【读书笔记】《C++ Software Design》第一章《The Art of Software Design》

【读书笔记】《C++ Software Design》第一章《The Art of Software Design》

本章通过五项核心指导原则（Guidelines）详细阐述 C++ 软件设计的艺术，结合具体示例和实战建议，提供落地可行的最佳实践。

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Guideline 1: Understand the Importance of Software Design

1.1 Features Are Not Software Design

• 说明：功能实现（Feature）侧重于使软件满足需求，而设计关注系统的整体质量与可演化性。

• 具体展开：

  • 示例对比：假设两个矩阵乘法模块A和B，A直接嵌套三层循环，B通过分块（blocking）优化、面向接口编写、支持并行策略参数化。两者都能“乘矩阵”，但B在性能扩展、单元测试和替换算法时显著优于A。
  • 影响：A模块尽管功能正确，却因高耦合、不易替换、缺乏抽象导致后续维护成本极高。

1.2 Software Design: The Art of Managing Dependencies and Abstractions

• 依赖管理：

  • 依赖倒置：将高层模块依赖于抽象接口（纯虚类或模板概念），如下示例：

    struct ILogger { virtual void log(const std::string&) = 0; };
    class FileLogger : public ILogger { /* ... */ };
    class Processor {std::unique_ptr<ILogger> logger_; 
    public:Processor(std::unique_ptr<ILogger> l): logger_(std::move(l)){}void process(){ logger_->log("start"); /*...*/ }
    };
    

  • 效果：业务逻辑与具体日志实现解耦，可在运行或编译时替换不同 Logger。

• 抽象层次：

  • 分层架构：界面层、业务层、数据层；每层仅通过接口通信。示例：

    • DAO 模块暴露 IDataAccess 接口
    • Service 模块仅持有 std::shared_ptr<IDataAccess>
    • UI 模块调用 Service，无需知道底层实现。

1.3 The Three Levels of Software Development

1. Level 1: Feature Delivery（功能交付）

   • 特点：快速响应需求，无严格设计；常见于初版或 PoC。
   • 弊端：代码结构混乱、难以测试、难以扩展。

2. Level 2: Engineering Excellence（工程卓越）

   • 特点：引入流程（CI/CD、代码审查）、工具（静态分析、单元测试）。
   • 实践：使用 Git Hooks 强制代码风格；配置 CMake 脚本自动运行 Google Test。

3. Level 3: Design Mastery（设计掌握）

   • 特点：深度应用设计原则与模式，关注长期可演化。
   • 实践示例：在插件框架中引入基于 dlopen 的动态加载，并通过工厂模式和反射技术实现模块自动注册。

1.4 The Focus on Features

• 问题现象：项目初期以功能为中心，业务变化后却发现模块难以拆分与替换。
• 案例详解：电商系统早期将支付逻辑直接写在订单处理流程中，后续接入新支付渠道需要修改大量订单代码。
• 解决方案：将支付逻辑提取到 IPaymentProcessor 接口，并用策略模式封装不同渠道，实现无感切换。

1.5 The Focus on Software Design and Design Principles

• SOLID 在 C++ 中实战：

  • Single Responsibility：每个类仅关注一项职责，以 = delete 禁用不相关构造。
  • Open/Closed：通过 CRTP 或模板特化，在不改动原类的情况下扩展功能。
  • Liskov Substitution：子类覆盖时保证前置条件不加强、后置条件不削弱。

• KISS 与 YAGNI：仅在需求明确时抽象新模块，避免过早引入复杂框架。

• DRY：利用模板或宏消除重复，如对相似算法提炼为模板函数。

• Separation of Concerns：UI、逻辑、存储分层；示例代码详见附录A。

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Guideline 2: Design for Change

2.1 Separation of Concerns

• 定义：将系统功能划分为相对独立的模块，每个模块专注单一职责。

• 实践：使用命名空间、库分割和 CMake target 实现物理分层。

• 示例：图像处理管道分为：

  1. 格式解析模块
  2. 像素变换模块
  3. 编码输出模块
     每一模块与其他仅通过纯函数或接口交互。

2.2 An Example of Artificial Coupling

• 场景：订单服务依赖用户服务、库存服务，但实际业务仅需调用库存接口。
• 问题：直接包含用户头文件引入不必要依赖，导致编译联动。
• 重构：引入 IInventory 接口，将与用户相关的聚合逻辑移至外部 Adapter。

2.3 Logical Versus Physical Coupling

• 逻辑耦合：概念依赖，通过接口解耦后仍需关注功能调用顺序。
• 物理耦合：编译时依赖，通过前向声明、PImpl 等技术消除。
• 示例：使用 PImpl 隐藏私有成员，减少头文件依赖。

2.4 Don’t Repeat Yourself

• 实例：多个模块都有类似的配置加载与验证逻辑。
• 重构前：各自实现 loadConfig() 方法，代码重复。
• 重构后：提取 ConfigLoader<T> 模板类，支持所有模块配置加载，消除冗余。

2.5 Avoid Premature Separation of Concerns

• 警示：过早抽象会导致不必要的复杂接口。
• 衡量准则：当有至少两个模块出现相同代码时再抽象；使用 grep 或代码度量工具辅助决策。

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Guideline 3: Separate Interfaces to Avoid Artificial Coupling

3.1 Segregate Interfaces to Separate Concerns

• 接口隔离原则（ISP）：将大接口拆分为多个小接口，避免客户端依赖不必要的方法。

• C++ 示例：

  struct IReadable { virtual std::string read() = 0; };
  struct IWritable { virtual void write(const std::string&) = 0; };
  struct IReadWrite : IReadable, IWritable {};
  

• 效果：读取组件仅实现 IReadable，写入组件仅实现 IWritable，减少耦合。

3.2 Minimizing Requirements of Template Arguments

• 问题：过度依赖模板参数的成员函数会导致难以重用。

• 最佳实践：

  • 使用 C++20 Concepts 明确约束，如 template<Readable R> void func(R& r)。
  • 对功能特征进行分层接口，避免单个模板参数承担过多职责。

• 示例：实现通用 serialize 模板，仅依赖 toString() 方法，而非整个对象。

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Guideline 4: Design for Testability

4.1 How to Test a Private Member Function

• 常见做法：

  1. 使用 friend 声明测试类访问私有成员。
  2. 通过宏映射将私有方法编译为公共。

• 弊端：破坏封装。

• 示例：

  class Foo { private: int compute();friend class FooTest;
  };
  

4.2 The True Solution: Separate Concerns

• 核心思路：将复杂逻辑从私有方法中抽离到独立类或函数，保证可直接测试。

• 示例重构：

  • 原始 Foo::process() 内部含 5 步算法：

    int a = step1(); int b = step2(a); ...
    

  • 重构后：

    class Processor { public: int step1(); int step2(int); };
    Foo holds Processor; // 在测试中直接 new Processor()
    

• 好处：无需暴露私有成员，即可对每个步骤单元测试。

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Guideline 5: Design for Extension

5.1 The Open-Closed Principle

• 定义：对扩展开放，对修改关闭。

• C++ 实现：

  • 虚函数基类 + 派生扩展
  • 策略模式：将可变行为封装为策略对象
  • 通过插件系统 .so 动态加载新的实现

• 示例：

  struct IFormatter { virtual std::string format(int) = 0; };
  class JsonFormatter : public IFormatter {/*...*/};
  class XmlFormatter : public IFormatter {/*...*/};
  

5.2 Compile-Time Extensibility

• 模板元编程：利用模板特化、整型常量、if constexpr 实现编译期分支。

• 参数化多态：CRTP、Traits 类。

• 示例：

  template<typename T> struct Serializer;
  template<> struct Serializer<Json> { static void serialize(...); };
  

5.3 Avoid Premature Design for Extension

• 问题：过早设计插件机制或策略接口，若只有一个实现反而增加复杂度。

• 建议：

  • 根据 YAGNI 原则，仅在第二个实现需求出现时才引入扩展点。
  • 使用度量工具跟踪实现数量动态决策。

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本章小结

• 软件设计是一门结合科学严谨、工程流程与艺术创意的综合学科。
• 五大指导原则（了解设计、应对变化、隔离接口、可测试性、可扩展性）协同作用。
• 在 C++ 中，灵活运用模板、虚函数、多态、RAII 等特性，是实现高质量设计的关键。
• 实战中，需根据项目规模与团队成熟度，平衡抽象深度与实现复杂度。