可映射性。形式化一点说:设G(c1,c2)意为c1非严格泛化自c2,I(c,o)意为对象o属于c的外延,其中c1,c2,c均为类,o为对象。那么,c可在哲学语义上映射成o,当且仅当o∈{o|I(c,o)}∪{o|I(c’,o) 且 G(c,c’)}

4.3、开放-关闭

如果你讨厌看形式化的东西,那么上面蓝色文字不看也罢,但是,有一条原则你一定很感兴趣,那就是著名的开放-关闭原则(OCP)。

开放-关闭原则(OCP):软件实体应该可以扩展,但不可以修改。

为什么忽然扯到OCP呢?因为,OCP正是上文讨论的哲学原理在程序世界的具体表述。我们来对比看一下,到底OCP是个什么意思。

还是上面看病那个例子,什么叫可以扩展?就是说,因为在某个抽象层次是进行表述,就不能把话说死了,不能全是这个、那个的把每个对象都指派明白。如,那句话改成“我的右脚扭到了,要去北京航空航天大学医院去看胡青牛医生”,这句话就没有扩展性可言了,所有话都说死了,你如果去的是北医三院或临沂市人民医院,那么语义就不对了,而如果找的不是胡青牛而是华佗或扁鹊,语义也不对了。为什么无法扩展?因为所有点都指定了具体的对象。

而原话“我生病了,要去医院看医生”则扩展性很大,因为只要不违反可映射性定义,映射到任何符合条件的对象都正确。扩展性和灵活性大大提高了。所以,“可以扩展”四字从哲学上其实是要我们在设计和开发软件时提高抽象层次,不要总在具体对象层面上进行处理。这下,你明白为什么说OCP可以提高软件的可扩展性和灵活性了吧。

再来说说“不可以修改”,因为如果随便乱改,那就天下大乱了。还是医院那个例子,“医院”这个类所映射到的对象,一定是治病的地方。如果这东西随便改,例如明天“医院”和“食堂”的概念对换了,那麻烦了,我们所有人都要改,要把两个概念从脑子中对换过来,全世界的书、报纸、Internet ……凡是依赖这两者进行表述的地方都要改,那不是天下大乱么?软件世界中也会发生这种牵一发而动全身的问题。所以我们提倡设计好的类一定要“对修改关闭”。

以上,就是OCP的哲学意义。

4.4、儿子,你要能完全替代老爹才行

不过,要想世界正常运作,只有OCP似乎还有点问题。到目前为止,我们都是在抽象层次树已经存在,并且假定它完全正确的前提下讨论的,可是,我们并没有任何规则限制抽象层次树的正确性,例如,如果我把食堂挂到医院下,让食堂成为医院的子类,在理论上时没有错的,但如果这样随便乱规定继承关系,那么一切依赖继承正确性的原则、概念都没有意义了。所以,只有OCP是不够的,需要对继承进行一个限制。

Barbara Liskov在1987年的OOPSLA大会上发表了一篇文章——《Data Abstraction and Hierarchy》,其中提出了一个非常重要的原则,叫里氏代换原则(LSP)。

里氏代换原则(LSP):子类型应该能代替掉其父类型,且代替后程序运行情况不会错乱。

我们还是用例子去理解LSP。

现代办公几乎都要用到个人计算机,个人计算机本身是一个抽象概念,台式PC是其中一个子类。后来,发明了笔记本电脑,我们想把笔记本电脑归为个人计算机的子类,是否合理呢?根据LSP,我们将台式PC都替换成笔记本电脑,世界应该是照常运行的(当然,实际情况可能复杂些,有些地方不能用笔记本电脑替换,但这里我们忽略这种差别)。我们办公时依赖的类是“个人计算机”,而笔记本电脑完全可以替代这个类型而使得世界运行正常,所以,我们说将笔记本电脑归于个人计算机的子类是符合LSP的。

后来,又发明了转基因黄瓜,我们也想将它归到个人计算机的子类中去,行不行呢?好的,现在我们再运用LSP,将世界上每个依赖个人计算机的地方都替换成一根转基因黄瓜。好的,世界人民都疯了!明显这种替换会令世界运行错乱。所以,我们不能让转基因黄瓜继承个人计算机。

上面的例子是显而易见的,但有些却不那么明显。例如,现在问,兽医是医生的子类吗?这个问题,一下子还真不是很好回答,但我们可以LSP一下,现在,我们把医院里的医生都替换为兽医,你还敢去医院看病吗?嗯,这下子不用我多说了吧。

最后一定要说明的是,LSP应用于程序世界和现实世界时有很大差别的,现实世界繁杂、不确定性因素多,而程序世界简单、确定。总之,LSP就是让你记住一条,凡是系统中有继承关系的地方,子类型一定能代替父类型,而且替换后程序运行要正常。换言之,继承是一种严格的“IS-A”关系,也是“一般和特殊”的哲学原理在程序世界中的体现。

4.5、总结

继承的话题就讨论到这里了。很多朋友在运用继承时有疑惑,或不能很好的确定继承关系,归其根本是没有真正理解继承的意义。只要能理解继承的本质意义,加上OCP和LSP的运用,是可以写出正确的继承体系。

真经第五章——耦合 Couple

“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀,可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风——蝴蝶效应”

5.1、为耦合平反

做程序的人,往往感觉“耦合(Couple)”不是什么好东西。经常有人、有书、有文章对我们谆谆教导:要降低耦合,要降低耦合……久而久之,好像耦合在程序界成了贬义词,弄得我们恨不得把耦合从程序里全部拿掉。

这误解可委屈耦合了。要是哪天没了耦合,这世界还真玩不转。其实耦合还有另一个名字,叫“联系”,试问要是世界上所有对象间的联系都没了,世界还能运作么?耦合的存在是世界演进的途径,如果没有耦合,世界就变成了“死世界”,无法演进和发展。所以,耦合可是好东西,我们要感谢它!但是任何东西都有两面性,过度的耦合确实会令世界的运作产生困难,所以我们提倡降低耦合,这些是后话。

5.2、形形色色的耦合

下面,我们探讨各种耦合式怎么出现的。

上一章讲述了继承,其实,继承的概念出现后,有父子、祖孙关系的类就有了一种联系,这种联系叫做“泛化耦合”。这就是我们认识的第一种耦合。

泛化耦合(Generalization Couple):由于泛化(继承)关系的存在,在两个有祖孙、父子关系的类间形成的一种逻辑关联。

然后,我们讨论另一种耦合。

在文章开始,我们说对象论将对象看做基本元素,而对象中有数据和方法。在现实世界中,数据并不总是简单数据。客观存在一些对象,它们的数据是另一个或另一些对象。例如,一个具体的羊群,有一项数据是很多具体的羊。其中羊也是对象。当抽象成抽象的“羊群”和“羊”类的时候,这种包含关系也随之被抽象到了类中,由此在两个类之间就形成了耦合。

这种耦合出现的哲学基础是,对象本身固有的包含关系,在进行事物抽象时被同时抽象到了类中。所以,我个人将其称为包含耦合。

包含耦合又分为两种情况,一种是被包含对象单纯聚合在包含对象中,但没有形成哲学意义上“整体与部分”的关系,这是一种相对较弱的联系,叫做聚合。例如,上例中羊群和羊就是聚合关系,如果拿掉一两只羊,羊群还是羊群。

聚合(Aggregation):一种弱的拥有关系,体现A对象可以包含B对象,但B对象不是A对象的一部分。

另一种情况是,被包含对象和包含对象形成了哲学意义上“整体与部分”的关系,如汽车和轮子,把轮子拿掉,汽车就不再是完整意义上的汽车了。这种关系叫做组合。

组合(Composition):一种强的拥有关系,体现了严格的部分和整体的关系,部分和整体具有一样的生命周期。

通过上面的探讨,我们认识了泛化耦合、聚合和组合三种耦合形式,最后,还有一种耦合叫依赖。什么是依赖呢?我们知道,在对象论中,将世界的演进看成是在初始作用力下,对象之间相互调用、相互协作完成的。如果两个类在需求范围内,既定逻辑上存在协作的可能,那么这两个类就存在依赖关系(或叫关联关系)。其实,我们常说的“低耦合,高内聚”、“降低耦合”等建议,主要是针对依赖说的。

依赖(Dependency):由于逻辑上相互协作可能,而形成的一种关系。

好的,到目前为止,我们已经认识了四种基本耦合。下面用一副图,直观感受一下世界的各种耦合。

图5.1、耦合示例

图5.1展示了几种耦合的示例。其中汽车和交通工具属于泛化耦合,轮子和方向盘组合于汽车,汽车聚合成车队,而汽车和司机具有依赖关系。这幅图只是耦合的一个小片段,实际上,世界上各种对象形成了一张复杂的耦合网,正因为有耦合的存在,世界才能演进。正如马克思主义哲学所说:联系是普遍的、客观的。所以,耦合的存在,有其深刻的哲学意义。

5.3、总结

不知你是否会有这样的疑问:文章开始,不是说对象论将对象看做相互独立的吗?怎么又耦合起来了。这是矛盾的吗?实则不矛盾。因为我们所处的境界已经不同。刚开始,我们抛开一切,忘记一切,从本质的角度用对象论去看世界,我们看到的对象是相对孤立的。而后来,我们的抽象思维作用于这个世界,所衍生出来的一系列概念,是我们的抽象能力给这个世界抹上的色彩。就如我们用唯物主义看世界时,刚开始要抛开一切,认为世界只有“可被意识所反映的客观实在”,而后,这个物质为本的世界在我们的抽象思维中衍生出各种概念。为了让我们更好的、系统的认识对象论,刚开始,我们抛开一切直取本质,而后来,我们要层层衍生,将抛却的东西再找回来,在这个“找”的过程中,我们才能领会OO中的各种概念、事物其在哲学意义上是怎么来的。

真经第六章——运作 Moving

“运动是绝对的——牛顿”

6.1、导言

在前五章中,我们从世界观的这话题开始,逐步引出了抽象、层次、继承和耦合。这些内容,形成了对象论中关于世界的结构体系。
      然而,要想真正描述一个世界,仅有结构式不行的。开始我们说过,世界观主要关注两个方面:一是世界是什么样子的(结构),另一个就是世界时如何演进的(运作)。现在,我们来讨论对象论中关于世界运作的理论。
      这里首先要指出一点,“对象论”是关于程序世界(即将一个软件系统看成一个世界)的世界观,而非关于现实世界的,所以,将对象论应用于现实世界时,往往会有所偏颇。其实前面的某些地方已经体现出这一点,而在运作理论这里,会体现的尤其明显。但是为了直观起见,我依然会将对象论应用于现实世界去举例子,当然我会非常谨慎和小心,并且会明确指出对象论应用于现实世界的偏颇在哪里。

6.2、世界本没有类

对象论认为:世界的演进,是而且只是各种对象通过互相调用其他对象的公开服务而完成交互。

注意,是对象交互,而不是类交互!没错,类之间是永远不可能交互的。因为不论是现实世界还是程序世界,从来不存在具体的类。类只是抽象思维作用于对象的产物,它帮助我们理解、记忆、分析和设计。类是抽象的概念,它“客观”存在,但不是“具体”的存在。
      例如,现实世界中,我们可以找出很多个“具体的苹果”对象,但是你能找出一个东西,说它是“苹果”这个类吗?你这一辈子吃的每一个苹果,都是一个具体的苹果对象,从来没有具体的“苹果类”和你交互过。再上升一点,你一生交互过的所有东西,都是对象,而没有一个具体的类。“类”不过是你的抽象思维作用于对象形成的帮助你理解认识世界的抽象概念罢了。“类们”从不曾和你真正交互。
      程序世界中也是一样,程序运行起来,从来都是具体对象之间的交互,类只是帮助你分析设计的概念工具罢了。
      认识到上面几点对于理解对象论的世界运行理论非常重要,时刻铭记,参与真正世界运行的,只有对象,没有类!对象在世界中,类在我们心中!
      这一小节的标题是“世界本没有类”,代表两个意思:一是世界“本来”没有类,二是世界“本质”没有类。
      你可能会问,在第五章“耦合”中,不是说依赖关系是“两个类因为可能交互而产生的关系”吗?其实,确切点说,应该是“两个类所能映射到的对象因为可能交互而产生的关系”,本质上,依赖本来是对象间的依赖,只不过在抽象时被同时抽象到类里面了。

6.3、程序世界——大同的和谐世界

虽然在对象论里,现实世界和抽象世界的基本运作机理是一样的,但程序世界和现实世界在具体运作上有很大差别。首先,我要告诉你,程序世界时多么的大同和和谐!

程序世界与现实世界第一点区别:现实世界的依赖以对象为单位,程序世界的依赖以类为单位。

没明白这意味着什么?
      举个例子,在现实世界中,是不是关系很重要啊。为什么?因为你认识的人多,可依赖的人就多。例如你生病了,如果你有个医生朋友,看病就方便很多;如果你要打官司,而你又恰巧认识律师朋友,是不是很爽呢;如果你想上清华大学,刚好清华大学校长是你亲戚,那一切就好办多了是吧。
      为什么会这样?究其本质,是因为现实世界中对象间的依赖是以对象为单位的,这种依赖关系不会随着泛化过程而被泛化到类里面去。例如,有一个人现在在北京航空航天大学上学,从这“一个人可”以泛化出“人”这个类,而北航可以泛化出“大学”这个类,但这个具体的人和北航的这种关系可没有被泛化到两个类中,也就是说,并不是每一个“人对象”都可以去任何一个“大学对象”去上学的。
      不过,如果是程序世界里,上面的推理是可行的,因为程序世界中对象间的依赖是以类为单位的,这种依赖关系会随着泛化过程而被泛化到类里面去。并且,只要两个类建立了依赖,那么两个类之间的所有对象都两两依赖了。换句话说,在程序世界里,只要有一个“人”和一个“大学”发生了联系,那么这种联系就被泛化到类中了,随后,所有的“人”都可以上“任何”的大学。

图6.1、两个世界中依赖的区别

看图6.1,假设世界上只有三个人和三所大学。在现实世界中,小龙女考上了清华,不过这和其他人其他大学一点关系也没有,这种关系并没有体现在类上,看,两个类没有任何联系。但在程序世界中,小龙女考上了清华,一下子人和大学两个类就关联起来了,接着,张无忌和郭靖这两个不好好学习的学生也沾了光,和三所大学都联系起来了。(提示:其实这里和第四章讲到的OCP和LSP联系非常紧密,读者可以联系OCP和LSP两个原则自己思考一下为什么程序世界会这样。)
      你知道了吧,在程序世界里,全世界的医生随你看,律师随你用,大学随你上,美食随你吃!多么和谐大同的美好世界!

看了上面对程序世界的描述,你是不是已经垂涎三尺了?恨不得自己变成一段代码,跑到程序世界里。不过别着急,事情也许没有你想象的那么美好。下面我们来看另一个程序世界与现实世界的区别。

6.4、程序世界——封建的专制世界

上文描述了程序世界是多么多么美好,不过如果有一天,你真的跑到里面去了,你可就惨了。不信看下面。话说你一进程序世界,就迫不及待想在程序世界里找个漂亮的女朋友,可以吗?对不起,不成!你想吃法国大餐,对不起,不成!你想上最好的大学,对不起,不成!……搞什么!不是说程序世界什么都可以得到吗。没错,除了选择权!

程序世界里的对象没有选择权。

为什么会这样?因为如果对象有选择权,就没法贯彻OCP了!你要是活在程序世界里,不但给你包办婚姻,连吃饭、上学……一切的一切,你都得服从包办,对象一点点选择权也没有。至于谁给你包办的,那是后话。
      看了这些,你还敢去程序世界吗?不过这还不是最恐怖的,告诉你更恐怖的一点:

程序世界里的对象不认识对象。

没错,良好的面向对象提倡对象不认识对象!很不可思议?其实,这就是所谓的“低耦合”,我们喊了那么多年的“低耦合”,到底什么是低耦合?所谓低耦合,就是先剥夺对象的选择权,再剥夺对象的感觉。对象间谁也不认识谁,只知道对象能提供什么服务。
      我们现在了解了程序世界是什么样子了,下面,我们讨论程序世界为什么要这样。

6.5、有奶就是娘

中国有句俗语,叫“有奶就是娘”,往往用来讽刺那种六亲不认,两面三刀,谁给好处就跟谁的无耻小人。不过,面向对象可是非常提倡“有奶就是娘”的行为。如果我们的程序都能做到“有奶就是娘”的地步,那就真是实现了“低耦合”这一教义了,套用梁朝伟的话,在程序世界里,有奶就是娘的行为“是美德”。

要理解上述道理,我们要先抛却我们脑中的道德、廉耻等概念,从本质上看看“有奶就是娘”体现了什么哲学道理。
     “有奶就是娘”,纯从字面解释,是说任何一个人,只要能给奶喝,就当做自己亲娘。上升到哲学层面,是说这么一个意思:不以其他对象实体本身为交互准则,而以其他对象的行为作为交互准则,与一个对象是否进行交互纯粹是从其行为判断,而不对对象本体有任何概念。
      这种处事哲学,在现实生活中是最被人鄙夷的,但在程序世界里确是最提倡的。如果一个程序世界里,所有对象都能以“有奶就是娘”的哲学去处事,那么,这就是一个最美好运作方式。

6.6、接口横空出世

上文说到,程序世界中提倡的运作方式是“有奶就是娘”的方式,但要真正实现这种方式,似乎还少点东西。我们回顾一下,世界本来只有对象,我们从对象中抽象出了类,这就是目前我们眼中的世界。这样,我们的交互,要么以对象为准则,要么以类为准则。
      以对象为准则,显然是不行的,因为我们说了,对象间根本互不认识。以类为准则,理论上可行,但这样有问题,就是类本身是对象“实体的抽象”,是为了更好记忆、描述和认识世界而创建的对象,归根到底,还是“实体”范畴的概念,所以在哲学上还是和“以行为作为交互准则”向左。

认识到以上困难,就能认识到,目前我们的世界还无法实现以行为为交互准则,于是,我们需要为世界再衍生一些内容。第二章说过,世界本身只有对象,而衍生其他概念的基本方法是抽象。所以,这里我们当然要用抽象衍生一些概念出来。进一步,类是对象“实体”的抽象,而我们需要的是以行为为交互准则,很自然的,我们完全可以创建一种新概念,这种概念是行为的抽象,这种新概念,就是接口(Interface)。

接口(Interface):对象行为的抽象。

这里要说明,接口和类虽然都是从对象上通过抽象衍生出的概念,但两者本质不同,是从对象的两个不同的哲学角度和动机,抽象出的不同概念,并形成世界两个完全不同的方面(Aspect)。至于两者具体有什么区别,下一小节详细讨论。

6.7、接口 vs 抽象类

经常有朋友迷惑一件事情,抽象类和接口有什么区别?何时使用抽象类,何时使用接口?但从功能来讲,抽象类完全可以代替接口,那为什么还要有接口呢?这一小节来分析这些问题。

这里附带说一个问题,产生这种疑惑的原因,大多是因为朋友们已经习惯了学习一个东西时,只看其什么样子?怎么用?而不习惯于弄清楚一个东西起源于哪?出现的动机是什么?其实,要想学好、用好任何一个东西,后两个问题更关键一些。
      举个例子,有人发明了吹风机,我们如果只搞清楚其是什么样子——“有个把手,有个吹风筒”,以及怎么用——“打开按钮能吹出热风,关闭按钮就停止了”。如果我们只搞清楚这些,那么我们八成用不对这个东西,为什么?因为我们根本不知道这东西是怎么来的,它为什么要被发明出来。也许我们天天拿他吹脸取暖或吹衣服,还一派洋洋得意以为用的很好的样子。殊不知这东西其实是用来吹头发帮助头发快点干起来的。
      不要笑,这种事经常发生在我们身上。因为在软件开发中,有太多的东西,我们只顾着学习其是什么样子,怎么个用法,也许就像吹风机一样,这些并不复杂,然后我们就把它用到不该用的地方,还以为自己用得很好。
      用不用得好吹风机,不在于是否熟练掌握开开关关,而在于是不是用它吹头发。同理,任何东西用得好不好,不在于是不是熟练掌握用法,而在于是不是用对了地方。而要想用对地方,就要弄清楚这个东西的“怎么出来的”和“出来是做什么用的”。

说了挺多,我们回到接口和抽象类的话题上来。
      首先要说明一点,“抽象类(Abstract Class)”和“类(Class)”在哲学意义上没什么区别,其区别仅仅是实现层面上的,即抽象类只不过是一种特殊的类,编程环境强制不准这种类生成实例,哲学意义上两者没有任何区别。所以,从哲学层面讨论“抽象类与接口对比”和讨论“类与接口对比”是等价的。

类与接口的不同点有以下几点:
      I. 抽象范畴不同。类是对象“体征”的抽象,接口是对象行为的抽象。
      II. 抽象动机不同。抽象出类是为了帮助记忆、认识世界,抽象出接口是为了实现低耦合交互。
      III. 关注不同。类关注共同的体征,接口关注用来交互的行为。
      IV. 存在范畴不同。类存在于抽象层次树上,接口存在于接口网。
      V. 应用范畴不同。类应用于结构范畴,是静态概念,接口应用于运作范畴,是动态概念。

上面的条目有点学术了,通俗说来,类是从对象实体的的体征范畴上抽象出来的,用来帮助我们记忆、分析世界不同的对象,主要表明对象“什么样子”;而接口是从对象交互时需要的行为中抽象出来的,关注对象交互时需要的行为。
      还是举个例子吧。
      例如,有一群具体的司机和好多辆具体的汽车,我们可以从司机中抽象出“司机”这个类,从汽车抽象出“汽车”这个类,这种抽象是“体征范畴”的,抽象的目的仅仅是帮助记忆、认识,完全和交互没有关系。而当考虑到交互——司机需要驾驶汽车,于是抽象出一个“可驾驶”这个接口。注意,一但“可驾驶”这个接口被抽象出来,就完全和司机以及汽车没有关系了,除了汽车,拖拉机、轮船、飞机都可以实现这个接口,而不一定是司机,会开车的任何人都可以通过“可驾驶”这个接口去驾驶任何实现“可驾驶”接口的东西。这样一来,“驾驶”这种交互就完全取决于这个接口了,这就是“以行为为交互准则的意思”。

如果明白了这一小节的内容,相信大家再也不会被“接口和类有什么区别?”、“何时使用抽象类,何时使用接口?”这样的问题迷惑了,而可以挥洒自如的在系统中正确使用接口和类。一个方法:拿不准的时候问问自己,这个抽象是体征抽象还是行为抽象?是为了记忆、分析、设计还是为了交互需要?想明白,再下手。

6.8、依赖是如何被倒置的

弄清楚了接口,下面可以谈一个有名的OO原则了:依赖倒置原则(DIP)。
      如上,我们先不说DIP是什么,而是搞清楚DIP的来龙去脉。到时,朋友们自然对DIP就有深刻理解了。我们开始!
      首先,我们要说明,依赖是有方向的,客户类依赖于服务类。什么是客户类?如果A类需要B类提供的服务,那么A类就依赖B类,反之不成立。在没有引入接口前,客户类“知道”服务类,而服务类“不知道”客户类,就像下面这个样子。

图6.2、没有接口的依赖

我们看到,司机作为客户类,汽车作为服务类。依赖的方向是从司机到汽车,以为这里司机要使用汽车提供的“驾驶”方法操作汽车。这是我们不推荐的方式,因为不够“松耦合”。于是,我们将驾驶抽象成接口,依赖变成如下形式。

图6.3、引入接口后的依赖

如图6.3所示,我们从这种交互关系中,抽象出了“可驾驶”这个接口。注意,此时两者谁也不依赖谁,或说谁也不知道谁了。那么为什么司机可以放心呢?因为他知道可驾驶接口的存在,他要驾驶的东西一定实现了这个接口,甭管是什么,只要实现了这个接口,我就能驾驶。其实这里才体现出接口的哲学意义。

接口的哲学意义:对客户类的保证,对服务类的约束。

正是接口约束了服务类必须实现什么功能,客户类才可以在不知道具体服务类的情况下“放心”进行交互,因为接口对客户类提供了一种保证。希望各位能好好体会接口的这种哲学意义,这对于对象论的良好运行体质的理解非常重要。
      可是,这样还不够,我们还有一个非常重要的问题没有讨论:谁有权利定义接口?或者说服务类和客户类谁拥有接口?当然,理论上时谁拥有都可以,但却会对世界的运作产生巨大影响。我们先看服务类拥有接口的情形。

图6.4、服务类拥有接口

如图6.4,由于服务类拥有制定接口的权利,所以各个服务类都定义了自己的接口,一般情况下他们的接口是不相容的。如图,司机可以驾驶汽车,但由于轮船、飞机各自有自己的可驾驶接口,所以会开汽车未必会开飞机和轮船,如果要开飞机或轮船还要一个个学,现实世界中就是这样一种情况。所以,这种世界的运行其实接口几乎没有起到作用,由于服务类是“大爷”,所以它们可以指定诸多霸王条款,而客户必须忍气吞声去迁就,所以,实际的依赖方向还是从客户类到服务类。
      下面在看看客户类拥有接口会是什么样子。

图6.5、客户类拥有接口

看上图,客户终于翻身做主人了,现在客户拥有定义接口的权利,服务类必须无条件实现,这下好了,只要会开汽车,就会开轮船和飞机,因为客户有权利定义一个统一的接口,服务类必须无条件实现!这样,三种交通工具的驾驶方法必须完全一致(虽然现实世界还没有这样),这回客户终于可以扬眉吐气,体会一把“顾客是上帝”的感觉了。
      在图6.5的情况下,司机可以有权定义接口,他不必“知道”服务类,而服务类必须“知道”客户定义了什么接口,你有没有发现,依赖的方向已经悄悄倒置过来了!变成服务类依赖客户类了(谁知道谁,谁就依赖谁)!这就是“依赖倒置”的由来。不必说,所谓依赖倒置原则就是让我们必须按图6.5的方式运行世界,而不能按图6.2,6.3,6.4的方式。下面正式定义依赖倒置原则。

依赖倒置原则(DIP):客户类和服务类都应该依赖于抽象(接口),并且客户类拥有接口。

我想,看过上述来龙去脉,已经不用我再去解释这个原则了吧。

6.9、神秘的统治者

到目前为止,我们基本已经搞清楚了对象世界的运行机制。但仍有一个疑问:我们曾经说过,程序世界里对象时没有选择权的,甚至不知道谁是谁,只知道接口,那么,谁来指定服务类呢?
      例如,上述司机可以制定接口,所以汽车、飞机、轮船等可驾驶的东西都要实现,于是司机可以按照自己制定的方式驾驶东西。但是,司机不能选择驾驶什么啊,他根本不知道自己驾驶的是什么,那么,谁制定他是驾驶飞机、汽车还是轮船呢?
      似乎冥冥中,这个世界存在一个统治者,它掌管所有对象之间谁和谁交互(只要不违反接口),否则,世界根本没法正常运行。没错,程序世界是有这么一个统治者,他就是大名鼎鼎的“依赖注入容器(DI)”,也有人叫做“控制反转容器(IoC)”。
      什么叫依赖注入?什么叫控制反转?如果你看了上面的文章,那太好理解了,依赖注入就是容器挑选符合接口的服务类为客户类提供服务。例如,上面司机要一个可驾驶的东西,容器就会根据既定规则选择一个,可能是飞机、可能是汽车、也可能是轮船,交给司机。司机驾驶就行了,不用管是什么,反正知道这东西肯定实现了“可驾驶”接口。

让我们向这个伟大的统治者致敬吧,没有他,程序世界可真玩不转了(当然,如果某个程序世界不符合DIP甚至没接口,都是类之间依赖,那么就不需要依赖注入容器了,不过这么一来,可就是“高耦合”了,是OO所反对的)。

6.10、运作起来吧

到了这里,根本不用我废话说程序世界时怎么运作的了,因为上面都已经说明白了。不过,我还是用短短几句话总结一下吧。

一个符合OO原则的、低耦合的程序世界的运作形式是这样的:首先参与运作的本质只有对象,对象不直接依赖,没有选择权,互相不知道,而只知道各个接口。客户类制定接口,对象间通过接口交互,形成运作。世界的统治者依赖注入容器决定选择哪个服务类给客户类使用。

好了,关于程序世界的运作哲理就讲到这里了,大家可以在脑子里描绘一下上述运作情景,加深印象。

作者:T2噬菌体

出处:http://leoo2sk.cnblogs.com

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