怎么做能降低软件复杂性。

前言

在进行软件开发时，我们常常会追求软件的高可维护性，高可维护性意味着当有新需求来时，系统易扩展；当出现bug时，开发人员易定位。而当我们说一个系统的可维护性太差时，往往指的是该系统太过复杂，导致给系统增加新功能时容易出现bug，而出现bug之后又难以定位。

那么，软件的复杂性又是如何定义的呢？

John Ousterhout给出的定义如下：

Complexity is anything related to the structure of a software system that makes it hard to understand and modify the system.

可见，软件的复杂性是一个很泛的概念，任何使软件难以理解和难以修改的东西，都属于软件的复杂性。为此，John Ousterhout提出了一个公式来度量一个系统的复杂性：

公式中，表示系统中的模块，表示该模块的认知负担（Cognitive Load，即一个模块难以理解的程度），表示在日常开发中在该模块花费的开发时间。

从公式上看，一个软件的复杂性由它的各个模块的复杂性累加而成，而 模块复杂性 = 模块认知负担 * 模块开发时间，也就是模块的复杂性即和模块本身有关，也跟在该模块上花费的开发时间有关。需要注意的是，如果一个模块非常难以理解，但是后续开发过程中几乎没有涉及到它，那么它的复杂性也是很低的。

导致软件复杂的原因

导致软件复杂的原因可以细分出很多种来，而概括起来莫过于两种：依赖（dependencies） 和 隐晦（obscurity）。前者会让修改起来很费劲而且容易出现bug，比如当修改模块1时，往往也涉及到模块2、模块3、... 的改动；后者会让软件难以理解，定位一个bug，甚至是仅仅读懂一段代码都需要花费大量的时间。

软件的复杂性往往伴随着如下几种症状：

霰弹式修改（Change amplification）。当只需要修改一个功能，但又不得不对许多模块作出改动时，我们称之为霰弹式修改。这通常是因为模块之间耦合过重，相互依赖太多导致的。 比如，有一组Web页面，每个页面都是一个HTML文件，每个HTML都有一个背景属性。由于各个HTML的背景属性都是分开定义的，因此如果需要把背景颜色从橙色修改为蓝色时，就需要改动所有的HTML文件。

霰弹式修改的典型例子

认知负担（Cognitive load）。当我们说一个模块隐晦、难以理解时，它就有过重的认知负担，这种情况下往往需要读者花费大量时间才能明白该模块的功能。比如，提供一个不带任何注释的calculate接口，它有2个int类型的入参和一个int类型的返回值。从该函数的签名上看，调用者根本无法得知函数的功能是什么，他只能通过花时间去阅读源码来确定函数功能后才敢去调用该函数。

int calculate(int val1, int val2);

不确定性（Unknown unknowns）。相比于前两种症状，不确定性的破坏性更大，它通常指一些在开发需求时，你必须注意的，但是又无从得知的点。它常常是因为一些隐晦的依赖导致的，会让你在开发完一个需求之后感觉心里很没谱，隐约觉得自己的代码哪里有问题，但又不清楚问题在哪，只能祈祷在测试阶段能够暴露而不要漏洞商用阶段。

如何降低软件的复杂性

对 “战术编程” Say No！

很多程序员在进行特性开发或bug修复时，关注点往往是如何简单快速让程序跑起来，这就是典型的战术编程（Tactical programming）方法，它追求的是短期的效益——节省开发时间。战术编程最普遍的体现就是在编码之前没有进行模块设计，想到哪里就写到哪里。战术编程在系统前期可能会比较方便，一旦系统庞大起来、模块之间的耦合变重之后，添加或修改功能、修复bug都会变得寸步难行。随着系统变得越来越复杂，最后不得不对系统进行重构甚至重写。

与战术编程相对的就是战略编程（Strategic programming），它追求的是长期的效益——增加系统可维护性。仅仅是让程序跑起来还不足以满足，还需要考虑程序的可维护性，让后续在添加或修改功能、修复bug时都能够快速响应。因为考虑的点比较多，也就注定战略编程需要花费一定的时间去进行模块设计，但相比于战术编程后期导致的问题，这一点时间也是完全值得的。

战术编程 VS 战略编程

让模块更“深”一点！

一个模块由接口（interface）和实现（implementation）两部分组成，如果把一个模块比喻成一个矩形，那么接口就是矩形顶部的边，而实现就是矩形的面积（也可以把实现看成是模块提供的功能）。当一个模块提供的功能一定时，深模块（Deep module）的特点就是矩形顶部的边比较短，整体形状高瘦，也即接口比较简单；浅模块（Shallow module）的特点就是矩形顶部的边比较长，整体形状矮胖，也即接口比较复杂。

深模块 VS 浅模块

模块的使用者往往只看到接口，模块越深，模块暴露给调用者的信息就越少，调用者与该模块的耦合性也就越低。因此，把模块设计得更“深”一点，有助于降低系统的复杂性。

那么，怎样才能设计出一个深模块呢？

• 更简单的接口

简单的接口比简单的实现更重要，更简单的接口意味着模块的易用性更好，调用者使用起来更方便。而简单的实现 + 复杂的接口这种形式，一方面影响了接口的易用性，另一方面则加深了调用者与模块的耦合。因此，在进行模块设计时，最好遵守“把简单留给别人，把复杂留给自己”的原则。

异常也属于接口的一部分，在编码过程中，应该杜绝没经过处理，就随意将异常往上抛的现象，这样只会增加系统的复杂性。

• 更通用的接口

在设计接口时，你往往有两种选择：（1）设计成专用的接口；（2）设计成通用的接口。前者实现起来更方便，而且完全可以满足当前的需求，但可扩展性低，属于战术编程；后者则需要花时间对系统进行抽象，但可扩展性高，属于战略编程。通用的接口意味着该接口适用的场景不止一个，典型的就是“ 一个接口，多个实现 ”的形式。

有些程序员可能会反驳，在无法预知未来变化的情况下，通用就意味着过度设计。过度通用确实属于过度设计，但对接口进行适度的抽象并不是，相反它可以使系统更有层次感，可维护性也更高。

• 隐藏细节

在进行模块设计时，还要学会区分对于调用者而言，哪些信息是重要的，哪些信息是不重要的。隐藏细节指的就是只给调用者暴露重要的信息，把不重要的细节隐藏起来。隐藏细节一则使模块接口更简单，二则使系统更易维护。

如何判断细节对于调用者是否重要？以下有几个例子：

1、对于Java的Map接口，重要的细节：Map中每一个元素都是由<Key, Value>组成的；不重要的细节：Map底层是如何存储这些元素、如何实现线程安全等。

2、对于文件系统中的read函数，重要的细节：每次读操作从哪个文件读、读多少字节；不重要的细节：如何切换到内核态、如何从硬盘里读数据等。

3、对于多线程应用程序，重要的细节：如何创建一个线程；不重要的细节：多核CPU如何调度该线程。

进行分层设计！

设计良好的软件架构都有一个特点，就是层次清晰，每一层都提供了不同的抽象，各个层次之间的依赖明确。不管是经典的Web三层架构、DDD所提倡的四层架构以及六边形架构，抑或是所谓的Clean Architecture，都有着鲜明的层次感。

在进行分层设计时，需要注意的是，每一层都应该提供不同的抽象，并要尽量避免在一个模块中出现大量的Pass-Through Mehod。比如在DDD的四层架构中，领域层提供了对领域业务逻辑的抽象，应用层提供了对系统用例的抽象，接口层提供了对系统访问接口的抽象，基础设施层则提供对如数据库访问这类的基础服务的抽象。

所谓的Pass-Through Mehod是指那些“在函数体内直接调用其他函数，而本身只做了极少的事情”的函数，通常其函数签名与被其调用的函数签名很类似。Pass-Through Mehod所在的模块通常都是浅模块，让系统增加了无谓的层次和函数调用，会使系统更加复杂。