架构技能（六）：软件设计（下）

我们知道，软件设计包括软件的整体架构设计和模块的详细设计。

在上一篇文章（见《架构技能（五）：软件设计（上）》）谈了软件的整体架构设计，今天聊一下模块的详细设计。

模块的详细设计，重点体现在需要设计几个具有明确职责的角色，以及角色之间应该设计成什么样的关系，这里的角色一般是一个很大的类；然后对每一个角色继续分析需要设计几个类来实现角色职责，以及类与类之间应该设计成什么样的关系。

模块的详细设计，应该像架构设计一样，由高到低，逐层进行。

在之前的文章（见《架构技能（一）：软件架构》）中，分析过软件架构，见下图。

软件架构是指软件系统的顶层结构，包含具有明确职责的角色，这些角色通过相互协作使软件系统提供业务能力。

一个模块应该设计成几个类，取决于业务场景；但是类与类之间的关系是固定的模式，从原子化不可再分的角度看，共包括六类关系：依赖、关联、聚合、组合、继承、实现；“继承” 和 “实现” 更多是为了多态特性的实现需要，在基础框架中应用普遍，在业务系统中以前四种类关系应用为主。

依赖

依赖方与被依赖方是 “使用” 关系，从代码上看，被依赖方对象往往出现在依赖方对象的方法内部。比如：依赖方是 Person，被依赖方是 Bus，人 “使用” 公共汽车，见下图。

关联

关联方与被关联方是 “拥有” 关系，从代码上看，被关联方对象往往出现在关联方对象的成员变量上。比如：关联方是 Person，被关联方是 Phone，人 “拥有” 手机，见下图。

聚合

聚合方与被聚合方是整体与个体之间的关联关系，整体 “拥有” 个体，个体 “聚合” 成整体。从代码上看，被聚合方对象出现在关联方对象的成员变量上。比如：聚合方是 Company，被聚合方是 Staff，公司 “拥有” 员工，员工 “聚合” 成公司，见下图。

组合

组合方与被组合方仍是整体与个体之间的关联关系，整体 “拥有” 个体，个体 “组合” 成整体，与聚合关系不同的是，被组合方不能独立存在。从代码上看，被组合方对象出现在组合对象的成员变量上，且在组合对象内部进行初始化。比如：组合方是 Computer，被组合方是 Cpu，计算机 “拥有” CPU，CPU “组合” 成了计算机，且 CPU 离开计算机不能独立存在，见下图。

总结一下在软件模块详细设计中，类与类之间最常用的四种关系：

依赖的核心是 “使用”，两个对象在同一层次上；
关联的核心是 “拥有”，两个对象在同一层次上；
聚合的核心是整体与个体之间的 “拥有” 与 “聚合”，个体离开整体后对象的生命周期可以继续；
组合的核心是整体与个体之间的 “拥有” 与 “组合”，个体离开整体后对象的生命周期结束。

理解这四类对象关系，并烂熟于心，那就可以对软件业务系统模块进行详细设计了。

这里，我们以基于时间轮的 HTTP 长轮询获取消息为例，描述软件模块详细设计的过程。

先简述一下 HTTP 长轮询，见下图。

http 客户端向 http 服务端发起 http 请求；
http 服务端 hold 住该请求，不会立刻返回 http 响应；
http 服务端只有满足两个条件中的任何一个才会返回 http 响应：要么超过一定时间（超时），要么产生了属于客户端的消息
http 客户端收到响应后，再次发起 http 请求，重复上述过程。

在这个场景里， http 服务端应该如何设计呢？

分析上述时序图，可以很容易得出：http 服务端需要包含三个角色，即 http服务、消息模块和时间轮模块，三个角色之间的关系，见下图。

http 客户端向 http 服务端发起 http 请求；
http 服务端 hold 住该请求，不会立刻返回 http 响应；
http 服务端只有满足两个条件中的任何一个才会返回 http 响应：要么超过一定时间（超时），要么产生了属于客户端的消息
http 客户端收到响应后，再次发起 http 请求，重复上述过程。

在这个场景里， http 服务端应该如何设计呢？

分析上述时序图，可以很容易得出：http 服务端需要包含三个角色，即 http服务、消息模块和时间轮模块，三个角色之间的关系，见下图。

时间轮对于 http 服务来说是一个工具，http 服务使用时间轮这个工具进行管道的注册，所以 HttpService 类 “依赖” 于 Wheel 类；
消息模块产生新的消息时，根据客户端的 uid 从时间轮中获取客户端的管道，所以 MsgManager 类 “依赖“ 于 Wheel 类；
消息模块与 http 服务之间没有直接关系，消息模块只是通过管道对象将消息传输给 http 服务而已。

明确了第一层的类关系，就可以对第二层的类关系进行展开分析和设计了。http 服务与消息模块留给大家进行设计，我们看时间轮模块如何设计。

对类内部的设计，需要从类对外提供的能力来入手分析。

通过对 http 服务、消息模块、时间轮模块三个角色之间的关系分析，我们知道时间轮对外提供了三项能力：

对客户端管道对象的注册；
对客户端超时信息的发送；
根据客户端 uid 获取用户的管道。

注册客户端管道时，需要包括用户 uid、用户管道、注册时的时间轮刻度等信息；对客户端超时信息发送时，需要根据时间轮刻度找到用户管道；而获取用户管道时，需要根据客户端 uid 获取。所以，为了方便查询，用户 uid 与时间轮时间应该是一个双向映射的关系；同时，便于维护，将用户管道与时间轮时间封装成用户信息对象。

这里的管道对象，在不同的语言中可以采用不同的实现方式，比如 Go 语言中可以采用 chan ，Java 语言中可以采用队列。时间轮模块内部原理，在之前的文章（见《单体架构 IM 系统之长轮询方案设计》）中有详细描述，见下图。

时间轮模块类 Wheel 内部应包含三个类：时间盘(TimeDisk)、用户信息映射(UserInfoMap)、时间轮刻度映射(TimeUserMap)，这几个类之间的关系，见下图：

时间轮对象 “拥有” 时间盘、用户信息映射和时间轮刻度映射三个对象，这三个对象组合成了时间轮对象，所以 Wheel 与 TimeDisk、UserInfoMap、TimeUserMap 是组合关系，离开了 Wheel，这三个对象毫无意义；
时间盘 TimeDisk 对象，提供时间指针每秒走一格的能力；下一格的时间刻度所映射的所有客户端列表就是超时的客户端；
用户信息映射 UserInfoMap 对象提供用户 uid 对用户信息对象的映射能力；
时间轮刻度映射 TimeUserMap 对象提供时间轮时间刻度对用户 uid 列表的映射能力；
TimeDisk、UserInfoMap、TimeUserMap 三个对象之间没有任何关系。

我们继续对 UserInfoMap 设计第三层类关系，TimeDisk 和 TimeUserMap 留给大家分析和设计，见下图。

UserInfoMap “拥有” UserInfo，UserInfo “聚合” 成了 UserInfoMap，UserInfoMap 和 UserInfo 是聚合关系；
UserInfo 中封装了管道 UserChan 对象，UserInfo “拥有” UserChan 对象，两者是关联关系。

对业务模块的类关系，通常设计到第三层，整个类关系脉络应该就非常清晰了；http 服务端，将上述三层类关系进行整合，见下图。

在这个简单的整体类关系图中，依赖、关联、聚合、组合四种类关系全部进行了应用。明确了整个模块中关键类之间的关系后，剩下的就是对方法逻辑的编写了，这对于初级程序员来说就不是个事了！

最后，总结文中关键：

模块的详细设计，重点体现在需要设计几个具有明确职责的角色（类），以及角色（类）之间应该设计成什么样的关系；
模块的详细设计，应该像架构设计一样，由高到低，逐层进行；
类之间包括六类关系：依赖、关联、聚合、组合、继承和实现，在业务系统中以前四类为主：

（1）依赖的核心是 “使用”；

（2）关联的核心是 “拥有”；

（3）聚合的核心是整体与个体之间的 “拥有” 与 “聚合”，个体离开整体后对象的生命周期可以继续；

（4）组合的核心是整体与个体之间的 “拥有” 与 “组合”，个体离开整体后对象的生命周期结束；
对类内部的设计，需要从类对外提供的能力来入手分析；
基于时间轮方案实现的 http 长轮询中，关键类之间的关系如下：

（1）HttpService 依赖 Wheel；

（2）MsgManager 依赖 Wheel；

（3）Wheel 组合 TimeDisk；

（4）Wheel 组合 UserInfoMap；

（5）Wheel 组合 TimeUserMap；

（6）UserInfoMap 聚合 UserInfo；

（7）UserInfo 关联 UserChan。