淺談高內聚低耦合

03-03

前言

高內聚低耦合，是軟體工程中的概念，是判斷設計好壞的標準，主要是面向對象的設計，看類的內聚性是否高，耦合度是否低。

概念

內聚關注模塊內部的元素結合程度，耦合關注模塊之間的依賴程度。

內聚性：

又稱塊內聯繫。指模塊的功能強度的度量，即一個模塊內部各個元素彼此結合的緊密程度的度量。若一個模塊內各元素（語名之間、程序段之間）聯繫的越緊密，則它的內聚性就越高。

所謂高內聚是指一個軟體模塊是由相關性很強的代碼組成，只負責一項任務，也就是常說的單一責任原則。

耦合性：

也稱塊間聯繫。指軟體系統結構中各模塊間相互聯繫緊密程度的一種度量。模塊之間聯繫越緊密，其耦合性就越強，模塊的獨立性則越差。模塊間耦合高低取決於模塊間介面的複雜性、調用的方式及傳遞的信息。

對於低耦合，粗淺的理解是：一個完整的系統，模塊與模塊之間，儘可能的使其獨立存在。也就是說，讓每個模塊，儘可能的獨立完成某個特定的子功能。模塊與模塊之間的介面，盡量的少而簡單。如果某兩個模塊間的關係比較複雜的話，最好首先考慮進一步的模塊劃分。這樣有利於修改和組合。

內聚

內聚有如下的種類，它們之間的內聚度由弱到強排列如下：

偶然內聚：一個模塊內的各處理元素之間沒有任何聯繫，只是偶然地被湊到一起。這種模塊也稱為巧合內聚，內聚程度最低。
邏輯內聚：這種模塊把幾種相關的功能組合在一起，每次被調用時，由傳送給模塊參數來確定該模塊應完成哪一種功能。
時間內聚：把需要同時執行的動作組合在一起形成的模塊稱為時間內聚模塊。
過程內聚：構件或者操作的組合方式是，允許在調用前面的構件或操作之後，馬上調用後面的構件或操作，即使兩者之間沒有數據進行傳遞。簡單的說就是如果一個模塊內的處理元素是相關的，而且必須以特定次序執行則稱為過程內聚。
例如某要完成登錄的功能，前一個功能判斷網路狀態，後一個執行登錄操作，顯然是按照特定次序執行的。
通信內聚：指模塊內所有處理元素都在同一個數據結構上操作或所有處理功能都通過公用數據而發生關聯（有時稱之為信息內聚）。即指模塊內各個組成部分都使用相同的數據結構或產生相同的數據結構。
順序內聚：一個模塊中各個處理元素和同一個功能密切相關，而且這些處理必須順序執行，通常前一個處理元素的輸出時後一個處理元素的輸入。
例如某要完成獲取訂單信息的功能，前一個功能獲取用戶信息，後一個執行計算均價操作，顯然該模塊內兩部分緊密關聯。
順序內聚的內聚度比較高，但缺點是不如功能內聚易於維護。
功能內聚：模塊內所有元素的各個組成部分全部都為完成同一個功能而存在，共同完成一個單一的功能，模塊已不可再分。即模塊僅包括為完成某個功能所必須的所有成分，這些成分緊密聯繫、缺一不可。

功能內聚是最強的內聚，其優點是它的功能明確。判斷一個模塊是否功能內聚，一般從模塊名稱就能看出。如果模塊名稱只有一個動詞和一個特定的目標（單數名詞），一般來說就是功能內聚，如：「計算水費」、「計算產值」等模塊。功能內聚一般出現在軟體結構圖的較低層次上。

功能內聚模塊的一個重要特點是：他是一個「暗盒」，對於該模塊的調用者來說，只需要知道這個模塊能做什麼，而不需要知道這個模塊是如何做的。

耦合

耦合可以分為以下幾種，它們之間的耦合度由高到低排列如下：

內容耦合：一個模塊直接訪問另一模塊的內容，則稱這兩個模塊為內容耦合。
若在程序中出現下列情況之一，則說明兩個模塊之間發生了內容耦合：
1. 一個模塊直接訪問另一個模塊的內部數據。
2. 一個模塊不通過正常入口而直接轉入到另一個模塊的內部。
3. 兩個模塊有一部分代碼重疊（該部分代碼具有一定的獨立功能）。
4. 一個模塊有多個入口。
內容耦合可能在彙編語言中出現。大多數高級語言都已設計成不允許出現內容耦合。這種耦合的耦合性最強，模塊獨立性最弱。
公共耦合：一組模塊都訪問同一個全局數據結構，則稱之為公共耦合。公共數據環境可以是全局數據結構、共享的通信區、內存的公共覆蓋區等。如果模塊只是向公共數據環境輸入數據，或是只從公共數據環境取出數據，這屬於比較鬆散的公共耦合；如果模塊既向公共數據環境輸入數據又從公共數據環境取出數據，這屬於較緊密的公共耦合。
公共耦合會引起以下問題：

1. 無法控制各個模塊對公共數據的存取，嚴重影響了軟體模塊的可靠性和適應性。
2. 使軟體的可維護性變差。若一個模塊修改了公共數據，則會影響相關模塊。
3. 降低了軟體的可理解性。不容易清楚知道哪些數據被哪些模塊所共享，排錯困難。
一般地，僅當模塊間共享的數據很多且通過參數傳遞很不方便時，才使用公共耦合。
外部耦合：一組模塊都訪問同一全局簡單變數，而且不通過參數表傳遞該全局變數的信息，則稱之為外部耦合。
控制耦合：模塊之間傳遞的不是數據信息，而是控制信息例如標誌、開關量等，一個模塊控制了另一個模塊的功能。
標記耦合：調用模塊和被調用模塊之間傳遞數據結構而不是簡單數據，同時也稱作特徵耦合。表就和的模塊間傳遞的不是簡單變數，而是像高級語言中的數據名、記錄名和文件名等數據結果，這些名字即為標記，其實傳遞的是地址。
數據耦合：調用模塊和被調用模塊之間只傳遞簡單的數據項參數。相當於高級語言中的值傳遞。
非直接耦合：兩個模塊之間沒有直接關係，它們之間的聯繫完全是通過主模塊的控制和調用來實現的。耦合度最弱，模塊獨立性最強。

分析

高內聚，低耦合的系統有什麼好處呢？

事實上，短期來看，並沒有很明顯的好處，甚至短期內會影響系統的開發進度，因為高內聚，低耦合的系統對開發設計人員提出了更高的要求。高內聚，低耦合的好處體現在系統持續發展的過程中，高內聚，低耦合的系統具有更好的重用性，維護性，擴展性，可以更高效的完成系統的維護開發，持續的支持業務的發展，而不會成為業務發展的障礙。

高內聚低耦合是否意味著內聚越高越好，耦合越低越好？

並不是內聚越高越好，耦合越低越好，真正好的設計是在高內聚和低耦合間進行平衡，也就是說高內聚和低耦合是衝突的。
最強的內聚莫過於一個類只寫一個函數，這樣內聚性絕對是最高的。但這會帶來一個明顯的問題：類的數量急劇增多，這樣就導致了其它類的耦合特別多，於是整個設計就變成了「高內聚高耦合」了。由於高耦合，整個系統變動同樣非常頻繁。
對於耦合來說，最弱的耦合是一個類將所有的函數都包含了，這樣類完全不依賴其它類，耦合性是最低的。但這樣會帶來一個明顯的問題：內聚性很低，於是整個設計就變成了「低耦合低內聚」了。由於低內聚，整個類的變動同樣非常頻繁。
真正做到高內聚、低耦合是很難的，很多時候未必一定要這樣，更多的時候「最適合」的才是最好的，不過，審時度勢、融會貫通、人盡其才、物盡其用，才是設計的王道。

軟體設計時，如何做好高內聚低耦合？

在模塊劃分時，要遵循「一個模塊，一個功能」的原則，儘可能使模塊達到功能內聚。

耦合是影響軟體複雜程度和設計質量的一個重要因素，為提高模塊的獨立性，應建立模塊間儘可能鬆散的系統，在設計上我們應採用以下原則：若模塊間必須存在耦合，應盡量使用數據耦合，少用控制耦合，慎用或有控制地使用公共耦合，並限制公共耦合的範圍，盡量避免內容耦合。