软件开发必修课：你该知道的GRASP职责分配模式

简介： 软件开发为什么需要职责驱动设计（RDD）？职责应该如何分配？如何结合架构模式在实际开发中实践落地？本文介绍一种通用的职责分配模式——GRASP，通过举例详解GRASP的几大原则，并分享两个实际运用的案例。

软件在本质上是复杂的，软件本身的复杂性在于除了要解决问题域，还要解决非功能性需求和软件域特有问题：安全性、可用性、可维护性、可扩展性、性能、一致性、容错性、稳定性、可重用性、幂等、兼容等等，软件开发者的任务就是制造“简单”的假象。如何组织复杂的系统？把复杂的事物分解到不同的层次中，层次代表了不同级别的抽象，一层构建于另一层之上，每一层都对上层屏蔽内部复杂度。

一 为什么使用RDD？

在RDD中，我们认为“软件对象具有职责”，这个定义很符合人在社会群体中分工协作的方式，软件也是人编写的，所以根据职责思考设计的软件系统符合人的行为习惯，同时更易于理解和管理。在微服务架构中不同系统由不同的组织和人负责，把系统当作对象（人），系统提供的接口就是对象（人）的职责。

职责驱动设计的核心是考虑怎样给对象分配职责，其适用于大到系统、小到对象等任何规模的软件。职责分配的本质是分工，劳动分工是劳动生产率提高的主要原因。

• 熟练度的提高，专注于某个领域（降低复杂度）。
• 时间的节约，同一个人在不同工作来回切换需要耗费大量时间。
• 人工发明的机器和应用（特定领域的工具）。

二 如何给对象(元素)分配职责？

分配职责应当从清晰的描述职责开始，对于软件领域对象来说，领域模型描述了领域对象的属性和关联，对应类的属性和引用，用例模型包含一系列的行为活动，对应类的方法。领域模型创建方式可参考《UML和模式应用》、UDD、DDD。

使用GRASP（General Responsibility Assignment Software Patterns）模式分配职责，GRASP是通用职责分配模式，是对一些基本的职责分配原则进行了命名和描述，共9种模式（一些GRASP原则是对其他原则和设计模式的归纳，设计模式有上百种，只是记住GoF 23种设计模式就已经很困难了，更别提还要记住每种模式的细节，因此需要对设计模式进行有效的归类。GRASP中的原则描述了模式的本质，除了有助加速设计模式学习之外，对发现现有设计存在的问题也更有效，这就是归纳的价值）。

当谈论低耦合、高内聚时，我们具体是在谈什么？问题不在于耦合度高、内聚性低，而是在于其产生的负面影响，负面影响往往是在发生变化时体现出来的，这些负面影响会影响到我们开发的效率、稳定性、可维护性、可扩展性、可复用性等等，整个GRASP的核心是如何防止变异（变化）。

在学习过程中发现GRASP缺少结构化的展示归纳结果，通过我自己的理解把开发中常用的GoF设计模式、面向对象设计原则、架构设计原则和GRASP进行关联：

三 GRASP职责分配模式

1 防止变异

该模式基本等同于信息隐藏和开闭原则。如何做到在不修改原来功能的前提下对变化的部分进行扩展？识别不稳定因素是特别困难的，也决定了我们能否做出符合开闭原则的设计。

问题：如何设计对象、子系统和系统，使其内部的变化或不稳定性不会对其他元素产生不良影响。

解决方案：识别预计变化或不稳定之处，分配职责用以在这些变化之外创建稳定接口。

相关原则和模式：

• GRASP：间接性、多态
• GoF：大量模式
• 其他：接口、数据封装

2 低耦合、高内聚

耦合是对某元素与其他元素之间的连接、感知和依赖程度的度量，内聚是对元素职责的相关性和集中度的度量（这里的元素指类、系统、子系统等等），耦合和内聚是从不同角度看待问题，他们互相依赖的互相影响的（以下两点也可以反过来说）：

• 内聚过低，相关功能分散在不同模块中，需要增加额外的耦合使这些功能聚合在一起，发生变更时影响多个模块。
• 内聚过高，不相关的功能聚集在一个模块中，耦合度高，发生变更时会产生意想不到的影响。

低耦合

耦合是对某元素与其他元素之间的连接、感知和依赖程度的度量。这里的元素指类、系统、子系统等等。

问题：怎样降低依赖性，减少变化带来的影响，提高重用性？

解决方案：分配职责，使耦合尽可能低。利用这一原则评估可选方案。

相关模式或原则：

• GRASP：防止变异

注意：耦合不能脱离专家、高内聚等其他原则独立考虑。

紧密耦合的系统在开发阶段有以下的缺点：

• 一个模块的修改会产生涟漪效应，其他模块也需随之修改（通常是内聚低引起的）。
• 由于模块之间的相依性，模块的组合会需要更多的精力及时间，可复用性低（通常是耦合高引起的）。

解读：耦合表示元素之间存在依赖，当谈论“耦合高”时，我们具体是在谈论什么呢？是依赖产生的负面影响，所以低耦合的核心是解决不良依赖。高低是度量并不是评判耦合结果好坏的标准，使用“不良耦合”、“松耦合”描述的更为准确。不良耦合产生的负面影响主要有两点：

• 依赖关系本身错综复杂难以维护和理解，很容易产生遗漏和问题（这点针对人，人处理复杂性事物时能力是局限的）。
• 与不稳定元素产生依赖时很容易受到变化的影响（通常无法避免不依赖）。

那么如何做呢？先对依赖关系的好坏进行评估：依赖方式、依赖方向、依赖链路。

方向：

• 双向依赖（差）
• • 相互依赖的两个元素不能独立行动，在微服务系统架构的系统中类级别不会产生特别复杂的问题，但是在模块 or 系统级别就特别容易受到变化带来的影响。
• • 举例：A <-> B，A调用B的b接口，B的b接口依赖A的a接口，如果a b接口都要变更，两个系统如何发布？A依赖B先发布，B也依赖A先发布，相互依赖的两个元素不能独立行动。
• 循环依赖（更差）
• • 循环依赖比双向依赖的的链路更长，影响的范围更大。
• 单向依赖（好）

链路：

• 深度
• • B调用A.getC().getD().getE().getF() 获取到F。
• 广度
• • 在链路变宽的过程中不加以约束和管理很容易产生大杂烩的元素，也很容易产生双向和循环依赖。

方式：

• 内容耦合（高）
• • 当一个模块直接使用另一个模块的内部数据，或通过非正常入口而转入另一个模块内部。
• 共享耦合/公共耦合（高）
• • 指通过一个公共数据环境相互作用的那些模块间的耦合。
• • 公共耦合的复杂程度随耦合模块的个数增加而增加。
• 控制耦合（中）
• • 指一个模块调用另一个模块时，传递的是控制变量（如开关、标志等），被调模块通过该控制变量的值有选择地执行块内某一功能;
• 特征耦合/标记耦合（中）
• • 指几个模块共享一个复杂的数据结构，如高级语言中的数组名、记录名、文件名等这些名字即标记，其实传递的是这个数据结构的地址;
• 数据耦合（低）
• • 指模块借由传入值共享数据，每一个数据都是最基本的数据，而且只分享这些数据（例如传递一个整数给计算平方根的函数）。
• 非直接耦合（低）
• • 两个模块之间没有直接关系，它们之间的联系完全是通过主模块的控制和调用来实现的。耦合度最弱，模块独立性最强。
• 无耦合（无）
• • 模块完全不和其他模块交换信息。

解决不良依赖：

• 管理复杂的依赖关系
• • 依赖方向：使用单向依赖，去除或弱化双向依赖，不使用循环依赖。
• • 依赖链路：遵守最少认知原则。
• • 依赖方式：尽量使用数据耦合，少用控制和特征耦合，控制公共耦合的范围，不使用内容耦合，如果依赖的对象不稳定使用非直接耦合来弱化耦合紧密程度。
• 分配正确的职责减少不必要的依赖：专家、创建者。
• 通过其他原则和模式减少不稳定元素带来的影响：高内聚、纯虚构、控制器、多态、间接性、最少认知。

高内聚

内聚是对元素职责的相关性和集中度的度量。

问题：怎么样保持对象是有重点的、可理解的、可维护的，并且能够支持低耦合？

解决方案：按照相关性分配职责，可保持较高的内聚。

优点：

• 分解后的元素更加简单易于理解和维护。
• 按照相关性拆分可以提高重用性。

相关原则和模式：单一职责原则、关注点分离、模块化。

低内聚的缺点：内聚性较低的类要做许多不相关的工作，或需要完成大量的工作，这样的类会导致以下问题：

• 难以理解
• 难以复用
• 难以维护
• 经常会受到变化影响

例子：A的变更影响从3个模块变为1个。

小结

通过结构化管理来保持低耦合、高内聚。

3 创建者

创建者指导我们分配那些与创建对象有关的职责。如此选择是为了保持低耦合。

问题：谁应该负责创建某类的新实例？

解决方案：满足以下条件之一时，将创建类A的职责分配给类B（当满足1条以上时，通常首选包含或聚合）。

• B“包含”或聚合A。
• B记录A。
• B频繁使用A。
• B具有A的初始化数据，该数据将在创建时传递给A。

优点：支持低耦合，因为创建者和被创建者已经存在关联，所以这种方式不会增加耦合性。

相关模式或原则：

• GRASP：低耦合
• GoF：具体工厂、抽象工厂
• 其他：整体-部分

注：包含（作者在这里标注了“”，因为包含在uml是表达用例关系的，用来说明对象关系也可以）、聚合、整体-部分 看UML定义；包含强调了强依赖（A是B的子集，A属于B，缺少了A时B不是整体），聚合是弱依赖（B由A组成，A不属于B）。

例子：

• Order包含Goods（Order脱离Goods就失去了完整性，没有存在的意义）。
• Order记录相关的Goods。
• Goods初始化数据：
• • 情况一：只需要订单上的Goods数据，这种情况Order具有Goods的初始化数据。
• • 情况二：订单上的Goods数据不完整，这种情况Order只有Goods初始化数据的一小部分，Order不能做为创建者。

4 信息专家(or 专家)

“信息”不单指数据。

问题：给对象分配职责的基本原则是什么？

解决方案：把职责分配给信息专家，它具有实现这个职责所必需的信息

优点：

• 对象使用自身信息来完成任务，所以信息的封装性得以维持，因此支持了低耦合（至少不会增加耦合性）。
• 行为分布在那些具有所需信息的类之间，这样功能更集中，因此支持了高内聚。

相关模式或原则：

• GRASP：低耦合、高内聚

注意：和“关注点分离”一起使用使得对象进一步内聚，从而达到高内聚，也能降低耦合。

举例：获取所有买的商品总金额，Order和Goods是一对多的关系。

分析：Order本身关联了Goods，并且理解Goods的结构。在图例中Client通过Order获取了Goods并做了逻辑运算得出商品总金额，这种做法产生了不必要的依赖增加了耦合数量，商品总金额计算的职责由Order承担最合适。

延伸：在某些情况下，该方案并不合适，通常是由于耦合与内聚问题产生的，如：谁应该把对象A存入数据库？按照原则每个类都应该具有把自己持久化的能力。

5 纯虚构

为了保持良好的耦合和内聚，捏造业务上不存在的对象来承担职责。

问题：当你并不想违背高内聚和低耦合或者其他目标，但是基于专家模式所提供的方案又不合适时，哪些对象应该承担这一职责？

解决方案：对人为制造的类分配一组高内聚的职责，该类并不代表问题领域的概念--虚构的事物，用以支持高内聚、低耦合和复用。

优点：

• 支持高内聚，因为职责被解析为细粒度的类，这种类只着重于极为特定的一组相关任务。
• 增加了潜在的复用性。

相关原则和模式：

• GRASP：低耦合、高内聚。
• 通常接纳本来是基于专家模式所分配给领域类的职责。
• 所有GoF设计模式都是纯虚构，事实上所有其他设计模式也都是纯虚构。

举例：计算商品总数量。根据专家模式计算商品总数量的职责也应该是分配给Order，照这样分配下去商品相关的还会有：总重量、总体积、总XX，这时Order的职责就会越来越多也可能会产生额外的耦合，通过纯虚构对象把这些职责分配出去能够得到更好的设计。

通过虚构对象GoodsItems承担和商品聚合计算相关的职责。

延伸：经常发现代码中会使用Util、Handler、Service这样的虚构类，缺点是这些类通常是单例并共用的，这些虚构类的职责会越来越多（一个Util类2000行代码），创建和业务更相近的虚构对象才能便于理解和管理耦合关系。

6 控制器

解决方案：把职责分配给能代表以下选择之一的类：

• 代表整个“系统”、“根对象”、运行软件的设备或主要子系统，这些是外观控制器的所有变体。
• 代表用例场景，在该场景中发生系统事件。

相关模式：

• GRASP：纯虚构
• GoF：命令、外观
• 其他：层

控制器的核心是提供一个统一入口，避免客户对元素内部进行耦合，很好的维护了边界：

• api层
• 根对象
• 接口

7 多态

问题：如何处理给予类型的选择？如何创建可插拔的软件构件？

解决方案：当相关选择或行为随类型有所不同时，使用多态操作为变化的行为类型分配职责。

优点：可扩展性强，同时不影响客户。

相关原则和模式：

• GRASP：防止变异
• GoF：大量模式

订单退款时需要计算出用户退款金额和商户扣款金额，在没有新零售业务进来之前直接使用计算服务返回的数据结构，新零售进来后数据结构未统一，需要进行适配，实现多态后的代码扩展性很强。

在微服务架构中，比较复杂的多态问题通常会选择增加一层去解决，如：支付网关、交付网关。

8 间接性

计算机学科中的大多数问题都可以通过增加一层解决，如果不行再加一层。反过来大多数性能问题都可以通过去掉一层来解决。

问题：为了避免两个或多个事物之间直接耦合，应该如何分配职责？

解决方案：将职责分配给中介对象，使其作为其他构建或服务之间的媒介，以避免他们之间的直接耦合。

优点：实现了构件之间的低耦合。

相关原则和模式：

• GRASP：防止变异、低耦合、大量间接性中介都是纯虚构
• GoF：大量模式

注意：间接性通常用来支持防止变异。

四 架构模式

除了职责分配原则，还需要一些架构模式帮助我们更好的落地。

1 分层架构

在分布式系统中系统是独立存在的，可以单独变更而不对其他系统产生影响，但是随着业务整体复杂度的提升也带来了一些负面影响：由于整体被分解成大量独立的系统，随着复杂度提升系统之间的依赖关系会变的错综复杂，某个系统的变更会影响其他系统，同时也会产生意想不到的问题，效率也随之下降。这时就需要重新对分布式系统的逻辑架构做设计，以解决系统间的不良耦合和内聚，从而提效。

分层架构是非常实用和常见的方式，TCP/IP、HTTP、操作系统等等都运用了分层，分层的本质很简单：通过分离关注点，达到高内聚；通过向下依赖、拒绝循环依赖、使用接口，达到低耦合。

分层架构也是存在缺点的：按照分层架构定义消息消费应该在基础设施层，但是消息消费是为了执行某个业务逻辑，这样就需要依赖应用层 或 领域层，如果真的这样写就会出现循环依赖问题。通过依赖倒置可以解决依赖问题。

2 六(多)边形架构（洋葱圈架构）

六边形架构(Hexagonal Architecture)，又称为端口和适配器架构风格，其中的“六”具体数字没有特殊的含义，仅仅表示一个“量级”的意思，六边形的定义只是方便更加形象的理解。

六边形架构提倡用一种新的视角来看待整个系统，该架构中存在两个区域：“外部区域”和“内部区域”。在外部区域中不同的客户均可以提交输入（网络请求、定时脚本、消息消费等），而内部区域则是处理具体逻辑的地方。

五 案例

案例1：Jpa替换为Mybatis

@Component
public class CloseOrderService {
    @Autowired(required = false)
    @Qualifier("rstOrderTransactionManager")
    JpaTransactionManager tm;
    
    public void invalid_order(Long orderId, Long userId, Short processGroup)
        throws UserException, SystemException, UnknownException {
        //其他逻辑。。。省略
        
        // 开启事务
        DefaultTransactionDefinition def = new DefaultTransactionDefinition();
        TransactionStatus ts = tm.getTransaction(def);

        try {
            order = orderDAO.get(orderId);
            order.setStatusCode(toStatus);
            order.setUpdatedAt(new Timestamp(System.currentTimeMillis()));
            orderDAO.save(order);
            //提交事务
            tm.commit(ts);
        } catch (Exception e) {
            if (!ts.isCompleted()) {
                //回滚
                tm.rollback(ts);
            }
            if (e instanceof SatisfiedStateException) {
                return;
            }
            throw e;
        }
    }
    @Transactional(transactionManager = "rstOrderTransactionManager", rollbackFor = Exception.class)
    public void invalidOrder(){
    }
}

@Component
public interface OrderDAO extends JpaRepository<OrderPO, Long> {
    @Query(value = "sql语句", nativeQuery = true)
    Long generateGlobalOrderId(@Param("userId") Long userId, 
                               @Param("restaurantId") Long restaurantId, 
                               @Param("seqName") String seqName);
} 

变化带来的影响：如果不出意外对Jpa的使用方式不会产生变更，意味着其相对稳定，所以在当前阶段来看以上耦合是正常的也不会产生负面影响。但是在以下场景会让我们对高耦合有很明显的体感：大家觉得Jpa不好用，想替换为Mybatis该怎么做？代码中直接使用了继承JpaRepository的OrderDAO做数据操作，由于Jpa和Mybatis的写法不同，所以需要把使用到OrderDAO的地方都做替换：

• 调用OrderDAO的类（70多个类）都需要替换为新的dao。
• 使用JpaTransactionManager.getTransaction()的位置需要替换为MyBatis的TransactionManager。
• 使用@Transactional(transactionManager = "rstOrderTransactionManager")的位置需要改为编写事务提交和回滚的代码块儿，便于做灰度。
• 以上改动的位置需要增加开关做灰度。

结论：由于变更涉及到70多个类，同时事务管理器获取方式也需要修改，其带来的影响还是挺大的，不满足“低耦合”原则，可以使用“多态”原则重新设计。

案例2：订单对应的支付单应该由谁来创建？

拿饿了么交易系统举例，当前创建支付单的职责是由bos服务承担（面向app的一个后端服务）的，接下我们进行分析。

支付单创建分为两种场景：

• 创建订单和支付单是在一次操作中完成。
• 用户回到订单列表页点击“去支付”时创建支付单。

支付单创建依赖：

• 订单号
• 支付金额
• 支付类型
• 一堆支付系统分配的用于识别业务的参数

注1：如果饿了么只会有外卖一种交易业务，当前的设计还是很稳定的，不会出现太大变化。所以识别变化点才能更好的评判当前系统设计是否合理，如：饿了么将升级为本地生活服务公司，根据公司战略多少能看出我们将来不只外卖业务存在，还会有很多和本地生活相关的交易业务，这些业务会有自己的展示层（app、h5、web）同时对应会有类似bos的服务，如果有10个业务方，在支付场景就需要去对接10次，而由order做就只需要一次（支付作为工具已经比较稳定，不会有太大变化）。

• bos比order多出识别订单结构的成本。
• bos比order多出认知交易域业务知识的成本。需要深入了解交易状态，这样才知道什么状态才能去支付（一般是去问order服务的开发），打破了边界。

结论：bos服务不应该承担创建支付单的职责，由order承担最合适。