第 19 章 软件发展趋势
为了说明本书中讨论的原理，本章考虑了过去几十年来在软件开发中流行的几种趋势和模式。对于每种趋势，我将描述该趋势与本书中的原理之间的关系，并使用这些原理来评估该趋势是否提供了针对软件复杂性的杠杆作用。
19.1 面向对象的编程和继承
在过去的 30-40 年中，面向对象编程是软件开发中最重要的新思想之一。它引入了诸如类，继承，私有方法和实例变量之类的概念。如果仔细使用，这些机制可以帮助产生更好的软件设计。例如，私有方法和变量可用于确保信息隐藏：类外的任何代码都不能调用私有方法或访问私有变量，因此它们上没有任何外部依赖关系。
面向对象编程的关键要素之一是继承。继承有两种形式，它们对软件复杂性有不同的含义。继承的第一种形式是接口继承，其中父类定义一个或多个方法的签名，但不实现这些方法。每个子类都必须实现签名，但是不同的子类可以以不同的方式实现相同的方法。例如，该接口可能定义用于执行 I/O 的方法。一个子类可能对磁盘文件实现 I/O 操作，而另一个子类可能对网络套接字实现相同的操作。
接口继承通过出于多种目的重用同一接口，从而提供了针对复杂性的杠杆作用。它使解决一个问题（例如如何使用 I/O 接口读取和写入磁盘文件）中获得的知识可以用于解决其他问题（例如通过网络套接字进行通信）。关于深度的另一种思考方式是：接口的实现越不同，接口就越深入。为了使接口具有许多实现，它必须捕获所有基础实现的基本功能，同时避免实现之间的差异。这个概念是抽象的核心。
继承的第二种形式是实现继承。以这种形式，父类不仅定义了一个或多个方法的签名，而且还定义了默认实现。子类可以选择继承方法的父类实现，也可以通过定义具有相同签名的新方法来覆盖它。如果没有实现继承，则可能需要在几个子类中复制相同的方法实现，这将在这些子类之间创建依赖关系（修改需要在方法的所有副本中复制）。因此，实现继承减少了随着系统的发展而需要修改的代码量。换句话说，它减少了第 2 章中描述的变化放大问题。
但是，实现继承会在父类及其每个子类之间创建依赖关系。父类和子类通常都访问父类中的类实例变量。这会导致继承层次结构中的类之间的信息泄漏，并且使得在不查看其他类的情况下很难修改层次结构中的一个类。例如，对父类进行更改的开发人员可能需要检查所有子类，以确保所做的更改不会破坏任何内容。同样，如果子类覆盖父类中的方法，则子类的开发人员可能需要检查父类中的实现。在最坏的情况下，程序员将需要完全了解父类下的整个类层次结构，以便对任何类进行更改。
因此，应谨慎使用实现继承。在使用实现继承之前，请考虑基于组合的方法是否可以提供相同的好处。例如，可以使用小型帮助程序类来实现共享功能。原始类可以从辅助类的功能构建，而不是从父类继承函数。
如果没有实现继承的可行选择，请尝试将父类管理的状态与子类管理的状态分开。一种方法是，某些实例变量完全由父类中的方法管理，子类仅以只读方式或通过父类中的其他方法使用它们。这适用于隐藏在类层次结构中的信息的概念，以减少依赖性。
尽管面向对象编程提供的机制可以帮助实现干净的设计，但是它们本身不能保证良好的设计。例如，如果类很浅，或者具有复杂的接口，或者允许外部访问其内部状态，那么它们仍将导致很高的复杂性。
19.2 敏捷开发
敏捷开发是一种软件开发方法，它是在 1990 年代末期出现的，其思想涉及如何使软件开发更加轻量，灵活和增量。它是在 2001 年的一次从业者会议上正式定义的。敏捷开发主要是关于软件开发的过程（组织团队，管理进度表，单元测试的角色，与客户交互等），而不是软件设计。但是，它与本书中的某些设计原则有关。
敏捷开发中最重要的元素之一是开发应该是渐进的和迭代的概念。在敏捷方法中，软件系统是通过一系列迭代开发的，每个迭代都添加并评估了一些新功能。每个迭代都包括设计，测试和客户输入。通常，这类似于此处提倡的增量方法。如第 1 章所述，在项目开始时就不可能对复杂的系统进行充分的可视化以决定最佳设计。最终获得良好设计的最佳方法是逐步开发一个系统，其中每个增量都会添加一些新的抽象，并根据经验重构现有的抽象。这类似于敏捷开发方法。
敏捷开发的风险之一是它可能导致战术编程。敏捷开发倾向于使开发人员专注于功能，而不是抽象，它鼓励开发人员推迟设计决策，以便尽快生产可运行的软件。例如，一些敏捷的从业者认为，您不应该立即实施通用机制。实现一个最小的特殊用途机制，从此开始，并在以后知道需要时重构为更通用的东西。尽管这些论点在一定程度上是合理的，但它们反对投资方法，并鼓励采用更具战术性的编程风格。这可以导致复杂性的快速累积。
渐进式开发通常是一个好主意，但是渐进式开发应该是抽象的，而不是功能。可以推迟对特定抽象的所有想法，直到功能需要它为止。一旦需要抽象，就要花一些时间进行简洁的设计。遵循第 6 章的建议并使其具有通用性。
19.3 单元测试
过去，开发人员很少编写测试。如果测试是由一个独立的 QA 团队编写的，那么它们就是由一个独立的 QA 团队编写的。然而，敏捷开发的原则之一是测试应该与开发紧密集成，程序员应该为他们自己的代码编写测试。这种做法现在已经很普遍了。测试通常分为两类:单元测试和系统测试。单元测试是开发人员最常编写的测试。它们很小，而且重点突出:每个测试通常在单个方法中验证一小段代码。单元测试可以独立运行，而不需要为系统设置生产环境。单元测试通常与测试覆盖工具一起运行，以确保应用程序中的每一行代码都经过了测试。每当开发人员编写新代码或修改现有代码时，他们都要负责更新单元测试以保持适当的测试覆盖率。
第二种测试包括系统测试（有时称为集成测试），这些测试可确保应用程序的不同部分都能正常协同工作。它们通常涉及在生产环境中运行整个应用程序。系统测试更有可能由独立的质量检查或测试小组编写。
测试，尤其是单元测试，在软件设计中起着重要作用，因为它们有助于重构。没有测试套件，对系统进行重大结构更改很危险。没有容易找到错误的方法，因此在部署新代码之前，很可能将无法检测到错误，因为在新代码中查找和修复它们的成本要高得多。结果，开发人员避免在没有良好测试套件的系统中进行重构。他们尝试将每个新功能或错误修复的代码更改次数减至最少，这意味着复杂性会累积，而设计错误不会得到纠正。
有了一套很好的测试，开发人员可以在重构时更有信心，因为测试套件将发现大多数引入的错误。这鼓励开发人员对系统进行结构改进，从而获得更好的设计。单元测试特别有价值：与系统测试相比，它们提供更高的代码覆盖率，因此它们更有可能发现任何错误。
例如，在开发 Tcl 脚本语言期间，我们决定通过用字节码编译器替换 Tcl 的解释器来提高性能。这是一个巨大的变化，几乎影响了核心 Tcl 引擎的每个部分。幸运的是，Tcl 有一个出色的单元测试套件，我们在新的字节码引擎上运行了该套件。现有测试在发现新引擎中的错误方面是如此有效，以至于在字节码编译器的 alpha 版本发布之后仅出现了一个错误。
19.4 测试驱动的开发
测试驱动开发是一种软件开发方法，程序员可以在编写代码之前先编写单元测试。创建新类时，开发人员首先根据其预期行为为该类编写单元测试。没有测试通过，因为该类没有代码。然后，开发人员一次完成一个测试，编写足够的代码以使该测试通过。所有测试通过后，该类结束。
尽管我是单元测试的坚决拥护者，但我不喜欢测试驱动的开发。测试驱动开发的问题在于，它将注意力集中在使特定功能起作用，而不是寻找最佳设计上。这是一种纯净而简单的战术编程，具有所有缺点。测试驱动的开发过于增量：在任何时间点，很容易破解下一个功能以进行下一个测试通过。没有明显的时间进行设计，因此很容易陷入混乱。
如第 19.2 节所述，开发单位应该是抽象的，而不是功能。一旦发现需要抽象，就不要随着时间的流逝而逐步创建抽象。一次设计所有功能（或至少足以提供一组合理全面的核心功能）。这样更有可能产生干净的设计，使各个部分很好地契合在一起。
首先编写测试的地方是修复错误。修复错误之前，请编写由于该错误而失败的单元测试。然后修复该错误，并确保现在可以通过单元测试。这是确保您已真正修复该错误的最佳方法。如果您在编写测试之前就已修复了该错误，则新的单元测试很可能实际上不会触发该错误，在这种情况下，它不会告诉您是否确实修复了该问题。
19.5 设计模式
设计模式是解决特定类型问题（例如迭代器或观察器）的常用方法。设计模式的概念在 Gamma，Helm，Johnson 和 Vlissides 的《设计模式：可重用的面向对象软件的元素》一书中得到了普及，现在设计模式已广泛用于面向对象的软件开发中。
设计模式代表了设计的替代方法：与其从头设计新的机制，不如应用一种众所周知的设计模式。在大多数情况下，这是件好事：出现设计模式是因为它们解决了常见的问题，并且因为它们被普遍同意提供干净的解决方案。如果设计模式在特定情况下运作良好，那么您可能很难想出另一种更好的方法。
设计模式的最大风险是过度使用。使用现有的设计模式并不能完全解决所有问题。当自定义方法更加简洁时，请勿尝试将问题强加到设计模式中。使用设计模式并不能自动改善软件系统。只有在设计模式合适的情况下才这样做。与软件设计中的许多想法一样，设计模式良好的概念并不一定意味着更多的设计模式会更好。
19.6 Getter 和 Setters
在 Java 编程社区中，getter 和 setter 方法是一种流行的设计模式。一个 getter 和一个 setter 与一个类的实例变量相关联。它们具有类似 getFoo 和 setFoo 的名称，其中 Foo 是变量的名称。getter 方法返回变量的当前值，setter 方法修改该值。
由于实例变量可以公开，因此不一定必须使用 getter 和 setter 方法。getter 和 setter 的论点是，它们允许在获取和设置时执行其他功能，例如在变量更改时更新相关值，通知更改的侦听器或对值实施约束。即使最初不需要这些功能，也可以稍后添加它们而无需更改界面。
尽管如果必须公开实例变量，则可以使用 getter 和 setter 方法，但最好不要首先公开实例变量。暴露的实例变量意味着类的实现的一部分在外部是可见的，这违反了信息隐藏的思想，并增加了类接口的复杂性。Getter 和 Setter 是浅层方法（通常只有一行），因此它们在不提供太多功能的情况下为类的接口增加了混乱。最好避免使用 getter 和 setter（或任何暴露的实现数据）。
建立设计模式的风险之一是，开发人员认为该模式是好的，并尝试尽可能多地使用它。这导致 Java 中的 getter 和 setter 的过度使用。
19.7 结论
每当您遇到有关新软件开发范例的提案时，就必须从复杂性的角度对其进行挑战：该提案确实有助于最大程度地降低大型软件系统的复杂性吗？从表面上看，许多建议听起来不错，但是如果您深入研究，您会发现其中一些会使复杂性恶化，而不是更好。