正交设计

摘要：为了实现高内聚，低耦合的软件设计，袁英杰提出了正交设计的方法论。正交设计正交是一个数学概念所谓正交，就是指两个向量的内积为零。鸣谢正交设计的理论原则及其方法论出自前软件大师袁英杰先生。

Design is there to enable you to keep changing the software easily in the long term.  -- Kent Beck.

正如Kent Beck所说，软件设计是为了「长期」更加容易地适应未来的变化。正确的软件设计方法是为了长期地、更好更快、更容易地实现软件价值的交付。

软件设计就是为了完成如下目标，其可验证性、重要程度依次减低。

实现功能

易于重用

易于理解

没有冗余

实现功能的目标压倒一起，这也是软件设计的首要标准。如何判定系统功能的完备性呢？通过所有测试用例。

从TDD的角度看，测试用例就是对需求的阐述，是一个闭环的反馈系统，保证其系统的正确性；及其保证设计的合理性，恰如其分，不多不少；当然也是理解系统行为最重要的依据。

好的设计应该能让其他人也能容易地理解，包括系统的行为，业务的规则。那么，什么样的设计才算得上易于理解的呢？

Clean Code

Implement Patterns

Idioms

没有冗余的系统是最简单的系统，恰如其分的系统，不做任何过度设计的系统。

Dead Code

YAGNI: You Ain"t Gonna Need It

KISS: Keep it Simple, Stupid

易于重用的软件结构，使得其应对变化更具弹性；可被容易地修改，具有更加适应变化的能力。

最理想的情况下，所有的软件修改都具有局部性。但现实并非如此，软件设计往往需要花费很大的精力用于依赖的管理，让组件之间的关系变得清晰、一致、漂亮。

那么软件设计的最高准则是什么呢？「高内聚、低耦合」原则是提高可重用性的最高原则。为了实现高内聚，低耦合的软件设计，袁英杰提出了「正交设计」的方法论。

「正交」是一个数学概念：所谓正交，就是指两个向量的内积为零。简单的说，就是这两个向量是垂直的。在一个正交系统里，沿着一个方向的变化，其另外一个方向不会发生变化。为此，Bob大叔将「职责」定义为「变化的原因」。

「正交性」，意味着更高的内聚，更低的耦合。为此，正交性可以用于衡量系统的可重用性。那么，如何保证设计的正交性呢？袁英杰提出了「正交设计的四个基本原则」，简明扼要，道破了软件设计的精髓所在。

消除重复

分离关注点

缩小依赖范围

向稳定的方向依赖

需求1： 存在一个学生的列表，查找一个年龄等于18岁的学生

public static Student findByAge(Student[] students) {
  for (int i=0; i
上述实现存在很多设计的「坏味道」：

缺乏弹性参数类型：只支持数组类型，List, Set都被拒之门外；

容易出错：操作数组下标，往往引入不经意的错误；

幻数：硬编码，将算法与配置高度耦合；

返回null：再次给用户打开了犯错的大门；


使用for-each

按照「最小依赖原则」，先隐藏数组下标的实现细节，使用for-each降低错误发生的可能性。
public static Student findByAge(Student[] students) {
  for (Student s : students)
    if (s.getAge() == 18)
      return s;
  return null;
}
需求2： 查找一个名字为horance的学生
重复设计
Copy-Paste是最快的实现方法，但会产生「重复设计」。
public static Student findByName(Student[] students) {
  for (Student s : students)
    if (s.getName().equals("horance"))
      return s;
  return null;
}
为了消除重复，可以将「查找算法」与「比较准则」这两个「变化方向」进行分离。
抽象准则
首先将比较的准则进行抽象化，让其独立变化。
public interface StudentPredicate {
  boolean test(Student s);
}
将各个「变化原因」对象化，为此建立了两个简单的算子。
public class AgePredicate implements StudentPredicate {
  private int age;
  
  public AgePredicate(int age) {
    this.age = age;
  }
  
  @Override
  public boolean test(Student s) {
    return s.getAge() == age;
  }
}
public class NamePredicate implements StudentPredicate {
  private String name;
  
  public NamePredicate(String name) {
    this.name = name;
  }
  
  @Override
  public boolean test(Student s) {
    return s.getName().equals(name);
  }
}
此刻，查找算法的方法名也应该被「重命名」，使其保持在同一个「抽象层次」上。
public static Student find(Student[] students, StudentPredicate p) {
  for (Student s : students)
    if (p.test(s))
      return s;
  return null;
}
客户端的调用根据场景，提供算法的配置。
assertThat(find(students, new AgePredicate(18)), notNullValue());
assertThat(find(students, new NamePredicate("horance")), notNullValue());
结构性重复
AgePredicate和NamePredicate存在「结构型重复」，需要进一步消除重复。经分析两个类的存在无非是为了实现「闭包」的能力，可以使用lambda表达式，「Code As Data」，简明扼要。
assertThat(find(students, s -> s.getAge() == 18), notNullValue());
assertThat(find(students, s -> s.getName().equals("horance")), notNullValue());
引入Iterable

按照「向稳定的方向依赖」的原则，为了适应诸如List, Set等多种数据结构，甚至包括原生的数组类型，可以将入参重构为重构为更加抽象的Iterable类型。
public static Student find(Iterable students, StudentPredicate p) {
  for (Student s : students)
    if (p.test(s))
      return s;
  return null;
}
需求3： 存在一个老师列表，查找第一个女老师
类型重复
按照既有的代码结构，可以通过Copy Paste快速地实现这个功能。
public interface TeacherPredicate {
  boolean test(Teacher t);
}
public static Teacher find(Iterable teachers, TeacherPredicate p) {
  for (Teacher t : teachers)
    if (p.test(t))
      return t;
  return null;
}
用户接口依然可以使用Lambda表达式。
assertThat(find(teachers, t -> t.female()), notNullValue());
如果使用Method Reference，可以进一步地改善表达力。
assertThat(find(teachers, Teacher::female), notNullValue());
类型参数化
分析StudentMacher/TeacherPredicate, find(Iterable)/find(Iterable)的重复，为此引入「类型参数化」的设计。
首先消除StudentPredicate和TeacherPredicate的重复设计。
public interface Predicate {
  boolean test(E e);
}
再对find进行类型参数化设计。
public static  E find(Iterable c, Predicate p) {
  for (E e : c)
    if (p.test(e))
      return e;
  return null;
}
型变
但find的类型参数缺乏「型变」的能力，为此引入「型变」能力的支持，接口更加具有可复用性。
public static  E find(Iterable c, Predicate p) {
  for (E e : c)
    if (p.test(e))
      return e;
  return null;
}
复用lambda

Parameterize all the things.
观察如下两个测试用例，如果做到极致，可认为两个lambda表达式也是重复的。从「分离变化的方向」的角度分析，此lambda表达式承载的「比较算法」与「参数配置」两个职责，应该对其进行分离。
assertThat(find(students, s -> s.getName().equals("Horance")), notNullValue());
assertThat(find(students, s -> s.getName().equals("Tomas")), notNullValue());
可以通过「Static Factory Method」生产lambda表达式，将比较算法封装起来；而配置参数通过引入「参数化」设计，将「逻辑」与「配置」分离，从而达到最大化的代码复用。
public final class StudentPredicates {
  private StudentPredicates() {
  }

  public static Predicate age(int age) {
    return s -> s.getAge() == age;
  } 
  
  public static Predicate name(String name) {
    return s -> s.getName().equals(name);
  }
}
import static StudentPredicates.*;

assertThat(find(students, name("horance")), notNullValue());
assertThat(find(students, age(10)), notNullValue());
组合查询
但是，上述将lambda表达式封装在Factory的设计是及其脆弱的。例如，增加如下的需求：
需求4： 查找年龄不等于18岁的女生
最简单的方法就是往StudentPredicates不停地增加「Static Factory Method」，但这样的设计严重违反了「OCP」(开放封闭)原则。
public final class StudentPredicates {
  ......

  public static Predicate ageEq(int age) {
    return s -> s.getAge() == age;
  } 
  
  public static Predicate ageNe(int age) {
    return s -> s.getAge() != age;
  } 
}
从需求看，比较准则增加了众多的语义，再次运用「分离变化方向」的原则，可发现存在两类运算的规则:

比较运算：==, !=

逻辑运算：&&, ||


比较语义
先处理比较运算的变化方向，为此建立一个Matcher的抽象：
public interface Matcher {
  boolean matches(T actual);
    
  static  Matcher eq(T expected) {
    return actual -> expected.equals(actual);
  }
  
  static  Matcher ne(T expected) {
    return actual -> !expected.equals(actual);
  }
}
Composition everywhere.
此刻，age的设计运用了「函数式」的思维，其行为表现为「高阶函数」的特性，通过函数的「组合式设计」完成功能的自由拼装组合，简单、直接、漂亮。
public final class StudentPredicates {
  ......

  public static Predicate age(Matcher m) {
    return s -> m.matches(s.getAge());
  }
}
查找年龄不等于18岁的学生，可以如此描述。
assertThat(find(students, age(ne(18))), notNullValue());
逻辑语义
为了使得逻辑「谓词」变得更加人性化，可以引入「流式接口」的「DSL」设计，增强表达力。
public interface Predicate {
  boolean test(E e);

  default Predicate and(Predicate other) {
    return e -> test(e) && other.test(e);
  }
}
查找年龄不等于18岁的女生，可以表述为：
assertThat(find(students, age(ne(18)).and(Student::female)), notNullValue());
重复再现
仔细的读者可能已经发现了，Student和Teacher两个类也存在「结构型重复」的问题。
public class Student {
  public Student(String name, int age, boolean male) {
    this.name = name;
    this.age = age;
    this.male = male;
  }
  
  ......
  
  private String name;
  private int age;
  private boolean male;
}
public class Teacher {
  public Teacher(String name, int age, boolean male) {
    this.name = name;
    this.age = age;
    this.male = male;
  }
  
  ......
  
  private String name;
  private int age;
  private boolean male;
}
级联反应
Student与Teacher的结构性重复，导致StudentPredicates与TeacherPredicates也存在「结构性重复」。
public final class StudentPredicates {
  ......

  public static Predicate age(Matcher m) {
    return s -> m.matches(s.getAge());
  }
}
public final class TeacherPredicates {
  ......

  public static Predicate age(Matcher m) {
    return t -> m.matches(t.getAge());
  }
}
为此需要进一步消除重复。
提取基类
第一个直觉，通过「提取基类」的重构方法，消除Student和Teacher的重复设计。
class Human {
  protected Human(String name, int age, boolean male) {
    this.name = name;
    this.age = age;
    this.male = male;
  }
    
  ...
  
  private String name;
  private int age;
  private boolean male;
}
从而实现了进一步消除了Student和Teacher之间的重复设计。
public class Student extends Human {
  public Student(String name, int age, boolean male) {
    super(name, age, male);
  }
}

public class Teacher extends Human {
  public Teacher(String name, int age, boolean male) {
    super(name, age, male);
  }
}
类型界定
此时，可以通过引入「类型界定」的泛型设计，使得StudentPredicates与TeacherPredicates合二为一，进一步消除重复设计。
public final class HumanPredicates {
  ......
  
  public static  
    Predicate age(Matcher m) {
    return s -> m.matches(s.getAge());
  } 
}
消灭继承关系
Student和Teacher依然存在「结构型重复」的问题，可以通过Static Factory Method的设计方法，并让Human的构造函数「私有化」，删除Student和Teacher两个子类，彻底消除两者之间的「重复设计」。
public class Human {
  private Human(String name, int age, boolean male) {
    this.name = name;
    this.age = age;
    this.male = male;
  }
  
  public static Human student(String name, int age, boolean male) {
    return new Human(name, age, male);
  }
  
  public static Human teacher(String name, int age, boolean male) {
    return new Human(name, age, male);
  }
  
  ......
}
消灭类型界定
Human的重构，使得HumanPredicates的「类型界定」变得多余，从而进一步简化了设计。
public final class HumanPredicates {
  ......
  
  public static Predicate age(Matcher m) {
    return s -> m.matches(s.getAge());
  } 
}
绝不返回null

Billion-Dollar Mistake
在最开始，我们遗留了一个问题：find返回了null。用户调用返回null的接口时，常常忘记null的检查，导致在运行时发生NullPointerException异常。
按照「向稳定的方向依赖」的原则，find的返回值应该设计为Optional，使用「类型系统」的特长，取得如下方面的优势：

显式地表达了不存在的语义；

编译时保证错误的发生；


import java.util.Optional;

public  Optional find(Iterable c, Predicate p) {
  for (E e : c) {
    if (p.test(e)) {
      return Optional.of(e);
    }
  }
  return Optional.empty();
}
回顾
通过4个需求的迭代和演进，通过运用「正交设计」和「组合式设计」的基本思想，加深对「正交设计基本原则」的理解。
鸣谢
「正交设计」的理论、原则、及其方法论出自前ThoughtWorks软件大师「袁英杰」先生。英杰既是我的老师，也是我的挚友；他高深莫测的软件设计的修为，及其对软件设计独特的哲学思维方式，是我等后辈学习的楷模。