架构整洁之道——价值维度与编程范式

1 设计与架构究竟是什么

结论：二者没有任何区别，一丁点区别都没有。

架构图里实际上包含了所有底层设计细节，这些细节信息共同支撑了顶层的架构设计，底层设计信息和顶层架构设计共同组成了整个架构文档。底层设计细节和高层架构信息是不可分割的，它们组合在一起，共同定义了整个软件系统，缺一不可。所谓的底层和高层本身就是一系列决策组成的连续体，并没有清晰的分界线。

软件架构的终极目标是，用最小的人力成本来满足构建和维护该系统的需求。

一个软件架构的优劣，可以用它满足用户需求所需要的成本来衡量。

软件开发的核心特点：要想跑得快，先要跑得稳。

工程师们常会用一句话来欺骗自己：“我们可以未来再重构代码，产品上线最重要！”，而通常情况下，产品上线后，重构工作是没有人会提起的，这是工程师们过度自信的表现。某些软件研发工程师会认为挽救一个系统的唯一办法是抛弃现有系统，设计一个全新的系统来替代，但这种思路并没有逃离过度自信：如果是工程师的过度自信导致了系统一团乱麻，那么，我们有什么理由认为让他们从头开始，结果就会更好呢？

2 两个价值维度

对于每个软件系统，我们都可以通过行为和架构两个维度来体现它的实际价值。软件研发人员应该确保自己的系统在这两个维度上的实际价值都能长时间维持在很高的状态。

2.1 行为价值

软件系统的行为是其最直观的价值维度。程序员的工作就是让机器按照某种指定方式运转，给系统的使用者创造或者提高利润。程序员们为达到这个目的，往往需要帮助系统使用者编写一个对系统功能的定义，也就是需求文档。然后程序员们再把需求文档转化为实际的代码。

当机器出现异常行为时，程序员要负责调试，解决这些问题。

大部分程序员认为这就是他们的全部工作。他们的工作是且仅是：按照需求文档编写代码，并且修复任何Bug。这真是大错特错。

2.2 架构价值

软件系统的第二个价值维度，就体现在软件这个英文单词上：software。“ware”的意思是“产品”，而“soft”的意思，是指软件的灵活性。

软件系统必须保持灵活。软件发明的目的，就是让我们可以以一种灵活的方式来改变机器的工作行为。对于机器上那些很难改变的工作行为，我们通常称之为硬件（hardware）。

为了达到软件的本来目的，软件系统必须够“软”——也就是说，软件应该容易被修改。当需求方改变需求的时候，随之所需的软件变更必须可以简单而方便地实现。变更实施的难度应该和变更的范畴（Scope）成等比关系，而与变更的具体开着（scope）无关。

需求变更的范畴与形状，是决定对应软件变更实施成本高低的关键。这就是为什么有的代码变更的成本与其实现的功能改变不成比例。从系统相关方（Stakeholder）的角度来看，他们所提出的一系列的变更需求的范畴都是类似的，因此成本也应该是固定的。但是从研发者的角度来看，系统用户持续不断地变更需求就像是要求他们不停地用一堆不同形状的拼图块，拼成一个新的形状。整个拼图的过程越来越困难，因为现有系统的形状永远和需求的形状不一致。

问题的实际根源当然就是系统的架构设计。如果系统的架构设计偏向某种特定的“形状”，那么新的变更就会越来越难以实施。所以好的系统架构设计应该尽可能做到与“形状”无关。

3 编程范式

直到今天，我们也一共只有三个编程范式，而且未来几乎不可能再出现新的，它们分别是结构化编程（structured programming）、面向对象编程（object-oriented programming）以及函数式编程（functional programming）。

结构化编程是第一个被普遍采用的编程范式，由Edsger Wybe Dijkstra于1968年提出，并最先主张用我们现在熟知的if/then/else语句和do/while/until语句来替代跳转语句的，结构化编程范式可以归结为一句话：结构化编程对程序控制权的直接转移进行了限制和规范。

面向对象编程是第二个被广泛采用的编程范式，由Ole Johan Dahl和Krise Nygaard于1966年提出，一句话总结即是：面向对象编程对程序控制权的间接转移进行了限制和规范。

函数式编程是由Alonzo Church在1936年发明的 $\lambda$ 演算（lambda演算）的直接衍生物， $\lambda$ 演算法的一个核心思想是不可变性——某个符号所对应的值是永远不变的，所以从理论上来讲，函数式编程语言中应该是没有赋值语句的。大部分函数式编程语言只允许在非常严格的限制条件下，才可以更改某个变量的值。函数式编程可以总结为：函数式编程对程序中的赋值进行了限制和规范。

3.1 结构化编程

结构化编程范式是一种程序设计方法论，它强调通过使用有限的控制结构来组织程序逻辑，以提高代码的清晰度、可读性、可维护性和可靠性。结构化编程的核心原则是避免无条件跳转（如goto语句），而是采用三种基本结构来构造任何复杂的程序：

(1) 顺序结构：按照代码书写的顺序依次执行指令；

(2) 选择结构（条件分支）：基于某个或某些条件决定执行路径，例如if-else或switch-case语句；

(3) 循环结构：重复执行一段代码直到满足特定条件为止，如while循环、for循环等；

通过这些结构，程序员可以将程序划分为模块化的子程序或函数，每个子程序都有一个明确定义的任务，并且可以独立地进行理解和验证。这样做的好处是可以降低复杂度，减少错误和潜在的“面条式”代码问题（即难以理解的程序流程），并促进软件工程中的分层抽象和功能分解。

结构化编程在20世纪60年代至70年代由Edsger Dijkstra等人倡导并推广，成为了现代编程实践的基础，许多当代主流编程语言的设计都遵循这一范式。

3.2 面向对象编程

面向对象编程（Object-Oriented Programming, OOP）是一种重要的编程范式，它以“对象”为核心概念组织和设计软件系统。在面向对象编程中，数据（属性或变量）以及对这些数据进行操作的方法（函数或过程）被捆绑在一起作为一个整体，即“对象”。

很多时候，我们会把“类与对象”、“封装”、“继承”、“多态”、“抽象”这样的概念与面向对象编程强绑定在一起，但实际情况并不是这样。

OOP强调通过定义类（Class）来创建对象的蓝图或模板，类描述了对象共有的状态（属性）和行为（方法），根据类创建的具体实例称为对象。

封装是指数据和处理该数据的代码结合在一起，并对外部隐藏内部细节，对象通过接口（public方法）暴露其功能，而内部实现则受到保护，增强了安全性与模块化。但实际上，如Java和C#这样号称面向对象的语言因彻底抛弃了头文件与实现文件分离的编程方式，反而削弱了封装性，相反C语言却进行了完美封装。因此，封装不能算是面向对象编程的必要条件。

继承是指子类可以继承父类（基类或超类）的特征和行为，并在此基础上扩展或修改，这有助于代码重用和层次结构的设计，减少冗余。继续这一特性在面向对象理论被提出来之前，对继承性的支持就已经存在很久了，面向对象编程在继承性方面并没有开创出新，但是的确在数据结构的伪装上提供了相当程度的便利。

多态是指同一个消息（方法调用）可以被不同的对象响应并产生不同的结果，多态有两种形式：静态多态（编译时多态，例如函数重载）和动态多态（运行时多态，例如虚函数机制）。多态其实是函数指针的一种应用，自从20世纪40年代末期冯诺依曼架构诞生那天起，程序员们就一直在使用函数指针模拟多态了，也就是说，面向对象编程在多态方面没有提出任何新概念，但确实让多态变得更安全、更便于使用了。

用函数指针显式实现多态的问题就在于函数指针的危险性，毕竟函数指针的调用依赖于一系列需要人为遵守的约定，程序员必须严格按照固定约定来初始化函数指针，并共同严格地按照约定来调用这些指针，只要有一个程序员没有遵守这些约定，整个程序就会产生极其难以跟踪和消除的Bug。

面向对象编程语言为我们消除了人工遵守这些约定的必要，也就等于消除了这方面的危险性，采用面向对象编程语言让多态实现变得非常简单，让一个传统C程序员可以去做以前不敢想的事情。综上所述，面向对象编程其实是对程序间接控制权的转移进行了约束。

抽象是指通过抽象类和接口可以定义类之间的共同协议，而不涉及具体实现，抽象帮助程序员关注问题的本质而不是具体的实现细节。

面向对象编程范式鼓励开发者从现实世界的实体及其相互关系出发构建模型，从而更直观地理解和解决问题，这种编程风格不仅提高了程序的可读性、可维护性和可扩展性，还促进了代码复用和模块化的软件开发实践。

3.3 函数式编程

函数式编程借鉴了数学中的函数概念，将程序视为一系列无副作用的纯函数的组合。在函数式编程中，计算被看作是数据的变换过程，而非对状态的操作序列，以下是函数式编程的核心特点：

(1) 纯函数：纯函数是指给定相同的输入总是产生相同的输出，并且没有可观察到的副作用，这意味着函数不依赖于任何外部状态，也不会修改其作用域之外的数据；

(2) 一等公民（First-class functions）：函数可以像其他数据类型一样被赋值给变量、作为参数传递给其他函数或从函数返回，这允许高阶函数（Higher-order functions）的存在，即接受函数作为参数或返回函数的函数;

(3) 不可变数据：函数式编程通常提倡使用不可变数据结构，一旦创建后就不会改变，这种策略减少了由于共享状态导致的问题，增强了并行和并发处理的安全性；

(4) 递归：函数式编程倾向于用递归来解决问题，而不是循环或其他迭代结构，因为递归更符合函数式思想，可以通过函数调用自身来实现复杂计算；

(5) 列表推导与函数组合：函数式编程提供了一系列工具和语法来简洁地表达列表操作和其他集合转换，如map、filter、reduce等，以及通过组合简单的函数构建复杂的逻辑；

(6) 声明式编程风格：相比于命令式编程描述“如何做”，函数式编程更多地关注“做什么”，因此代码往往更侧重于表达关系和转换规则，而非具体的执行步骤；

(7) 副作用管理：虽然函数式编程强调无副作用，但实际应用中不可能完全避免副作用，函数式编程提供了诸如Monad等抽象概念来管理和控制副作用，确保它们在可控范围内发生；

函数式编程因其具备的特性而具有易于推理、利于测试、并行友好等特点，在现代编程语言如Haskell、Scala、Clojure和部分支持函数式编程特性的语言如JavaScript、Python等中得到了广泛应用。

函数式编程语言中的变量（Variable）是不可变（Vary）的，不可变性是软件架构设计需要考虑的重点，为什么软件架构师要操心变量的可变性呢？那是因为，所有的竞争问题、死锁问题、并发更新问题都是由可变变量导致的。如果变量永远不会被更改，那就不可能产生竞争或者并发更新问题。如果锁状态是不可变的，那就永远不会产生死锁问题。

换句话说，一切并发应用遇到的问题，一切由于使用多线程、多处理器而引起的问题，如果没有可变变量的话都不可能发生。

作为一个软件架构师，当然应该要对并发问题保持高度关注。我们需要确保自己设计的系统在多线程、多处理器环境中能稳定工作。

那么如何隔离可变性呢？一种常见方式是将应用程序，或者是应用程序的内部服务进行切分，划分为可变的和不可变的两种组件。不可变组件用纯函数的方式来执行任务，期间不更改任何状态。这些不可变的组件将通过与一个或多个非函数式组件通信的方式来修改变量状态：