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04 | 三步走：如何了解一个软件的设计？
来源：极客时间
2022-06-20 08:51
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你好！我是郑晔。 经过了前面几讲的铺垫，我们已经对软件设计是什么，以及要考虑哪些因素有了一个初步的了解。热身之后，就该开启正式的旅程了。 作为一个程序员，我们在职业生涯中免不了要接手新项目，承担维护该项目的职责。如果一个新项目摆在面前，你会怎么去研究它呢？ 很多人的第一反应就是去看源代码。但是，一头扎入代码中，很快你就会迷失其中，最初那股子探索精神，也会逐渐被迷茫所代替。回想一下，有多少次你满怀希望地打开一个开源项目，结果多半都是坚持不了多久就放弃了。你有没有想过，问题出在哪里呢？ 你的迷茫在于缺少对这个软件整体的了解，这就如同不带地图指南针闯入密林一般，迷路只是早晚的事。所以，虽然阅读源码是必经的一步，却不应该是你的第一步。我们应该先从了解软件的设计开始。那我们该如何了解一个软件的设计呢？ 模型、接口和实现 -------- 了解一个软件的设计可以从三个部分着手：模型、接口和实现。这三者的关系就好比你去看代码，你会先去看有哪些类以及它们之间的关系，这就是看模型；然后你会打开一个具体的类，看它提供了哪些方法，这就相当于看接口；最后，你再来打开一个具体的方法，去看它的代码是怎么写的，这就是看实现。 好，接下来，我们具体地分析一下每一个部分。 首先是模型，它是一个软件的核心部分。在其它的材料里，也有人称之为抽象，为了统一，我这里就都叫模型了。我们在前面的课程里也说过，设计最关键的就是构建出模型。而理解一个设计中的模型，可以帮助我们建立起对这个软件整体的认知。 比如，你在编写分布式计算代码时，需要考虑怎样在不同的节点上调度计算；而使用 MapReduce 时，只要考虑如何把计算分开（Map）最后再汇总（Reduce）；而到了 Spark，注意力就集中在要做怎样的计算上。它们在解决同样的问题，只是抽象层次逐步提高了，越来越接近要解决的问题，越来越少地考虑计算在不同的机器上是如何执行的，由此，降低了理解的门槛。 当你知道了模型的重要性，目光甚至可以不局限在某一个软件上。如果把同一个领域不同阶段的多个模型联系起来看，你还能看到软件发展的趋势。 其次是接口，它决定了软件通过怎样的方式，将模型提供的能力暴露出去。它是我们与这个软件交互的入口。如何理解这句话呢？我给你举几个具体的例子。 一个程序库的接口就是它的 API，但对于同样的模型，每个人会设计出不同的 API，而不同的 API 有着不同的表达能力。比如：Google 的 Guava 对 JDK 的一些 API 重新做了封装，其目的就是简化开发，而很多优秀的做法后来又被 JDK 学了回去。 一个工具软件一般会提供命令行接口，比如，每个程序员必备的基本技能——Unix 命令行工具就是典型的命令行接口。 一个业务系统的接口，就是对外暴露的各种接口，比如，它提供的各种 REST API，也可能是提供了 RPC 给其它系统的调用。 …… 如果你想深入源码，去了解一个软件，接口是一个很好的指向标。你可以从一个接口进入到软件中，看它是怎样完成各种基本功能的。 最后是实现，就是指软件提供的模型和接口在内部是如何实现的，这是软件能力得以发挥的根基。这么说可能比较抽象，我再来举些例子。 一个业务系统收到一个请求之后，是把信息写到数据库，还是转发给另外的系统。 一个算法的实现，是选择调用与别人已有的程序库，还是需要自己实现一个特定的算法。 一个系统中的功能，哪些应该做成分布式的，哪些应该由一个中央节点统一处理。 一段业务处理，是应该做成单线程，还是多线程的。 当资源有竞争，是每个节点自己处理，还是交由一个中间件统一处理。 不同系统之间的连接，该采用哪种协议，是自己实现，还是找一个中间件。 …… 讲到这，相信你一定发现了，“实现”里面的内容很多。所以，做每一个技术决策都应该结合自己所开发应用的特点，并不存在一个通用的解决方案。在实际的工作中，我发现许多人以为的设计其实是这里所讲的实现。 我也知道，“实现”很重要，但是，它必须建立在模型和接口的基础之上。因为在一个系统的设计中，模型是最核心的部分。如果模型变了，这个软件便不再是这个软件了，而接口通常反映的就是模型。所以，模型和接口的稳定度都要比实现高，实现则是要随着软件发展而不断调整。 举个例子，很多人都知道 Redis 这个键值对存储性能非常好，他们学习 Redis 时，对其单线程模型印象深刻，因为它简单高效。但随着人们使用 Redis 的增多，对 Redis 有了进一步的需求。所以，从 6.0 开始，它开始支持多线程版本，以便于更好地满足人们的需求。但即便 Redis 改成了多线程，它还是那个 Redis，它的模型和接口还是一如既往，只是实现变了而已。 了解设计三步走 ------- 之所以要把模型、接口和实现区分开来，是因为这三者的关注点是不同的，而很多人在讨论所谓的“设计”时，经常会把它们混在一起。 如果你在讨论的时候连“讨论的内容到底是什么”都没弄清楚，就很难得出一个清晰的结果。我参与过很多类似的讨论，经常有一种很混乱的感觉。我思考了很长时间才发现，问题就在于他们把不同层面的内容混在了一起。 所以正确的做法是什么呢？就是你在讨论设计时应该遵循一个顺序，先模型，再接口，最后是实现，同理，了解一个设计也应该遵循这样的顺序。  如果模型都还没有弄清楚，就贸然进入细节的讨论，你很难分清哪些东西是核心，是必须保留的，哪些东西是可以替换的。如果你清楚了解了模型，也就知道哪些内容在系统中是广泛适用的，哪些内容必须要隔离。简单地说，分清模型会帮助你限制实现的使用范围。 下面是一张简化过的架构图，在这幅图里，订单模块完成处理之后，通过一个 Kafka 队列把消息发给支付模块，支付模块处理之后，再通过一个 Kafka 队列把消息发给物流模块。很多人都应该在自己的项目中见过类似的，但是更复杂的架构图。你能看出这张图的问题在哪吗？  这张架构图的问题就在于，它把模型和实现混淆在一起了。图中的订单、支付和物流，说的都是模型层面的东西，但 Kafka 的出现，就把实现层面的东西拉了进来。Kafka 只是实现这个功能时的一个技术选型，这也就意味着，如果随着业务的发展，它不能很好地扮演它的角色，你就可以替换掉它，而整个设计是不用变的。 所以，实现这段代码的时候，必须把 Kafka 相关的代码进行封装，不能在系统各处随意地调用，因为它属于实现，是可能被替换的。 我还要强调一点，在了解设计时，要按层次去了解，因为设计常常是分层的。每当我们打开一个层次，需要了解它的内部时，我们还要按照模型、接口和实现的顺序解读这个层次。 我用大家比较熟悉的操作系统来举个例子，如果你去了解它的内部，就知道它有内存管理、进程调度、文件系统等模块。我们可以按照模型、接口和实现去理解每个模块，就以进程管理为例： 进程管理的核心模型就包括进程模型和调度算法； 它的接口就包括，进程的创建、销毁以及调度算法的触发等； 不同调度算法就是一个个具体的实现。 操作系统课程难以学习，很大程度上就在于，很多人没有搞清楚其中各个概念之间的关系。 即便层层展开到最后，到了一个具体类，甚至是一个具体的数据结构，我们依然可以按照模型、接口和实现这个结构来理解，比如很多 Java 面试题常问到的 HashMap： 它的模型就是我们在数据结构中学习的 HashMap； 它定义了一些接口，比如，get、put 等； 它的实现原来是用标准的 HashMap 实现，后来则借鉴了红黑树。 实际上，当你能够一层一层地去理解设计，就像一棵知识树逐渐展开一样，每一个知识节点在展开的时候，都会有下面一级更具体的内容。当你的头脑中有了这样一棵设计树，你也就掌握了整个系统的地图，再有新需求到来时，你就不会再盲目地去改代码了。 总结时刻 ---- 今天，我们学习了如何了解一个软件设计，可以从三个部分入手：模型、接口和实现。 模型，也可以称为抽象，是一个软件的核心部分，是这个系统与其它系统有所区别的关键，是我们理解整个软件设计最核心的部分。 接口，是通过怎样的方式将模型提供的能力暴露出去，是我们与这个软件交互的入口。 实现，就是软件提供的模型和接口在内部是如何实现的，是软件能力得以发挥的根基。 了解设计的顺序应该是，先模型，再接口，最后是实现。了解设计，需要一层一层地展开，在每个层次都按照模型、接口和实现进行理解，在头脑中形成一棵设计树。 现在你已经有了一个了解设计的基本方法，接下来几讲，我会用几个开源项目带你再进一步，去看看如何去了解模型、接口和实现。 如果今天的内容你只能记住一件事，那请记住：了解设计，先模型，再接口，最后是实现。  思考题 --- 现在的开源项目越来越多，每个开源项目都会提供一些不同的特点，请你找一些自己感兴趣的开源项目，看看它们分别提供了什么，是新的模型、是新的接口，还是新的实现？欢迎在留言区分享你的思考。 感谢阅读，如果你觉得这一讲的内容对你有帮助的话，也欢迎把它分享给你的朋友。
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