面向对象设计 — Ran Wei

第八模块：OOD实践

SOLID原则、完整领域模型、重构反模式与测试策略——融会贯通。

预备知识: OOD 第七模块Python 3UML 2.5SysML v2

SOLID原则

🏠 生活类比

想象建筑一栋大楼：结构工程师、电气工程师和管道工各司其职（SRP）。新功能通过添加模块实现，不拆改现有结构（OCP）。标准接口确保任何符合标准的设备都能接入（LSP、ISP、DIP）。

SOLID是五个原则的助记符，综合应用后能产生易于理解、扩展和测试的代码：

S — 单一职责原则

一个类应该只有一个改变的理由。Book处理数据和验证，Order处理生命周期，Payment处理交易。每个类只因自己的原因而改变。

⚠️ 注意

违反示例：一个GodBook类既保存数据又处理支付又管理库存又发送邮件。修改邮件格式需要触碰图书数据逻辑——不相关的关注点被耦合在一起。

O — 开放/封闭原则

对扩展开放，对修改封闭。添加AudioBook只需新建子类——现有代码无需修改：

Python

class AudioBook(Book):
    def __init__(self, isbn, title, author, price, narrator, duration_hrs):
        super().__init__(isbn, title, author, price)
        self.narrator=narrator; self.duration_hrs=duration_hrs

    def get_details(self) -> str:
        return f"{self.title} 作者：{self.author} | 有声书（{self.duration_hrs}小时）£{self.price:.2f}"

# 无需修改：Inventory、ShoppingCart、BookFactory（只需添加"audio"分支）

L — 里氏替换原则

子类型必须在父类型期望的任何地方都能正确工作：

Python

def apply_sale(books: list[Book], pct: float) -> None:
    for b in books:
        b.apply_discount(pct)          # 契约：按pct降价
        assert b.price >= 0             # 不变量：价格非负
        assert b.get_discount_rate()==pct  # 后置条件

# DigitalBook  通过：履行所有Book契约
# PhysicalBook 通过：履行所有Book契约
# 忽略apply_discount()的BadBook 违反LSP

I — 接口隔离原则

优先使用多个小接口而非一个大接口。我们有Payable（2个方法）、Discountable（2个方法）、Serialisable（2个方法），而非一个含20个方法的IBook接口。支付处理器只依赖Payable。

D — 依赖倒置原则

依赖抽象，而非具体实现。通过构造函数注入依赖：

Python

class Order:
    def __init__(self, order_id, customer,
                 pricing: PricingStrategy | None = None,
                 inventory: Inventory | None = None):
        self._pricing   = pricing   or StandardPricing()
        self._inventory = inventory or Inventory.get_instance()
        # Order依赖PricingStrategy（抽象），而非StandardPricing（具体）
        # 测试中：注入MockPricing()和InMemoryInventory()

完整领域模型

八个模块集成为一个连贯的模型：

从上到下阅读模型：Book是抽象核心。DigitalBook和PhysicalBook专态化它。Customer和PremiumCustomer构成第二个层次。ShoppingCart聚合Books。Order组合OrderItem和Payment（后者实现Payable）。Inventory聚合Books并通知StockObserver。Order使用PricingStrategy。

重构反模式

反模式	症状	重构方法
上帝类	一个类有50+方法，跨越多个关注点。	按职责提取为独立类（SRP）。
基本类型偏执	ISBN作为原始str散布各处；价格作为无验证的float。	引入值对象：ISBN(str)、Money(float, currency)。
霰弹枪手术	添加一个功能需要修改10个不同的类。	将相关行为移入一个类（OCP、DIP）。
特性依恋	Order中的方法不断调用Customer的方法。	将方法移至Customer（SRP）。
魔法if/elif链	`if book_type=="digital"... elif =="physical"...`	用多态或工厂方法替换（OCP）。

测试OOD代码

单元测试、契约测试（LSP强制）和带模拟观察者的集成测试：

Python

import pytest; from unittest.mock import MagicMock

# 单元测试：隔离测试单个类
class TestBook:
    def setup_method(self):
        self.book=DigitalBook("978","清洁代码","Martin",29.99,"PDF",5.2,"url")

    def test_apply_discount(self):
        self.book.apply_discount(10)
        assert self.book.price == pytest.approx(26.99)

    def test_discount_out_of_range(self):
        with pytest.raises(ValueError): self.book.apply_discount(150)

# 契约测试：任何Book实现都必须通过
class BookContractTests:
    book: Book  # 子类的setup_method中设置

    def test_get_details_non_empty(self): assert len(self.book.get_details()) > 0
    def test_price_non_negative(self): assert self.book.price >= 0
    def test_apply_discount_contract(self):
        old = self.book.price
        self.book.apply_discount(20)
        assert self.book.price == pytest.approx(old * 0.8)

class TestDigitalContracts(BookContractTests):
    def setup_method(self): self.book=DigitalBook("978","T","A",30.0,"EPUB",3.0,"url")

# 集成测试（带模拟观察者）
class TestInventoryObserver:
    def test_notifies_on_stock_change(self):
        inv=Inventory(); inv._observers.clear()
        observer=MagicMock(); inv.subscribe(observer)
        book=DigitalBook("978","清洁代码","Martin",29.99,"PDF",5.2,"url")
        book.stock=10; inv.add_book(book)
        inv.update_stock("978", -3)
        observer.on_stock_change.assert_called_once_with("978", 7)

💡 契约测试 = LSP强制

BookContractTests混入是LSP的直接机械化强制：如果每种Book实现都通过同一契约测试套件，它们就是安全可替换的。为每个新Book子类的测试添加此混入。

系列回顾

八个模块中你构建了什么：

模块	概念	应用对象
1	对象与类	Book, Customer, ShoppingCart
2	封装	私有属性、@property、验证
3	继承	DigitalBook, PhysicalBook, PremiumCustomer
4	多态	get_details()、魔法方法、鸭子类型
5	组合与聚合	Order◆OrderItem, Cart◇Book
6	接口与契约	Payable, Discountable, Protocol
7	设计模式	工厂、单例、观察者、策略
8	SOLID与实践	完整集成、测试、重构

ℹ️ 后续学习方向

自然的后续主题：Inventory的并发与线程安全、通过Repository模式实现持久化、在领域上层设计REST API，以及使用mypy/Pyright进行高级静态分析。

总结

SRP

每个类只有一个改变的理由。将相关行为分组；分离不相关的关注点。

OCP

通过添加新类来扩展，而非修改现有类。多态和策略是主要机制。

LSP

每个子类型必须履行父类契约。契约测试在机械层面强制执行这一点。

ISP

优先使用多个小接口。客户端只依赖它们使用的方法。

DIP

依赖抽象。通过构造函数注入。支持用模拟实现进行测试。

契约测试

BookContractTests混入是LSP的直接机械化强制执行。