设计模式-开闭原则

如何理解“对扩展开放、修改关闭”？

开闭原则的英文全称是 Open Closed Principle，简写为 OCP。它的英文描述是： software entities (modules, classes, functions, etc.) should be open for extension , but closed for modification。我们把它翻译成中文就是：软件实体（模块、类、方法等） 应该“对扩展开放、对修改关闭”。

这个描述比较简略，如果我们详细表述一下，那就是，添加一个新的功能应该是，在已有代码基础上扩展代码（新增模块、类、方法等），而非修改已有代码（修改模块、类、方法 等）。

为了让你更好地理解这个原则，我举一个例子来进一步解释一下。这是一段 API 接口监控告警的代码。其中，AlertRule 存储告警规则，可以自由设置。Notification 是告警通知类，支持邮件、 短信、微信、手机等多种通知渠道。NotificationEmergencyLevel 表示通知的紧急程度， 包括 SEVERE（严重）、URGENCY（紧急）、NORMAL（普通）、TRIVIAL（无关紧 要），不同的紧急程度对应不同的发送渠道。关于 API 接口监控告警这部分，更加详细的业务需求分析和设计，我们会在后面的设计模式模块再拿出来进一步讲解，这里你只要简单知道这些，就够我们今天用了。

public class Alert {
    private AlertRule rule; // 告警规则
    private Notification notification; // 告警通知类
    
    public Alert(AlertRule rule, Notification notification) {
        this.rule = rule;
        this.notification = notification;
    }
    
    public void check(String api, long requestCount, long errorCount, long durationOfSeconds) {
        long tps = requestCount / durationOfSeconds;
        if (tps > rule.getMatchedRule(api).getMaxTps()) {
            notification.notify(NotificationEmergencyLevel.URGENCY, "...");
        }
        if (errorCount > rule.getMatchedRule(api).getMaxErrorCount()) {
            notification.notify(NotificationEmergencyLevel.SEVERE, "...");
        }
    }
}

上面这段代码非常简单，业务逻辑主要集中在 check() 函数中。当接口的 TPS 超过某个预先设置的最大值时，以及当接口请求出错数大于某个最大允许值时，就会触发告警，通知接口的相关负责人或者团队。

现在，如果我们需要添加一个功能，当每秒钟接口超时请求个数，超过某个预先设置的最大阈值时，我们也要触发告警发送通知。这个时候，我们该如何改动代码呢？主要的改动有两 处：第一处是修改 check() 函数的入参，添加一个新的统计数据 timeoutCount，表示超时接口请求数；第二处是在 check() 函数中添加新的告警逻辑。具体的代码改动如下所示：

public class Alert {
    // ... 省略 AlertRule/Notification 属性和构造函数...
    // 改动一：添加参数 timeoutCount
    public void check(String api, long requestCount, long errorCount, long durationOfSeconds, long timeoutCount) {
        long tps = requestCount / durationOfSeconds;
        if (tps > rule.getMatchedRule(api).getMaxTps()) {
            notification.notify(NotificationEmergencyLevel.URGENCY, "...");
        }
        if (errorCount > rule.getMatchedRule(api).getMaxErrorCount()) {
            notification.notify(NotificationEmergencyLevel.SEVERE, "...");
        }
        // 改动二：添加接口超时处理逻辑
        long timeoutTps = timeoutCount / durationOfSeconds;
        if (timeoutTps > rule.getMatchedRule(api).getMaxTimeoutTps()) {
            notification.notify(NotificationEmergencyLevel.URGENCY, "...");
        }
    }
}

这样的代码修改实际上存在挺多问题的。一方面，我们对接口进行了修改，这就意味着调用这个接口的代码都要做相应的修改。另一方面，修改了 check() 函数，相应的单元测试都需要修改（关于单元测试的内容我们在重构那部分会详细介绍）。

上面的代码改动是基于“修改”的方式来实现新功能的。如果我们遵循开闭原则，也就是“对扩展开放、对修改关闭”。那如何通过“扩展”的方式，来实现同样的功能呢？

我们先重构一下之前的 Alert 代码，让它的扩展性更好一些。重构的内容主要包含两部分：

• 第一部分是将 check() 函数的多个入参封装成 ApiStatInfo 类；
• 第二部分是引入 handler 的概念，将 if 判断逻辑分散在各个 handler 中。

具体的代码实现如下所示：

public class Alert {
    private List<AlertHandler> alertHandlers = new ArrayList<>();
    
    public void addAlertHandler(AlertHandler alertHandler) {
        this.alertHandlers.add(alertHandler);
    }
    public void check(ApiStatInfo apiStatInfo) {
        for (AlertHandler handler : alertHandlers) {
            handler.check(apiStatInfo);
        }
    }
}

public class ApiStatInfo {// 省略 constructor/getter/setter 方法
    private String api;
    private long requestCount;
    private long errorCount;
    private long durationOfSeconds;
}

public abstract class AlertHandler {
    protected AlertRule rule;
    protected Notification notification;
    public AlertHandler(AlertRule rule, Notification notification) {
        this.rule = rule;
        this.notification = notification;
    }
    
    public abstract void check(ApiStatInfo apiStatInfo);
}

public class TpsAlertHandler extends AlertHandler {
    public TpsAlertHandler(AlertRule rule, Notification notification) {
        super(rule, notification);
    }
    @Override
    public void check(ApiStatInfo apiStatInfo) {
        long tps = apiStatInfo.getRequestCount() / apiStatInfo.getDurationOfSeconds();
        if (tps > rule.getMatchedRule(apiStatInfo.getApi()).getMaxTps()) {
            notification.notify(NotificationEmergencyLevel.URGENCY, "...");
        }
    }
}

public class ErrorAlertHandler extends AlertHandler {
    public ErrorAlertHandler(AlertRule rule, Notification notification) {
        super(rule, notification);
    }
    @Override
    public void check(ApiStatInfo apiStatInfo) {
        if (apiStatInfo.getErrorCount() > rule.getMatchedRule(apiStatInfo.getApi())) {
            notification.notify(NotificationEmergencyLevel.SEVERE, "...");
        }
    }
}

上面的代码是对 Alert 的重构，我们再来看下，重构之后的 Alert 该如何使用呢？具体的使用代码我也写在这里了。

其中，ApplicationContext 是一个单例类，负责 Alert 的创建、组装（alertRule 和 notification 的依赖注入）、初始化（添加 handlers）工作。

public class ApplicationContext {
    private AlertRule alertRule;
    private Notification notification;
    private Alert alert;
    public void initializeBeans() {
        alertRule = new AlertRule(/*. 省略参数.*/); // 省略一些初始化代码
        notification = new Notification(/*. 省略参数.*/); // 省略一些初始化代码
        alert = new Alert();
        alert.addAlertHandler(new TpsAlertHandler(alertRule, notification));
        alert.addAlertHandler(new ErrorAlertHandler(alertRule, notification));
    }
    public Alert getAlert() { return alert; }
    // 饿汉式单例
    private static final ApplicationContext instance = new ApplicationContext();
    private ApplicationContext() {
        instance.initializeBeans();
    }
    public static ApplicationContext getInstance() {
        return instance;
    }
}

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        ApiStatInfo apiStatInfo = new ApiStatInfo();
        // ... 省略设置 apiStatInfo 数据值的代码
        ApplicationContext.getInstance().getAlert().check(apiStatInfo);
    }
}

现在，我们再来看下，基于重构之后的代码，如果再添加上面讲到的那个新功能，每秒钟接口超时请求个数超过某个最大阈值就告警，我们又该如何改动代码呢？主要的改动有下面四处。

• 第一处改动是：在 ApiStatInfo 类中添加新的属性 timeoutCount
• 第二处改动是：添加新的 TimeoutAlertHander 类
• 第三处改动是：在 ApplicationContext 类的 initializeBeans() 方法中，往 alert 对象中 注册新的 timeoutAlertHandler
• 第四处改动是：在使用 Alert 类的时候，需要给 check() 函数的入参 apiStatInfo 对象设置 timeoutCount 的值

改动之后的代码如下所示:

// 代码未改动... 
public class Alert {}
public class ApiStatInfo {// 省略 constructor/getter/setter 方法
    private String api;
    private long requestCount;
    private long errorCount;
    private long durationOfSeconds;
    private long timeoutCount; // 改动一：添加新字段
}
// 代码未改动... 
public abstract class AlertHandler {}
// 代码未改动...
public class TpsAlertHandler extends AlertHandler {}
// 代码未改动...
public class ErrorAlertHandler extends AlertHandler {}
// 改动二：添加新的 handler
public class TimeoutAlertHandler extends AlertHandler {
    // 省略代码...
}
public class ApplicationContext {
    private AlertRule alertRule;
    private Notification notification;
    private Alert alert;
    public void initializeBeans() {
        alertRule = new AlertRule(/*. 省略参数.*/); // 省略一些初始化代码
        notification = new Notification(/*. 省略参数.*/); // 省略一些初始化代码
        alert = new Alert();
        alert.addAlertHandler(new TpsAlertHandler(alertRule, notification));
        alert.addAlertHandler(new ErrorAlertHandler(alertRule, notification));
        // 改动三：注册 handler
        alert.addAlertHandler(new TimeoutAlertHandler(alertRule, notification));
    }
    //... 省略其他未改动代码...
}
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        ApiStatInfo apiStatInfo = new ApiStatInfo();
        // ... 省略 apiStatInfo 的 set 字段代码
        apiStatInfo.setTimeoutCount(289); // 改动四：设置 tiemoutCount 值
        ApplicationContext.getInstance().getAlert().check(apiStatInfo);
    }
}

重构之后的代码更加灵活和易扩展。如果我们要想添加新的告警逻辑，只需要基于扩展的方 式创建新的 handler 类即可，不需要改动原来的 check() 函数的逻辑。而且，我们只需要为新的 handler 类添加单元测试，老的单元测试都不会失败，也不用修改。

修改代码就意味着违背开闭原则吗？

看了上面重构之后的代码，你可能还会有疑问：在添加新的告警逻辑的时候，尽管改动二 （添加新的 handler 类）是基于扩展而非修改的方式来完成的，但改动一、三、四貌似不是基于扩展而是基于修改的方式来完成的，那改动一、三、四不就违背了开闭原则吗？

我们先来分析一下改动一：往 ApiStatInfo 类中添加新的属性 timeoutCount。

实际上，我们不仅往 ApiStatInfo 类中添加了属性，还添加了对应的 getter/setter 方法。 那这个问题就转化为：给类中添加新的属性和方法，算作“修改”还是“扩展”？

我们再一块回忆一下开闭原则的定义：软件实体（模块、类、方法等）应该“对扩展开放、 对修改关闭”。从定义中，我们可以看出，开闭原则可以应用在不同粒度的代码中，可以是模块，也可以类，还可以是方法（及其属性）。同样一个代码改动，在粗代码粒度下，被认定为“修改”，在细代码粒度下，又可以被认定为“扩展”。比如，改动一，添加属性和方法相当于修改类，在类这个层面，这个代码改动可以被认定为“修改”；但这个代码改动并没有修改已有的属性和方法，在方法（及其属性）这一层面，它又可以被认定为“扩展”。

实际上，我们也没必要纠结某个代码改动是“修改”还是“扩展”，更没必要太纠结它是否违反“开闭原则”。我们回到这条原则的设计初衷：只要它没有破坏原有的代码的正常运行，没有破坏原有的单元测试，我们就可以说，这是一个合格的代码改动。

我们再来分析一下改动三和改动四：在 ApplicationContext 类的 initializeBeans() 方法中，往 alert 对象中注册新的 timeoutAlertHandler；在使用 Alert 类的时候，需要给 check() 函数的入参 apiStatInfo 对象设置 timeoutCount 的值。

这两处改动都是在方法内部进行的，不管从哪个层面（模块、类、方法）来讲，都不能算是“扩展”，而是地地道道的“修改”。不过，有些修改是在所难免的，是可以被接受的。 为什么这么说呢？我来解释一下。

在重构之后的 Alert 代码中，我们的核心逻辑集中在 Alert 类及其各个 handler 中，当我们 在添加新的告警逻辑的时候，Alert 类完全不需要修改，而只需要扩展一个新 handler 类。 如果我们把 Alert 类及各个 handler 类合起来看作一个“模块”，那模块本身在添加新的功能的时候，完全满足开闭原则。

而且，我们要认识到，添加一个新功能，不可能任何模块、类、方法的代码都不“修改”， 这个是做不到的。类需要创建、组装、并且做一些初始化操作，才能构建成可运行的的程序，这部分代码的修改是在所难免的。我们要做的是尽量让修改操作更集中、更少、更上层，尽量让最核心、最复杂的那部分逻辑代码满足开闭原则。

如何做到“对扩展开放、修改关闭”？

在讲具体的方法论之前，我们先来看一些更加偏向顶层的指导思想。为了尽量写出扩展性好的代码，我们要时刻具备扩展意识、抽象意识、封装意识。这些“潜意识”可能比任何开发技巧都重要。在写代码的时候后，我们要多花点时间往前多思考一下，这段代码未来可能有哪些需求变更、如何设计代码结构，事先留好扩展点，以便在未来需求变更的时候，不需要改动代码整体结构、做到最小代码改动的情况下，新的代码能够很灵活地插入到扩展点上，做到“对扩展开放、对修改关闭“。

还有，在识别出代码可变部分和不可变部分之后，我们要将可变部分封装起来，隔离变化， 提供抽象化的不可变接口，给上层系统使用。当具体的实现发生变化的时候，我们只需要基 于相同的抽象接口，扩展一个新的实现，替换掉老的实现即可，上游系统的代码几乎不需要修改。

刚刚我们讲了实现开闭原则的一些偏向顶层的指导思想，现在我们再来看下，支持开闭原则的一些更加具体的方法论。

在众多的设计原则、思想、模式中，最常用来提高代码扩展性的方法有：多态、依赖注入、 基于接口而非实现编程，以及大部分的设计模式（比如，装饰、策略、模板、职责链、状态 等）。