Refactoring to DSL

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Refactoring to DSL

OO makes code understandable by encapsulating moving parting, but FP makes code understandable by minimizing moving parts. －Michael Feathers

软件设计的目标

  • 实现功能

  • 易于重用

  • 易于理解

  • 没有冗余

正交设计

软件设计是一个「守破离」的过程。 -- 袁英杰

  • 消除重复

  • 分离变化方向

  • 缩小依赖范围

  • 向稳定的方向依赖

实战

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

快速实现

public static Student findByAge(Student[] students) {
 for (int i=0; i<students.length; i++)
   if (students[i].getAge() == 18)
     return students[i];
 return null;
}

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<Student> 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<Teacher> 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<Student>)/find(Iterable<Teacher>)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<E> {
 boolean test(E e);
}

再对find进行类型参数化设计。

public static <E> E find(Iterable<E> c, Predicate<E> 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> E find(Iterable<? extends E> c, Predicate<? super E> 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<Student> age(int age) {
   return s -> s.getAge() == age;
 } 
 
 public static  Predicate<Student> 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<Student> ageEq(int age) {
   return s -> s.getAge() == age;
 } 
 
 public static Predicate<Student> 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<T> {
 boolean matches(T actual);
   
 static <T> Matcher<T> eq(T expected) {
   return actual -> expected.equals(actual);
 }
 
 static <T> Matcher<T> 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<Student> age(Matcher<Integer> 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<E> {
 boolean test(E e);
    
 default Predicate<E> and(Predicate<? super E> 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<Student> age(Matcher<Integer> m) {
   return s -> m.matches(s.getAge());
 }
}
public final class TeacherPredicates {
 ......
    
 public static Predicate<Teacher> age(Matcher<Integer> 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 <E extends Human> 
   Predicate<E> age(Matcher<Integer> 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<Human> age(Matcher<Integer> 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<E>，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 <E> Optional<E> find(Iterable<? extends E> c, Predicate<? super E> p) {
 for (E e : c) {
   if (p.test(e)) {
     return Optional.of(e);
   }
 }
 return Optional.empty();
}

引入工厂

public interface Matcher<T> {
 boolean matches(T actual);
   
 static <T> Matcher<T> eq(T expected) {
   return actual -> expected.equals(actual);
 }
 
 static <T> Matcher<T> ne(T expected) {
   return actual -> !expected.equals(actual);
 }
}

将所有的Static Factory方法都放在接口中，虽然简单，也很自然。但如果方法之间产生重复代码，需要「提取函数」，设计将变得非常不灵活，因为接口内所有方法都将默认为public，这往往不是我们所期望的，为此可以将这些Static Factory方法搬迁到Matchers实用类中去。

public final class Matchers {    
 public static <T> Matcher<T> eq(T expected) {
   return actual -> expected.equals(actual);
 }
 
 public static <T> Matcher<T> ne(T expected) {
   return actual -> !expected.equals(actual);
 }
 
 private Matchers() {
 }
}

实现大于

需求5： 查找年龄大于18岁的学生

assertThat(find(students, age(gt(18)).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {
 ......
 
 public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> gt(T expected) {
   return actual -> Ordering.<T>natural().compare(actual, expected) > 0;
 }
}

其中，natural代表了一种自然的比较规则。

public final class Ordering {
 public static <T extends Comparable<? super T>> Comparator<T> natural() {
   return (t1, t2) -> t1.compareTo(t2);
 }
}

实现小于

需求6： 查找年龄小于18岁的学生

assertThat(find(students, age(lt(18)).isPresent(), is(true));

依次类推，「小于」的规则实现如下：

public final class Matchers {
 ......
 
 public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> gt(T expected) {
   return actual -> Ordering.<T>natural().compare(actual, expected) > 0;
 }
 
 public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> lt(T expected) {
   return actual -> Ordering.<T>natural().compare(actual, expected) < 0;
 }
}

提取函数

设计产生了明显的重复，可以通过「提取函数」来消除重复。

public final class Matchers {
 ......
 
 public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> gt(T expected) {
   return actual -> compare(actual, expected) > 0;
 }
 
 public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> lt(T expected) {
   return actual -> compare(actual, expected) < 0;
 }
 
 private static <T extends Comparable<? super T>> int compare(T actual, T expected) {
   return Ordering.<T>natural().compare(actual, expected);
 }
}

其余比较操作，例如大于等于，小于等于的设计和实现依此类推，在此不再重述。

包含子串

需求7： 查找名字中包含horance的学生

assertThat(find(students, name(contains("horance")).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
 ......
 
 public static Matcher<String> contains(String substr) {
   return str -> str.contains(substr);
 }
}

子串开头

需求8： 查找名字以horance开头的学生

assertThat(find(students, name(starts("horance")).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
 ......
 
 public static Matcher<String> starts(String substr) {
   return str -> str.startsWith(substr);
 }
}

「子串结尾」的逻辑，可以设计ends的关键字，实现依此类推，在此不再重述。

不区分大小写

需求9： 查找名字以horance开头，但不区分大小写的学生

assertThat(find(students, name(starts_ignoring_case("horance")).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
 ......
    
 public static Matcher<String> starts(String substr) {
   return str -> str.startsWith(substr);
 }
 
 public static Matcher<String> starts_ignoring_case(String substr) {
   return str -> lower(str).startsWith(lower(substr));
 }
    
 private static String lower(String s) {
   return s.toLowerCase();
 }
}

starts与starts_ignoring_case之间存在微妙的重复设计，为此需要进一步消除重复。

组合式设计

assertThat(find(students, name(ignoring_case(Matchers::starts, "Horance"))).isPresent(), is(true));

运用函数的「组合式设计」，达到代码的最大可复用性。从OO的角度看，ignoring_case是对starts, ends, contains的功能增强，是一种典型的「修饰」关系。

public static Matcher<String> ignoring_case(
 Function<String, Matcher<String>> m, String substr) {
 return str -> m.apply(lower(substr)).matches(lower(str));
}

其中，Function<String, Matcher<String>>是一个一元函数，参数为String，返回值为Matcher<String>。

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
   R apply(T t);
}

强迫用户

虽然ignoring_case的设计高度可复用性，可由用户根据实际情况，自由拼装组合各种算子。但「方法引用」的语法，给用户给造成了不必要的负担。

assertThat(find(students, name(ignoring_case(Matchers::starts, "Horance"))).isPresent(), is(true));

可以提供starts_ignoring_case的语法糖，将用户犯错的几率降至最低，但要保证实现不存在重复设计。

assertThat(find(students, name(starts_ignoring_case("Horance"))).isPresent(), is(true));

此时，ignoring_case也应该重构为private，变为一个「可重用」的函数。

public static Matcher<String> starts_ignoring_case(String substr) {
 return ignoring_case(Matchers::starts, substr);
}
     
private static Matcher<String> ignoring_case(
 Function<String, Matcher<String>> m, String substr) {
 return str -> m.apply(lower(substr)).matches(lower(str));
}

修饰语义

需求13： 查找名字中不包含horance的第一个学生

assertThat(find(students, name(not_contains("horance")).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
 ......
 
 public static Matcher<String> not_contains(String substr) {
   return str -> !str.contains(substr);
 }
}

在这之前，也曾遇到过类似的「反义」的操作。例如，查找年龄不等于18岁的学生，可以如此描述。

assertThat(find(students, age(ne(18))).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
 ......
 
 public static <T> Matcher<T> ne(T expected) {
   return actual -> !expected.equals(actual);
 }
}

两者对「反义」的描述存在两份不同的表示，是一种隐晦的「重复设计」，需要一种巧妙的设计消除重复。

提取反义

为此，应该删除not_contains, ne的关键字，并提供统一的not关键字。

assertThat(find(students, name(not(contains("horance")))).isPresent(), is(true));

not的实现是一种「修饰」的手法，对既有的Matcher功能的增强，巧妙地取得了「反义」功能。

public final class Matchers {    
 ......
 
 public static <T> Matcher<T> not(Matcher<T> matcher) {
   return actual -> !matcher.matches(actual);
 }
}

语法糖

对于not(eq(18))可以设计类似于not(18)的语法糖，使其更加简单。

assertThat(find(students, age(not(18))).isPresent(), is(true));

其实现就是对eq的一种修饰操作。

public final class Matchers {    
 ......
 
 public static <T> Matcher<T> not(T expected) {
   return not(eq(expected));
 }
}

逻辑或

需求13： 查找名字中包含horance，或者以liu结尾的学生

assertThat(find(students, name(anyof(contains("horance"), ends("liu")))).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
 ......
 
 @SafeVarargs
 public static <T> Matcher<T> anyof(Matcher<? super T>... matchers) {
   return actual -> {
     for (Matcher<? super T> matcher : matchers)
       if (matcher.matches(actual)) 
         return true;
     return false;
   };
 }
}

逻辑与

需求14： 查找名字中以horance开头，并且以liu结尾的学生

assertThat(find(students, name(allof(starts("horance"), ends("liu")))).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
 ......
 
 @SafeVarargs
 public static <T> Matcher<T> allof(Matcher<? super T>... matchers) {
   return actual -> {
     for (Matcher<? super T> matcher : matchers)
       if (!matcher.matches(actual))
         return false;
     return true;
   };
 }
}

短路

allof与anyof之间的实现存在重复设计，可以通过提取函数消除重复。

public final class Matchers {    
 ......
 
 @SafeVarargs
 private static <T> Matcher<T> combine(
   boolean shortcut, Matcher<? super T>... matchers) {
   return actual -> {
     for (Matcher<? super T> matcher : matchers)
       if (matcher.matches(actual) == shortcut)
         return shortcut;
     return !shortcut;
   };
 }
 
 @SafeVarargs
 public static <T> Matcher<T> allof(Matcher<? super T>... matchers) {
   return combine(false, matchers);
 }
   
 @SafeVarargs
 public static <T> Matcher<T> anyof(Matcher<? super T>... matchers) {
   return combine(true, matchers);
 }
}

占位符

需求15： 查找算法始终失败或成功

assertThat(find(students, age(always(false))).isPresent(), is(false));
public final class Matchers {    
 ......
 
 public static <E> Matcher<E> always(boolean bool) {
   return e -> bool;
 }
}

回顾

通过15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，得到了一套接口丰富、表达力极强的DSL。

这一套简单的DSL是一个高度可复用的Matcher集合，其设计既包含了OO的方法论，也涉及到了FP的思维，整体性设计保持高度的一致性和统一性。

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；其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。

思考

  • 软件设计的本质是什么？

  • OO与FP的本质区别是什么？

  • 组合式设计的精髓是什么？


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