架构设计的原则和模式

## **从“高内聚，低耦合”说起** 记得在上学的时候，⽼师就说过“⾼内聚，低耦合”，但当初对这句话的理解⽐较浅显。⼯作之后，为了说服别⼈采⽤⾃⼰设计的⽅案，常常说“……这样就做到了⾼内聚，低耦合……”。 随着⼯作经验越来越丰富，学到的内容越来越多，在解释设计⽅案的时候，可能会这样说： “……此处使⽤了策略模式，从⽽保证了模块相对的稳定性，和较强的扩展性……”； “……这个聚合维护了A、 B和C之间的固定规则……”。 ⽽之前经常说的“⾼内聚，低耦合”却不会经常挂在嘴边了。那什么是“⾼内聚，低耦合”呢？ 内聚性和耦合性，都是软件度量。内聚性是指功能相关的程序组合成⼀个模块的程度，或是各机能凝聚的状态或程度。耦合性是指，⼀个程序中模块及模块之间信息或参数依赖的程度。它们都是早期结构化分析的重要概念之⼀，⽽且是相对的概念。⼀般内聚性⾼的程序，通常是低耦合的。虽然我们不再使⽤严格的“结构化分析”步骤，但是它依然适⽤于现在⼀直存在的模块关系中。在⾯向对象的分析和设计中，⼀个类可以看成最⼩的模块，那么内聚性和耦合性也可以表达为对象之间的关系。“高内聚，低耦合”代表着这程序更健壮、更易扩展。 它似乎并未过时，但是在讨论问题的时候，我们为什么不再经常使⽤？或者说你在什么时候使⽤呢？或者我们把问题再扩⼤⼀点——你依据什么“设计⽅法”去指导架构设计⼯作呢？是SOLID？是设计模式？还是DDD呢？ 在回答这个问题之前，我们看看还有哪些“设计⽅法”出现在分析和设计⼯作中，以及使⽤时遇到的问题。 ## **令人迷茫的设计方法** ### **故事一 SOLID不够明确？** 对OO设计熟悉的读者肯定知道著名的[SOLID原则](https://insights.thoughtworks.cn/understand-solid-principles/)。当时我对OO的认识还只有“封装、继承和多态”，读到这些理论的时候，收获颇多。直到有同事问我：“单⼀职责原则规定每个类都有单⼀的功能，那么到底⼀个类有多少功能算是单⼀呢？如果⼀个类有多个成员⽅法，是不是⼀定要拆分成多个类呢？ ” 我想了⼀下，如果⼀个类中只有CRUD⽅法，是不是要把类拆成Creator、 Retriver、 Updater和Deleter才能满⾜这个原则呢？⾃认为对SOLID了如指掌的我⼀时⽆语凝噎。 ### **故事二 设计模式违反“原则”？** 接触到[设计模式](https://insights.thoughtworks.cn/do-you-really-know-design-pattern/)后，“策略模式”中的每⼀个算法被封装到⼀个类，算是满⾜了“单⼀职责”，并且“针对了接⼝编程，⽽不是针对实现”，顿时有种发现新⼤陆的感觉。此时，感觉SOLID⼀点都不“Solid”，反⽽很虚。设计模式才是指导开发的王道，策略模式也是我最常⽤的模式之⼀（可能它最简单吧）。 后来遇到更复杂的情况：不同的条件下，需要使⽤不同的“策略组”（算法组）；并且随着状态的流转，“策略组”也跟着变化。使⽤“状态模式”，问题迎刃⽽解。此时的我认为，设计模式是指导设计的另⼀套原则，是对SOLID原则的拓展和应⽤，是对于模糊的原则做了⼀次详细的解释说明，⽽SOLID本身很难指导开发设计。 [](https://insights.thoughtworks.cn/wp-content/uploads/2023/04/architecture-design-principles-patterns-1.png) 状态模式 #### **问题一：状态模式中的坏味道** 直到一次Code Review时，同事提出了以下疑问： “虽然增加⼀个新的状态（State）只需改变很少已有代码，但是如果增加⼀个新动作（action），是不是所有状态⼦类都实现这个动作？这样就会把已有的State⼦类全部更改⼀遍。 ” “如果有必要，是的。但⽬前这个动作只有在StateX下才会真正地使Context的状态发⽣改变。我会在State中⽀持默认的实现，只有ConcreteStateX才会完成状态变化的逻辑。这样⼀来就不需要改动每⼀个State了。 ” “如果这个‘新动作’只在某⼀个具体的State中才⽣效，那么相当于‘兄弟State’不得不⽀持这个对⾃⼰毫⽆意义的动作，⽽且基类可能有越来越多类似的默认实现，此时会出现‘DivergentChange’这个坏味道。⽽且当我们使⽤State基类的时候，我们并不清楚哪些⽅法在哪个具体的State⼦类有特殊的实现，给读代码的⼈也带来很多困难。 ” 在此之前，我从未怀疑过设计模式会遭到挑战，⽽且对⽅说的貌似有点道理。 #### **问题二：组合模式违反“单一职责”原则** 再来看组合模式，Component承担了Leaf和Composite两种职责，明显违背了“单一职责”原则，以后还要不要用呢？ [](https://insights.thoughtworks.cn/wp-content/uploads/2023/04/architecture-design-principles-patterns-2.png) 组合模式 ### **故事三 拍脑袋决定方案？** 经历过以上故事的我，对于设计上的优缺点已经有了一定的认识，但是在代码层面竟然也遇到了问题。 在⼀次重构⼯作中，遇到了“重复代码（Duplicated Code） ”的坏味道，我直接使⽤“PullUp Method”的⼿法，将重复代码推⼊了超类；⽽同事却认为使⽤继承不如使⽤组合，建议使⽤“Extra Class”，将重复代码抽到⼀个⽆关的类。我俩的⽅法都能解决问题，但是为了说服对⽅花了很多时间。后来想了想，对于两个都能解决问题的⽅案，我是否还要花时间去争论？如果两个⽅案都⾏，拍脑袋决定岂不美哉？ ### **故事四 DDD如何指导设计开发？** 随着在项⽬中使⽤DDD，⾃认为积累了不少经验。⼀次在DDD Community的讨论中，涉及了聚合，便有了下⾯的对话： #### **问题一：聚合和一致性的关系** “……聚合是为了维护模型对象间的固定业务规则⽽存在，所以A、 B和C在同⼀个聚合⾥⾯。 ” “等等， A和D之间也有关系，这种关系难道不是业务规则吗？为什么要把D排除在聚合边界之外？ ” [](https://insights.thoughtworks.cn/wp-content/uploads/2023/04/architecture-design-principles-patterns-3.png) 聚合边界 “这⾥说的‘固定业务规则’是强⼀致性的， A和D之间的业务规则是‘最终⼀致性’的。 ” “‘最终⼀致性’是不是牵强附会的概念呢？你的意思是， A和D之间的业务规则可以‘不⼀致’，也就是不固定？你问问业务⽅同意吗？ ” “我的意思是它们之间可以有‘短暂的不⼀致’，⽐如发邮件的那⼀刻，并不期望邮件在⼀秒内发出去，它可能在邮件服务的队列⾥等着呢，只要在规定的时间内，⽐如五分钟，发出去即可。所以我们经常把‘邮件系统’作为⼀个独⽴的系统，故⽽不会把‘邮件’和‘发送邮件的对象’作为⼀个聚合。 ” “听起来有道理。但是我也⻅过业界很多情况下把‘下单’和‘财务’做成两个微服务系统的，所以‘订单’和‘账单’肯定不属于同⼀个聚合。按照上⾯的说法，‘订单’和‘账单’之间肯定没有强⼀致性的业务规则。但是你点外卖的时候，难道不是付款成功之后才会告诉你下单成功吗？它既不会让你等五分钟，也不会没收到钱就给你准备饭菜。这种规则难道不是你所谓的‘强⼀致性’？ ” 讨论到这个地方，通常会以“具体问题具体分析”结尾，或者还没结尾就转到了另一个相关话题： #### **问题二：实体只有一部分需要聚合维护固定规则** “……前⾯说到，聚合维系了内部对象的固定规则，所以操作聚合内的对象要通过聚合根。但是聚合内某些实体的状态更新通过聚合根操作效率太低……” “不通过聚合根操作会破坏业务规则吧？ ” “打个⽐⽅，在订单这个聚合⾥，直接更改某个订单项的价格可能会破坏订单的业务规则，⽐如‘总价限额’。但是更改订单项的备注并不会破坏任何规则。如果还有更多类似‘更改备注’这样的操作，都要通过聚合根这个‘代理’完成。这跟重构中的坏味道‘中间⼈（Middle Man） ’有点像。 ” “那能不能把订单项中‘没有固定规则’的部分和‘有固定规则’的部分分开，做成两个实体对象呢？ ” “⾸先，在当前上下⽂⾥，订单项是⼀个⾮常明确的概念，分开后怎样对应业务概念呢？其次，如果真的分开，这个新的实体对象⽣命周期的维护也需要成本。 ” [](https://insights.thoughtworks.cn/wp-content/uploads/2023/04/architecture-design-principles-patterns-4.png) 部分需要维护固定规则 讨论到此处，又陷入了僵局。但讨论一旦发散起来，根本刹不住车。 #### **问题三：实体只有某个生命周期需要聚合维护固定规则** “上⾯讨论的是‘实体只有⼀部分需要聚合维护规则’。我现在遇到的问题是‘实体只有某个⽣命周期需要聚合维护固定规则’。这种情况下，相当于实体的其他⽣命周期的操作也要受限于聚合。 ” “说来听听？ ” “还是拿‘订单’举例。在创建订单的时候，所有订单项之间才会维护固定规则，⽐如‘总价限额’。⼀旦创建完毕，业务规定不能更改订单项的价格，也就不再需要聚合维护任何固定规则了。《领域驱动设计》并没有给出这种情况下对应的明确答案，如果按照书中对聚合处理，同样也会遇到前⾯讨论的问题。 ” [](https://insights.thoughtworks.cn/wp-content/uploads/2023/04/architecture-design-principles-patterns-5.png) 只在某个生命周期维护规则 诸如此类的讨论还有很多，⼼中也有⾃⼰模糊的答案，但是也产⽣了更多的疑问——聚合是不是⼀个业务概念？它是⼀个令⼈随意打扮的，还是⼀个客观存在的个体？如果“令⼈随意打扮”，那该如何打扮呢？如果客观存在，该如何才能准确地找到它呢？在DDD中有⾮常多的概念，它们⼀直在讨论中存在争议，那么DDD该如何指导设计和开发呢？ ## **设计中的妥协** 不知道各位读者是否也遇到过上⾯类似的问题。每当读到⼀个“新”的“设计⽅法”的时候，总免不了“得矣得矣”⽽沾沾⾃喜；⽽在实践中，很难得到⼀个完美的解决⽅案。 我也⼀直在思考，到底什么样的架构才是“完美”的？ 后来我在《架构整洁之道》里面找到了答案：<strong>“软件架构的终极⽬标是，⽤最⼩的⼈⼒成本来满⾜构建和维护该系统的需求”</strong>（以下简称“最⼩⼈⼒成本原则”）。如果我们把这句话当作架构的⽬标，那么很多设计问题都会迎刃⽽解了。 在“故事二”的“问题一”中，新的解决方案可以是“把每种状态的动作处理做成可配置的，配置项通过多个策略模式完成”。这样只拓展新增加的aciton策略，相同的策略只需要相同的配置即可，并且还将state的控制权还给了Context。 [](https://insights.thoughtworks.cn/wp-content/uploads/2023/04/architecture-design-principles-patterns-6.png) 状态模式替代方案之一 但是这种方案是不是“最小人力成本原则”呢？未必！状态模式作为成熟的设计模式，更容易被开发者理解和应用。而且我们还要面对团队开发人员的技术水平问题：当前的开发团队能否理解新的解决方案呢？我们需要花多大代价普及这个方案呢？这个方案是否可以作为一个新的模式在团队推广呢？ 在“故事二”的“问题二”中，组合模式也是经过千千万万开发人员采用并验证过的，它是处理树型结构的典型方案。虽然它违背了某些原则，但是如果“妥协”一下，它还是非常好用的工具。相反，如果相似的问题不采用组合模式，新的方案能否满足组合模式的所有优点呢？ 在“故事四”的“问题一”中，虽然D和A、B、C之间有业务规则，但是如果放在一个聚合里面维护，会不会因为聚合内过于复杂而无法满足“最小人力成本原则”呢？如果是，我们只能通过“妥协”，把相对联系不太紧密的D排除在聚合之外。其他问题的分析也是同理。 讨论到这里，所有的问题还是没有确切的答案，一切都是依赖具体的“环境”做出的妥协。 如果我们把“最小人力成本原则”来作为设计原则或者方法，那什么是“最小”呢？如何衡量最小呢？难道软件的设计原则真的是“具体问题具体分析”？而且它听起来更像是一个条管理原则，那我们学习SOLID和DDD还有什么用？ ## **原则和模式** 三年前，我以DDD专家身份去客户现场，几个同事在讨论具体概念的时候发生了分歧。这时，一位资深的同事问我们：“你认为架构的设计原则是什么？”我思考了一下：“高内聚，低耦合”。虽然当时得到了大佬的认同，但我并没有对自己的答案有多少信心。 如果我们把“高内聚，低耦合”作为原则对前面的问题进行分析，似乎也能得到类似的答案，毕竟“内聚性高，耦合性低”确实能降低构建和维护系统需求的成本。但是它的缺点也同样存在——到底内聚性达到什么程度才算“高内聚”呢？毕竟这两个指标没法量化。如果我们在进行OO建模，此时我们会发现，SOLID原则会告诉你怎样做到“高内聚，低耦合”。单一职责原则要求“一个类或者模块应该有且只有一个改变的原因”，其实就是对“高内聚，低耦合”的一个应用。 所以，我们可以把之前提到的所有“原则”都作为设计的指导，只不过在不同层级，不同粒度上会有不同。 那么，设计模式和“聚合”也是设计原则吗？在我们的讨论中，它们不是原则，而是模式。 模式可以理解为以原则为指导，针对一类问题提出的可复用的解决方案。设计模式很多情况下都是印证了SOLID原则。既然“针对一类问题”，它必然有严格的使用条件。 在“故事三”中，针对“消除重复代码”的原则，提出了多个“模式”——“Pull Up Method”和“Extract Class”。《重构：改善既有代码的设计》也给出了使用条件——如果两个类不相干，那么使用“Extract Class”；如果两个类有很多共性，或者本来就属于同一个继承结构，那么使用“Pull Up Method”。所以当我们搞清楚模式的使用条件时，就不用拍脑袋决定了。 在“故事四”的“问题三”中，聚合模式似乎不能满足“实体只在某个生命周期才需要一个组合结构维护固定规则，而其他生命周期和这个组合结构解耦”的问题。那么聚合模式是错误的吗？并不是，它仍然满足了大多数情况下的设计要求。很显然，我们此时的特殊需求，超越了聚合模式的使用范围。 既然模式不再适用，那我们就通过原则来指导设计。 首先，根据“最小人力成本原则”，使用聚合模式和“疑似中间人（Middle Man）坏味道”两者之间，哪个给团队带来的成本最小呢？如果使用聚合代价更小，那我们欣然接受聚合模式；反之，考虑“聚合”的设计原则。 在《领域驱动设计：软件核心复杂性应对之道》里讨论聚合的时候反复提到“局部和整体”和“一致性”，可以认为这是聚合模式的理论来源，也就是设计聚合的原则。事实上，它把复杂的变化封装在了一起，也符合我们说的“高内聚，低耦合”的原则。如果我们放弃聚合模式，那么就用前面说的原则进行重新设计。这样无论设计出的怎样的模型，他都是符合DDD设计思想的。如果这种模型能解决一类问题，它甚至可以命名为新的模式。所以，一旦分清了原则和模式之间的关系，更利于我们做设计工作。 因此： **软件的设计原则是分层级的：** * **高层原则是抽象的，难以指导设计工作；** * **低层原则是对高层原则在某个方面的细化，但它不能违背高层原则。** **模式以原则为指导，针对一类问题提出的可复用的解决方案，并且有明确的使用条件。** **做设计时，优先以满足条件的模式为指导，当模式无法满足设计时，以对应层次的原则作为指导。当低层原则无法指导设计时，向高层依次寻找原则。当新的设计方案能解决某一类问题时，它可能就是一种新的模式。** 由上面的总结可以看出，模式作为设计的武器，当武器库中的武器都不能满足设计要求时，要么选择“妥协”，找一个最趁手的武器用起来，要么根据“原则”对武器进行升级打造，丰富武器库。（古代著名军事家戚继光在抗倭时，以长矛为基础发明狼筅，以克制倭刀。） ## **回到“高内聚，低耦合”** 如果现在有人问我：“你的设计原则是什么？”我的回答可能是“高内聚，低耦合”，也可能是“封装、继承和多态”，但答案不再唯一。如果我们此刻在讨论“划分限界上下文”的原则，上面的答案就跟下面的问答类似： 问：“为什么铁球会落地？” 答：“因为万有引力。” 在物理界中，所有物理学家的终极梦想是发现一个宇宙通用的公式（就像“万有引力”能够解释“重力”一样），这个公式能够解释一切物理现象。且不论这个公式是否存在，即便存在，应该也是极其复杂的。在我们的设计过程中，不必用最高层的原则指导一切，那样指导具体设计时就会变得模糊。