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为什么我们在程序开发设计中要基于接口而非实现编程？
admin
2024年4月19日 18:3 本文热度 583

为什么我们要基于接口而非实现编程？

如何解读原则中的“接口”二字？

是否需要为每个类定义接口？

针对以上问题，下面我们来一个一个的聊一聊。

在软件开发领域，遵循“面向接口编程而非面向实现编程”的原则是提升代码质量的关键策略。这一原则强调的是，应当依赖于定义良好的接口，而不是具体的实现逻辑。这样做的目的是为了提高代码的灵活性和可维护性，降低因实现变化而导致的修改成本。

为了让你理解透彻，并真正掌握这条原则如何应用，今天，我会结合一个有关图片存储的实战案例来讲解。除此之外，这条原则还很容易被过度应用，比如为每一个实现类都定义对应的接口。针对这类问题，我也会告诉你如何来做权衡，怎样恰到好处地应用这条原则。
如何解读原则中的“接口”二字？
“基于接口而非实现编程”这条原则的英文描述是：“Program to an interface, not an implementation”。我们理解这条原则的时候，千万不要一开始就与具体的编程语言挂钩，局限在编程语言的“接口”语法中（比如 Java 中的 interface 接口语法）。这条原则最早出现于 1994 年 GoF 的《设计模式》这本书，它先于很多编程语言而诞生（比如 Java 语言），是一条比较抽象、泛化的设计思想。
要真正领会这一原则，关键在于理解“接口”的含义。从本质上来说，“接口”是一组规范或协议，它定义了功能提供者与使用者之间的交互方式。在不同的应用背景下，“接口”可以有不同的含义，例如服务端与客户端之间的通信接口、类库提供的API，或者通信协议等。这些理解更偏向于高层次和抽象层面，与具体的编码活动有一定的距离。然而，在具体的编码实践中，“依托抽象接口而非具体实现进行编程”中的“接口”可以被理解为编程语言中的接口或抽象类。
正如我们之前提到的，这一原则能够有效提升代码品质，这是因为它实现了接口与实现的分离，将不稳定的实现细节封装起来，而对外提供稳定的接口。当实现发生变化时，依赖于接口的上层系统代码基本上不需要做出修改，从而降低了系统的耦合度，增强了系统的可扩展性。
实际上，“依托抽象接口而非具体实现进行编程”这一原则也可以表述为“依托抽象而非具体实现进行编程”。后者更能体现这一原则的核心意图。在软件开发过程中，需求的不断变化是一个主要挑战，也是衡量代码设计优劣的一个重要标准。越高层次、越抽象、越不依赖于某一具体实现的设计，越能够提升代码的适应性和灵活性，以应对未来的需求变化。优秀的代码设计不仅能够满足当前的需求，而且在将来需求发生变化时，也能够在不破坏现有代码结构的前提下灵活适应。而抽象是提升代码的可扩展性、灵活性和可维护性的有效手段之一。
为了将这一原则应用到实际场景中，我们可以通过一个具体的案例来进行说明。假设在我们的系统中，有大量的图片处理和存储业务逻辑。处理后的图片被上传至阿里云。为了代码的复用性，我们封装了图片存储相关的逻辑，并创建了一个统一的AliyunImageStore类供整个系统使用。具体的代码实现如下：
public class AliyunImageStore {  // ...省略属性、构造函数等...   public void createBucketIfNotExisting(String bucketName) {    // ...创建存储桶的代码逻辑...    // ...失败时抛出异常...  }   public String generateAccessToken() {    // ...生成访问令牌...  }   public String uploadToAliyun(Image image, String bucketName, String accessToken) {    // ...上传图片至阿里云...    // ...返回图片在阿里云上的地址(url)...  }   public Image downloadFromAliyun(String url, String accessToken) {    // ...从阿里云下载图片...  }}// AliyunImageStore类的使用示例public class ImageProcessingJob {  private static final String BUCKET_NAME = "ai_images_bucket";  // ...省略其他无关代码...   public void process() {    Image image = ...; // 处理图片，并封装为Image对象    AliyunImageStore imageStore = new AliyunImageStore(/* 省略参数 */);    imageStore.createBucketIfNotExisting(BUCKET_NAME);    String accessToken = imageStore.generateAccessToken();    imagestore.uploadToAliyun(image, BUCKET_NAME, accessToken);  }}
整个上传流程包括三个步骤：创建存储桶（可以理解为一个存储目录）、生成访问令牌、携带访问令牌上传图片至指定的存储桶中。代码实现简洁明了，类中的方法定义清晰，使用起来也很方便，看起来似乎没有问题，完全符合我们将图片存储在阿里云的业务需求。
然而，在软件开发的世界里，唯一不变的就是变化本身。随着时间的推移，我们可能会建立自己的私有云，不再使用阿里云存储图片，而是将图片存储在自己的私有云上。面对这样的需求变化，我们应该如何调整代码呢？
我们需要重新设计实现一个存储图片到私有云的 PrivateImageStore 类，并用它替换掉项目中所有的 AliyunImageStore 类对象。这样的修改听起来并不复杂，只是简单替换而已，对整个代码的改动并不大。不过，我们经常说，“细节中的魔鬼”。这句话在软件开发中特别适用。实际上，刚刚的设计实现方式，就隐藏了很多容易出问题的“魔鬼细节”，我们一块来看看都有哪些。
新的 PrivateImageStore 类需要设计实现哪些方法，才能在尽量最小化代码修改的情况下，替换掉 AliyunImageStore 类呢？这就要求我们必须将 AliyunImageStore 类中所定义的所有 public 方法，在 PrivateImageStore 类中都逐一定义并重新实现一遍。
而这样做就会存在一些问题，我总结了下面两点。
首先，AliyunImageStore 类中有些函数命名暴露了实现细节怎么办？。
比如，uploadToAliyun() 和 downloadFromAliyun()。如果开发这个功能的同事没有接口意识、抽象思维，那这种暴露实现细节的命名方式就不足为奇了，毕竟最初我们只考虑将图片存储在阿里云上。而我们把这种包含“aliyun”字眼的方法，照抄到 PrivateImageStore 类中，显然是不合适的。如果我们在新类中重新命名 uploadToAliyun()、downloadFromAliyun() 这些方法，那就意味着，我们要修改项目中所有使用到这两个方法的代码，代码修改量可能就会很大。
其次，将图片存储到阿里云的流程，跟存储到私有云的流程，可能并不是完全一致的怎么办？
比如，阿里云的图片上传和下载的过程中，需要生产 access token，而私有云不需要 access token。一方面，AliyunImageStore 中定义的 generateAccessToken() 方法不能照抄到 PrivateImageStore 中；另一方面，我们在使用 AliyunImageStore 上传、下载图片的时候，代码中用到了 generateAccessToken() 方法，如果要改为私有云的上传下载流程，这些代码都需要做调整。
那这两个问题该如何解决呢？解决这个问题的根本方法就是，在编写代码的时候，要遵从“基于接口而非实现编程”的原则，具体来讲，我们需要做到下面这 3 点。

  1. 函数的命名不能暴露任何实现细节。比如，前面提到的 uploadToAliyun() 就不符合要求，应该改为去掉 aliyun 这样的字眼，改为更加抽象的命名方式，比如：upload()。
  2. 封装具体的实现细节。比如，跟阿里云相关的特殊上传（或下载）流程不应该暴露给调用者。我们对上传（或下载）流程进行封装，对外提供一个包裹所有上传（或下载）细节的方法，给调用者使用。
  3. 为实现类定义抽象的接口。具体的实现类都依赖统一的接口定义，遵从一致的上传功能协议。使用者依赖接口，而不是具体的实现类来编程。

我们按照这个思路，把代码重构一下。
public interface ImageStore {  String upload(Image image, String bucketName);  Image download(String url);}public class AliyunImageStore implements ImageStore {  // ...省略属性、构造函数等...   public String upload(Image image, String bucketName) {    createBucketIfNotExisting(bucketName);    String accessToken = generateAccessToken();    // ...上传图片至阿里云...    // ...返回图片在阿里云上的地址(url)...  }  public Image download(String url) {    String accessToken = generateAccessToken();    // ...从阿里云下载图片...  }  private void createBucketIfNotExisting(String bucketName) {    // ...创建存储桶...    // ...失败时抛出异常...  }  private String generateAccessToken() {    // ...生成访问令牌...  }}// 上传下载流程变化：私有云不需要访问令牌public class PrivateImageStore implements ImageStore {  public String upload(Image image, String bucketName) {    createBucketIfNotExisting(bucketName);    // ...上传图片至私有云...    // ...返回图片的url...  }  public Image download(String url) {    // ...从私有云下载图片...  }  private void createBucketIfNotExisting(String bucketName) {    // ...创建存储桶...    // ...失败时抛出异常...  }}// ImageStore的使用示例public class ImageProcessingJob {  private static final String BUCKET_NAME = "ai_images_bucket";  // ...省略其他无关代码...   public void process() {    Image image = ...; // 处理图片，并封装为Image对象    ImageStore imageStore = new PrivateImageStore(...);    imagestore.upload(image, BUCKET_NAME);  }}
除此之外，很多人在定义接口的时候，希望通过实现类来反推接口的定义。先把实现类写好，然后看实现类中有哪些方法，照抄到接口定义中。如果按照这种思考方式，就有可能导致接口定义不够抽象，依赖具体的实现。这样的接口设计就没有意义了。不过，如果你觉得这种思考方式更加顺畅，那也没问题，只是将实现类的方法搬移到接口定义中的时候，要有选择性的搬移，不要将跟具体实现相关的方法搬移到接口中，比如 AliyunImageStore 中的 generateAccessToken() 方法。
总结一下，我们在做软件开发的时候，一定要有抽象意识、封装意识、接口意识。在定义接口的时候，不要暴露任何实现细节。接口的定义只表明做什么，而不是怎么做。而且，在设计接口的时候，我们要多思考一下，这样的接口设计是否足够通用，是否能够做到在替换具体的接口实现的时候，不需要任何接口定义的改动。
好，下一个问题：是否需要为每个类定义接口？
根据以上内容，你可能会有这样的疑问：为了满足这条原则，我是不是需要给每个实现类都定义对应的接口呢？在开发的时候，是不是任何代码都要只依赖接口，完全不依赖实现编程呢？

  1. 做任何事情都要讲求一个“度”，过度使用这条原则，非得给每个类都定义接口，接口满天飞，也会导致不必要的开发负担。至于什么时候，该为某个类定义接口，实现基于接口的编程，什么时候不需要定义接口，直接使用实现类编程，我们做权衡的根本依据，还是要回归到设计原则诞生的初衷上来。只要搞清楚了这条原则是为了解决什么样的问题而产生的，你就会发现，很多之前模棱两可的问题，都会变得豁然开朗。
  2. 前面我们也提到，这条原则的设计初衷是，将接口和实现相分离，封装不稳定的实现，暴露稳定的接口。上游系统面向接口而非实现编程，不依赖不稳定的实现细节，这样当实现发生变化的时候，上游系统的代码基本上不需要做改动，以此来降低代码间的耦合性，提高代码的扩展性。
  3. 从这个设计初衷上来看，如果在我们的业务场景中，某个功能只有一种实现方式，未来也不可能被其他实现方式替换，那我们就没有必要为其设计接口，也没有必要基于接口编程，直接使用实现类就可以了。
  4. 除此之外，越是不稳定的系统，我们越是要在代码的扩展性、维护性上下功夫。相反，如果某个系统特别稳定，在开发完之后，基本上不需要做维护，那我们就没有必要为其扩展性，投入不必要的开发时间。

总的来说

  1. “基于接口而非实现编程”，这条原则的另一个表述方式，是“基于抽象而非实现编程”。后者的表述方式其实更能体现这条原则的设计初衷。我们在做软件开发的时候，一定要有抽象意识、封装意识、接口意识。越抽象、越顶层、越脱离具体某一实现的设计，越能提高代码的灵活性、扩展性、可维护性。
  2. 我们在定义接口的时候，一方面，命名要足够通用，不能包含跟具体实现相关的字眼；另一方面，与特定实现有关的方法不要定义在接口中。
  3. “基于接口而非实现编程”这条原则，不仅仅可以指导非常细节的编程开发，还能指导更加上层的架构设计、系统设计等。比如，服务端与客户端之间的“接口”设计、类库的“接口”设计。

该文章在 2024/4/19 18:03:39 编辑过
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