論述軟體三大基礎觀念-封裝、一般/特殊化 (繼承)、介面/多型

這是看到 PTT Soft_Job 版區一位網友的貼文:[請益] 我這樣解釋OOP對嗎?。原來我已在「FB-軟體設計鮮思維社群」針對此貼文已寫一篇文論述,在此邊我也把回文作個備存,然後再加上一些些心得分享。

剛入門所謂 OO → 連帶等同所謂「物件導向」觀念實作與設計觀念時,幾乎各類 OOP 入門書籍均會談論到此三大術語:封裝 (encapsulation)、繼承 (inheritence)、介面 (interface)/多型 (polymorphism)。看似簡單的術語,卻可能連多數鑽研多年實作的程式開發人員,還不容易真正體會這些觀念的意涵與作用。

即使入這軟體開發行業多年,仍會發現到,軟體大師們的著作,從最早期的 GoF 四人幫「設計模式 (Design Pattern)」,至近幾年「重構 (refactoring)」、「Clean Code」等著作,幾乎都是含繞在上述三大觀念的解釋與實踐。所以也就是說,這三大觀念可以說是要窮究一輩子的研究、思考與實踐力行的,它沒有絕對的標準答案,但也不見得好像很虛妄抓不到。每一段時期的經歷與學習,就可能會對其有著不同的想法與心得體會。

以現在個人入行軟體開發這行業約莫10來年,主要專職於軟體顧問輔導與教學,就以現階段綜合學習、觀察、反思與經驗等,來對這三大術語發表純文字的論述。可能又等 5~10 年後,當又有不同的體認時,再來對比現在的論述,作心得的補充或修正了。 :)


花了三個多小時撰寫這篇 PO 在 PTT soft_job 版,關於 OOP 的三個主要觀念:封裝, 繼承, 介面/多型。

這裡特別提醒下,程序語言用書很喜歡用「繼承」這字眼來解釋 OOP,其實那很容易誤導,常會用 父母生子 這種觀念看待。適切的用語用 "擴展 (extend)" 較適合。UML 稱之為 一般化/特殊化更是合理。

封裝 (encapsulation)

其實封裝本來就是人們面對複雜度的一種本能,針對某一問題點的廣度與深度之間找到適切的焦點。鄧小平就曾說過:「不管黑貓或白貓,能抓到老鼠的就是好貓」。其實這就是把系統當作黑箱 (black-box)的封裝概念了。 :)

設計模式 (DP, Design Pattern)內的「Facade」,即為強調封裝某一主體 (context)內部繁雜的細節。

例如,兩大平台的 Web MVC (Model/View/Control)是一種因應 Web 端的技術解決方案,實際上 Controller 僅為 UI 端的控制邏輯,卻不適合擔任資料存取(data access)與邏輯運算(business logic)的工作。所以在大型系統的開發上,一般會設計中間層的「領域物件 (domain controller)」,將上述兩大類的工作 (資料存取/邏輯運算)由其當窗口 (entry-poing),再視工作性質,委派 (delegate)給專司其職的成員物件 (如 DAO/Utility, Business Object ...等)。

此時「Domain Controller」就是一種系統的「Facade」物件,封裝了資料存取與邏輯運算的細節,UI 端 (Web/Standalone Form/Mobile App/外部系統)不需要知道如何處理,只要能取得所需要的結果即可。

不僅程式寫碼,在 UML 的使用案例 (use case)需求分析技術中,就擅用了封裝的技巧 (系統功能(主題)->程序/工作事項->細節(資料欄位/計算邏輯)),先抓大的操作目的,再來包容善變的細節。

在軟體工程來說,這比較能造成「低耦合 (low coupling)」的效果。

繼承 (inheritance)=> 原意其實為「擴展 (extend)」較恰當

UML 是以「一般化-特殊化 (generalization-specialization」稱之更為適切。

特殊化類別「擴展(extend)」一般化類別有兩種用意:
a). 覆蓋 (override)預設的行為 (UML 稱 operation, OOP 稱 method)。
b). 擴展原來所沒有提供的行為。

舉個簡單的例子。「保險」有一預設的行為:計算保費(),但因為不同類型的保險,它們的計算保費()邏輯實作均不一樣。「意外險」、「疾病險」、「壽險」均為「保險」的特殊化類別,因為有著不同的實作方式,所以由各自的特殊化類別 (OOP 較喜愛稱為 sub-class)來分開個別實作。

這樣有什麼好處?財務人員可以用「一視同仁」的角度 (保險),藉由共同的操作目的 (計算保費() )來操作所有的特殊化類別 (意外/疾病/壽險),但執行時 (run-time)卻是由個別的特殊化類別負責實現。這樣自然就形成後述所提「多型 (polymorphism)」的效果了。

未來要再擴展不同保險的類型,只要再新增特殊化類別即可 (當然要負責該實作邏輯),用戶端 (Client)因為沒有直接耦合,自然無需作過多的修改,也不致讓程式碼越形冗長
擁腫了。

P.S. 上述僅是領域概念 (domain concept)的解釋,當轉至軟體的設計實作階段,會再更講究精緻些,諸如分析保險的各種行為,而抽離出一群群 (group)的特殊化類別出來 (如狀態群、業務邏輯群)。

介面 (interface)/多型 (polymorphism)

介面 (對岸翻譯為接口)是一種隔離的設計應用,讓 Provider 不直接與眾多甚而Unknown Client 耦合,僅透過標準的介面制定規格 (spec.)溝通。

介面的應用在生活面比比皆是。「IPowerSupply」介面制定「供電(電流,伏特)」的規格,Provider (台電)提供符合該規格的服務,讓各類 Client (家電用品,電腦,遊戲機)只要能符合標準規格即能取得該服務 (供應電力);至於若如筆電並不符合市電規格 (110V,20A),所以需要經由調變器 (adapter)來作轉型的工作。

軟體設計實務上,一般就會建議 DAO (Data Access Object)最好為其定義存取的操作介面,將規格與實作隔離。如此爾後若實作內容(或實作技術)變動,並不致影響到 Client 端的運作。

多型上述已有提及,就是一種「一視同仁」的態度,來操作一般化的行為,但實作仍由各種特殊化類別來負責。而廣義的多型設計,其實就不只限於所謂的「繼承體系 (再強調一次,繼承這字眼不好,很容易誤導。一般化/特殊化這比較適切)」,它同時也涵蓋了介面的應用,也就是一般化類型可以是具體 (concrete)/抽象 (abstract)類別,甚或完全沒有實作的介面 (interface)。

觀察設計模式所揭露諸多的物件模型,大致會分隔為上下兩層。上層的一般化往往都會視現在已知/未來變動的權衡,而定義為抽象類別或介面,再由後續的特殊化類別來擴展(extend)或實現 (realize),Client 端永遠只與上層的一般化類型溝通,不直接與特殊化類別耦合,而這就是一種因應變動性的設計考量。

總歸上述 2,3 點,其目的就是讓「各類型的物件責任更明確,所擔負的行為更單一 (atomic)」。這在軟體工程來說,即是「高內聚性 (high cohesion)」的展現。


以上這些觀念確實為所謂物件導向分析/設計/實作 (OOA/OOD/OOP)基本功夫。主要目的是「Design for Change」,卻非是全然針對實作面「寫出來」就好的議題。

這裡就要能著實體會,OOP 所展現的程式碼特質是強調「分散」,而非「集中」,也就是讓主要類型的物件有明確的責任 (responsibility, knowing/doing)。

試想想,原來可能只是把「計算訂購總額()」的邏輯全給寫在同一支程式碼 (集中),但物件導向的作法卻很可能會把每一種的計算訂購邏輯 (如考量 bonus/coupon/special discount),從原來可能用 switch-case/if-then-else 的寫法抽離至多個 sub-class上,造成分散的效果。

一支程式碼 (single-class)被拆解為多支程式碼 (multiple-class),這對一般軟體開發人員 (尤其是入行沒多久較在乎能否寫出來的新手)而言,心態上是不容易接受的,更何況會覺得這樣更難 Debug?!

所以這類分散式特質的程式,比較會應用於大型善變化的系統,例如電子商務平台、ERP、MIS,而產品設計的態度更是需要。所取得的回饋是讓系統較有度的維護性、彈性與延展性。其實個人更寧願說:「創造系統高度的再利用價值」,這比較實在。

當然,分散式系統必須伴隨兩種配套:撰寫單元測試程式 (unit-test code),以及持續重構 (re-factoring)的態度。

分散式系統不會是一開始就能保障設計得很精確、一開始就是分散,那是一種持續重整的過程與態度。但在重整/重構的過程中,如何確保已上線的功能不會被影響?當然在每一次的修改前/後,都要跑過單元測試,那才有可能去調整修改程式碼的。

** 可以至 FB 「軟體設計鮮思維」社群內的檔案區,下載關於「物件導向基礎觀念」的簡報,同時也有提供 C#.NET/Java 程式碼的範例。另外也有其它關於軟體設計相關的案例 (C#.NET/Java 與 UML Model)可以下載參考。

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