14 | 面向对象之封装：怎样的封装才算是高内聚？

你好！我是郑晔。

上一讲，我讲了你最熟悉的编程范式：结构化编程。结构化编程有效地解决了过去的很多问题，它让程序员们解决问题的规模得以扩大。

随着程序规模的逐渐膨胀，结构化编程在解决问题上的局限也越发凸显出来。因为在它提供的解决方案中，各模块的依赖关系太强，不能有效地将变化隔离开来。这时候，面向对象编程登上了大舞台，它为我们提供了更好的组织程序的方式。

在一些从结构化编程起步的程序员的视角里，面向对象就是数据加函数。虽然这种理解不算完全错误，但理解的程度远远不够。结构化编程的思考方式类似于用显微镜看世界，这种思考方式会让人只能看到局部。而想要用好面向对象编程，则需要我们有一个更宏观的视角。

谈到面向对象，你可能会想到面向对象的三个特点：封装、继承和多态。在接下来的三讲，我们就分别谈谈面向对象的这三个特点。

也许你会觉得，学面向对象程序设计语言的时候，这些内容都学过，没什么好讲的。但从我接触过的很多程序员写程序的风格来看，大多数人还真的不太理解这三个特点。还记得我们在第12讲中提到的那个故事吗？小李之所以被老赵批评，主要就是因为他虽然用了面向对象的语言，代码里却没有体现出面向对象程序的特点，没有封装，更遑论继承和多态。

嘴上说得明明白白，代码写得稀里糊涂，这就是大多数人学习面向对象之后的真实情况。所以，虽然看上去很简单，但还是有必要聊聊这些特点。

这一讲，我们先从封装说起。

理解封装

我们知道，面向对象是解决更大规模应用开发的一种尝试，它提升了程序员管理程序的尺度。

封装，则是面向对象的根基。它把紧密相关的信息放在一起，形成一个单元。如果这个单元是稳定的，我们就可以把这个单元和其他单元继续组合，构成更大的单元。然后，我们再用这个组合出来的新单元继续构建更大的单元。由此，一层一层地逐步向上。

为了让你更好地理解这个过程，我们先回到面向对象的最初。“面向对象”这个词是由Alan Kay创造的，他是2003年图灵奖的获得者。在他最初的构想中，对象就是一个细胞。当细胞一点一点组织起来，就可以组成身体的各个器官，再一点一点组织起来，就构成了人体。而当你去观察人的时候，就不用再去考虑每个细胞是怎样的。所以，面向对象给了我们一个更宏观的思考方式。

但是，这一切的前提是，每个对象都要构建好，也就是封装要做好，这就像每个细胞都有细胞壁将它与外界隔离开来，形成了一个完整的个体。

在Alan Kay关于面向对象的描述中，他强调对象之间只能通过消息来通信。如果按今天程序设计语言的通常做法，发消息就是方法调用，对象之间就是靠方法调用来通信的。但这个方法调用并不是简单地把对象内部的数据通过方法暴露。在Alan Kay的构想中，他甚至想把数据去掉。

因为，封装的重点在于对象提供了哪些行为，而不是有哪些数据。也就是说，即便我们把对象理解成数据加函数，数据和函数也不是对等的地位。函数是接口，而数据是内部的实现，正如我们一直说的那样，接口是稳定的，实现是易变的。

理解了这一点，我们来看一个很多人都有的日常编程习惯。他们编写一个类的方法是，把这个类有哪些字段写出来，然后，生成一大堆getter和setter，将这些字段的访问暴露出去。这种做法的错误就在于把数据当成了设计的核心，这一堆的getter和setter，就等于把实现细节暴露了出去。

一个正确的做法应该是，我们设计一个类，先要考虑其对象应该提供哪些行为。然后，我们根据这些行为提供对应的方法，最后才是考虑实现这些方法要有哪些字段。

请注意，方法的命名，体现的是你的意图，而不是具体怎么做。所以，getXXX和setXXX绝对不是一个好的命名。举个例子，设计一个让用户修改密码的功能，有些人直觉的做法可能是这样：

class User {
      private String username;
      private String password;
      
      ...
      
      // 修改密码
      public void setPassword(final String password) {
        this.password = password;
      }
    }

但我们鼓励的做法是，把意图表现出来：

class User {
      private String username;
      private String password;
      
      ...
      
      // 修改密码
      public void changePassword(final String password) {
        this.password = password;
      }
    }

这两段代码相比，只是修改密码的方法名变了，但二者更重要的差异是，一个在说做什么，一个在说怎么做。将意图与实现分离开来，这是一个优秀设计必须要考虑的问题。

不过，在真实的项目中，有时确实需要暴露一些数据，所以，等到你确实需要暴露的时候，再去写getter也不迟，你一定要问问自己为什么要加getter。至于setter，首先，大概率是你用错了名字，应该用一个表示意图的名字；其次，setter通常意味着修改，这是我们不鼓励的。

我后面讲函数式编程时，会讲到不变性，可变的对象会带来很多的问题，到时候我们再来更具体地讨论。所以，设计中更好的做法是设计不变类。

减少暴露接口

之所以我们需要封装，就是要构建一个内聚的单元。所以，我们要减少这个单元对外的暴露。这句话的第一层含义是减少内部实现细节的暴露，它还有第二层含义，减少对外暴露的接口。

一般面向对象程序设计语言都支持public、private这样的修饰符。程序员在日常开发中，经常会很草率地给一个方法加上public，从而不经意间将一些本来应该是内部实现的部分暴露出去。举个例子，一个服务要停下来的时候，你可能要把一些任务都停下来，代码可能会这样写：

class Service {
      public void shutdownTimerTask() {
        // 停止定时器任务
      }
      
      public void shutdownPollTask() {
        // 停止轮询服务
      }
    }

别人调用时，可能会这样调用这段代码：

class Application {
      private Service service;
      
      public void onShutdown() {
        service.shutdownTimerTask();
        service.shutdownPollTask();
      }
    }

突然有一天，你发现，停止轮询任务必须在停止定时器任务之前，你就不得不要求别人改代码。而这一切就是因为我们很草率地给那两个方法加上了public，让别人有机会看到了这两个方法。

从设计的角度来说，我们必须谨慎地问一下，这个方法真的有必要暴露出去吗？

就这个例子而言，我们可以仅仅暴露一个方法：

class Service {
      private void shutdownTimerTask() {
        // 停止定时器任务
      }
      
      private void shutdownPollTask() {
        // 停止轮询服务
      }
      
      public void shutdown() {
        this.shutdownTimerTask();
        this.shutdownPollTask();
      }
    }

我们调用代码也会简单很多：

class Application {
      private Service service;
      
      public void onShutdown() {
        service.shutdown();
      }
    }

尽可能减少接口暴露，这个原则不仅仅适用于类的设计，同样适用于系统设计。在我的职业生涯中，看到了很多团队非常随意地在系统里面添加接口，一个看似不那么复杂的系统里，随随便便就有成百上千个接口。

如果你想改造系统去掉一些接口时，很有可能会造成线上故障，因为你根本不知道哪个团队在什么时候用到了它。所以，在软件设计中，暴露接口需要非常谨慎。

关于这一点，你可以有一个统一的原则：最小化接口暴露。也就是，每增加一个接口，你都要找到一个合适的理由。

不局限于面向对象的封装

虽说封装是面向对象的一个重要特征，但是，当理解了封装之后，你同样可以把它运用于非面向对象的程序设计语言中，把代码写得更具模块性。

比如，我们知道C语言有头文件（.h 文件）和定义文件（.c 文件），在通常的理解中，头文件放的是各种声明：函数声明、结构体等等。很多C程序员甚至有一个函数就在头文件里加一个声明。

有了今天对于封装的讲解，再来看C语言的头文件，我们可以让它扮演接口的角色，而定义文件就成了实现。根据今天的内容，既然，接口只有相当于public接口的函数才可以放到头文件里，那么，在头文件里声明一个函数时，我们首先要问的就是，它需要成为一个公开的函数吗？

C语言没有public和private这样的修饰符，但我曾在一些C的项目上加入了自己的定义：

#define PUBLIC
    #define PRIVATE static

然后，我们规定头文件里只能放公有接口，而在实现文件中的每个函数前面，加上了PUBLIC和PRIVATE，以示区分。这里将PRIVATE定义成了static，是利用了C语言static函数只能在一个文件中可见的特性。

我们还可以把一个头文件和一个定义文件合在一起，把它们看成一个类，不允许随意在头文件中声明不相关的函数。比如，下面是我在一个头文件里定义了一个点（Point）：

struct Point;
    struct Point* makePoint(double x, double y);
    double distance(struct Point* x, struct Point* y);

你可能注意到了，Point这个结构体我只给了声明，没有给定义。因为我并不希望给它的用户访问其字段的权限，结构体的具体定义是实现，应该被隐藏起来。对应的定义文件很简单，就不在这里罗列代码了。

说到这里，你也许发现了，C语言的封装做得更加彻底。如果用Java或C加加定义Point类的话，必然会给出具体的字段。从某种程度上来说，Java 和 C加加的做法削弱了封装性。

讲到这里，你应该已经感受到面向对象和结构化编程在思考问题上的一些差异了。有了封装，对象就成了一个个可以组合的单元，也形成了一个个可以复用的单元。面向对象编程的思考方式就是组合这些单元，完成不同的功能。同结构化编程相比，这种思考问题的方式站在了一个更宏观的视角上。

总结时刻

今天，我们学习了面向对象编程，它是一种以对象为编程元素的编程范式。面向对象有三个特点：封装、继承和多态。

封装，是面向对象的根基。面向对象编程就是要设计出一个一个可以组合，可以复用的单元。然后，组合这些单元完成不同的功能。

封装的重点在于对象提供了哪些行为，而不是有哪些数据。即便我们把对象理解成数据加函数，数据和函数也不是对等的地位。函数是接口，应该是稳定的；数据是实现，是易变的，应该隐藏起来。

设计一个类的方法，先要考虑其对象应该提供哪些行为，然后，根据这些行为提供对应的方法，最后才是考虑实现这些方法要有哪些字段。getter和setter是暴露实现细节的，尽可能不提供，尤其是setter。

封装，除了要减少内部实现细节的暴露，还要减少对外接口的暴露。一个原则是最小化接口暴露。有了对封装的理解，即便我们用的是C语言这样非面向对象的语言，也可以按照这个思路把程序写得更具模块性。

理解了封装，下一讲，我们再来看面向对象另外一个特征：继承。

如果今天的内容你只能记住一件事，那请记住：基于行为进行封装，不要暴露实现细节，最小化接口暴露。

思考题

最后，我想请你了解一下迪米特法则（Law of Demeter），结合今天的课程，分享一下你对迪米特法则的理解。欢迎在留言区分享你的想法。

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。

大师兄

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理解封装

减少暴露接口

不局限于面向对象的封装

总结时刻

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