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圖解面向對象中的聚合與耦合概念

簡單理解聚合與耦合
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在面向對象的設計中,我們經常會聽到或用到聚合、耦合的概念。面向對象的目標就是設計出高聚合、低耦合的程序。然而,究竟什么是聚合、什么是耦合,恐怕每個人都有自己的答案,換句話說,大多數人對聚合和耦合的概念是模糊的。小弟我今天就在此拋磚引玉,希望能給新入行的朋友和在校的學生一點幫助。

因為聚合與耦合這兩個概念一直都是以"高聚合、低耦合"的形式出現的,剛剛開始接觸面向對象設計時,我一直認為聚合和耦合是一對相反的概念,也就是說:只要做到了高聚合,那么自然而然就做到了低耦合。雖然這樣的理解并不是錯誤的,但我并沒有思考過原因。

先來看看聚合的定義:聚合(Cohesion)是一個模塊內部各成分之間相關聯程度的度量。

這里有多個含義值得考慮。首先,聚合是對一個模塊內部的度量,這也是許多情況下我們把聚合稱之為內聚的原因。第二,這里出現的模塊是廣義的模塊,它可能是子系統,可能是功能模塊,也可能是功能模塊中的某一個類。從不同的層次看,聚合的程度也會有所不同。至于為什么不同,后面會有解釋。第三,模塊的成分包括模塊的行為和狀態。要做到高聚合,那么模塊內部的行為必須要與模塊的內部狀態緊密關聯。通俗來講,一個模塊僅完成一個獨立的功能,模塊內部不存在與該功能無關的操作或狀態。

舉一個生活中的例子。

有兩座城市Sidtown和Fredborough,連接兩座城市的公路一天到晚總是擁堵不堪。經過"有關部門"調查之后發現,這兩座城市中有兩家公司Better Mousetrap和 Zokko Soda,Better Mousetrap的工廠建造在Sidtown,而該工廠的員工都居住在Fredborough,所以每天早上大批員工從Fredborough出發前往Sidtown,并在傍晚返回;類似的,Zokko Soda公司的運輸車在每天的工作時間都需要在制瓶工廠和灌裝工廠穿梭來往。

很明顯,如果Better Mousetrap的工廠和員工居住地都在同一城市,而Zokko Soda的兩座工廠都建造在另一座城市,那么城市之間的交通狀況將會明顯改善。

對比兩圖,上面兩座城市間之所以出現交通的問題,是因為每座城市的"聚合性"都比較低:不相關的兩個公司出現在了同一座城市,使得城市內部交通的利用率比較低,而城市之間的交通出現了超負荷。

再來看看耦合的定義:耦合(Couping)是模塊之間相關聯程度的度量。相對于聚合的內向性,耦合關注的是某一模塊和其他模塊之間的關聯性。其實從前面的例子里,我們已經不可避免的提到了耦合的問題:由于兩座城市之間的相互聯系過于緊密,導致了城市之間的交通擁堵。另外一個潛在的問題就是,如果其中一座城市內部的交通出現了問題,另一座城市也會受到影響。我們所追求的低耦合,就是將兩個模塊之間的關聯盡可能的降低,一個模塊發生變化對于其他模塊的影響盡可能的小。

再講一個生活中的例子,相信大部分的80后小的時候都玩過一種掌上游戲機,這種游戲機內含一個俄羅斯方塊的游戲。這種游戲機雖然風靡一時,但是不多久就漸漸淡出了市場,因為這種游戲機只有俄羅斯方塊可以玩兒,當我們玩兒膩了的時候,這個游戲機也就如同廢物一個了。

同期,任天堂推出一款后來風靡了將近20年的紅白機,這種游戲機市場壽命如此之長并非游戲機本身質量有多好,而是因為基于紅白機開發的游戲層出不窮,經典無數。魂斗羅、超級瑪麗在當時哪怕是現在也是無人不知。紅白機的游戲本身并不存儲在游戲機當中,每當有新游戲推出的時候,只需要購買新的卡帶即可。正是這種游戲機和卡帶相對獨立的設計,使得游戲的設計廠商無需關心游戲機的實現細節,只要遵循游戲機提供的接口(插槽)。很多游戲的設計廠商也從紅白機龐大的市場中分得一杯羹。大多數的玩家可能不知道,魂斗羅并非任天堂推出的產品,而是目前以《實況足球》系列聞名世界的KONAMI公司于1988年從街機移植到紅白機上的。

回到耦合的話題上來,因為早先的掌上游戲機將游戲本身內置在機器當中,游戲和機器這兩個模塊之間的關系過于緊密,所以游戲玩兒膩了,游戲機就沒用了,游戲機出問題了,游戲也再也不能玩兒了。而紅白機的游戲和游戲機之間的關系是相對獨立的,只要它們都遵循制定好的協議,就可以獨立的發展和變化。游戲卡帶摔壞了,其他的游戲一樣可以在機器上運行;自己的游戲機壞了,把卡帶拿到朋友家的游戲機上也能玩兒。紅白機發展到后期,連游戲機的手柄也是可插拔的,如果手柄壞了,也只需要更換手柄即可。

講到這里,大家對聚合和耦合應該也有了初步的認識。那么,我們如何看待聚合和耦合在實際當中的應用呢?我們的程序怎樣才算是做到了高聚合和低耦合呢?

前面曾經提到,從不同的層次看,聚合和耦合的程度也會有所不同。Sidtown和Fredborough的例子當中,從城市的層次來看,第二種設計完全達到了高內聚和低耦合的目標,然而,如果從城市的不同區域來看,這樣的設計內聚性還不夠。如果我們一直追究下去,恐怕Better Mousetrap所有的員工都要住在生產線上了。一味的追求高內聚,必然會造成模塊的功能過于單一,而模塊的數量出現急劇膨脹。所以,我們在設計和實現程序時必須要斟酌模塊間的聚合和耦合程度,有興趣的朋友也可以去研究聚合性指標與耦合性指標。

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