大家都听过 程序 = 数据结构+算法,从另一种意义上说 程序 = 数据+操作。 Expression Problem 指的是如何在不修改已有的源代码,添加新的数据或操作。它提供了一种新的视角,来看待编程语言和程序设计。

什么是 Expression Problem

假设我们有两种“形状”:正方形和圆形,并且想计算它们的面积。Expression Problem的问题是:在不修改现有代码的情况下,能不能方便地新增一个数据“三角形”,同时新增一个操作“求周长”?我们将看到,用“数据优先”的思路,则新增操作比较困难;相反如果以“操作优先”的思路,则新增数据会比较困难。

数据优先

面向对象就是典型的数据优先的思路,如果用面向对象的方式来实现如下:


public interface Shape {
double area();
}

public class Square implements Shape {
private double side;

@Override
public double area() {
return side * side;
}
}

public class Circle implements Shape {
private double radius;

@Override
public double area() {
return 3.14 * radius * radius;
}
}

如果想新增一个数据:“三角形(Triangle)”,那么只需要新建一个类,实现 Shape 接口即可,不需要修改现有的任何代码。所以我们说面向对象的方式易于新增数据。

那么如果想新增一个操作 perimeter 来求周长呢?上面的实现方式就需要我们为 Shape 接口新增 perimeter 方法,同时修改 SquareCircle 类来增加新的实现。这要求我们修改现有的代码,因此说面向对象的方式不易于新增操作。

当然,我们会说改就改呗,没什么大不了嘛。问题在于,你可能没有权限修改现有的代码 (如用的是别人的库),而又希望能扩展它们的功能。

操作优先

操作优先的典型是函数式编程,这里我们依旧使用 Java 来实现,但方式是函数式编程:

public class Shape {
}

public class Square extends Shape {
public double side;
}

public class Circle extends Shape {
public double radius;
}

public class AreaService {
public static double area(Shape shape) {
if (shape instanceof Square) {
double side = ((Square) shape).side;
return side * side;
} else if (shape instanceof Circle) {
double radius = ((Circle) shape).radius;
return radius * radius;
} else {
throw new IllegalArgumentException("shape not recognized")
}
}
}

可以看到 area 函数中对 shape 的类型进行了判断(或称模式匹配)。如果想新增数据“三角形(Triangle)”,则需要修改 area 方法,新增一个 if 判断才行。因此说函数式编程不易于新增数据。

相反,如果想新增求周长的操作 perimeter,可以新增一个 PerimeterService 而不需要修改现有的任何代码。所以说函数式编程易于新增操作。

问题根源

要解决问题,要先弄清问题的根源,这里引用 StackOverflow 的这个回答 来尝试说明:

“数据”和“操作”是程序的两个维度,它们之间存在映射关系(数据可以应用在多个操作上,操作可以接受多个数据)。但源代码的表示是一维的,从上到下,从左到右。于是这种映射关系要么以数据为主来组织(面向对象编程中,类的方法需要写在类中),要么以操作为主来组织(函数式编程中,对不同数据的处理需要写在同一个代码块中)。

如上图,以数据为主看到两类数据:SquareCircle,它们有各自的方法;以操作为主看到两个方法:areaperimeter,它们分别能接受各自的数据作为参数。

如果以数据为主,写成代码类似下面的结构:

# Data-Centric
((square area)
(circle area))

于是增加新的数据只需要增加对应的行,如增加三角形:

((square area)
(circle area)
(triangle area)) # 新增

而如果要新增一个方法,则需要为每一行增加新的列,即需要修改现有的代码:

((square area perimeter)
(circle area perimeter))
# 新增列

以操作为优先也类似。因此归根结底,Expression Problem 的矛盾在于二维的程序(数据与操作的关联)无法在一维的源代码上有效地组织。

解决方案?

维基百科 上给了很多相应的解决方案。我觉得具体的方案对“开眼界”不是特别重要,这里简要说说:

  1. OOP 理论上是以数据为中心,但用 Visitor Pattern 可以让我们切换成以操作为中心 。它解决不了 Expression Problem,但让我们有了选择的机会
  2. Python 和 Ruby 等语言可以对已有的类添加新的方法,算是 “Open Class” 的方案, 也称 “Monkey Patching”
  3. Common Lisp、Clojure 等语言采用了 Multi-Method 的方案,让数据与操作的关联不需 要一次性指定,因此不限制必须从某个维度去组织
  4. 还有一些基于 Visitor Pattern 和泛型的方案,太复杂没看懂

一些思考

下面是博主自己的一些思考,欢迎讨论。

Expression Problem 真的是需要解决的问题吗?

换句话说,强制以某个维度组织程序真的不好吗?。自由与强大通常会带来无序与混乱。不同人会有不同的选择。例如 Monkey Patching 允许我们使用一个库,并在基础上加自己的功能而不需要修改原来的库,功能强大;但现在你在引用两个库的时候就需要担心,会不会其中一个库 patch 了另一个库的方法,而与你的预期不符呢?

从代码的管理上,如果用 OOP 的思路,一个类的方法都在这个类中,是很容易找到它的边界的;反观 Monkey Patching 甚至没法知道一个对象都有哪些方法。牺牲扩展性带来的确定性值得吗?

扩展数据 vs 扩展方法

现在看到许多许多 Java 代码,在写类的时候加上 getter/setter,然后把处理类的方法写在一个 Service 类中。这种写法其实并不 OOP,它其实是函数式编程,设计模式上也称为“贫血模型”,因为类中没有业务逻辑。

Expression Problem 也许能从某种角度上解释为什么越来越多这样的代码。虽然 OOP 的特点是“继承”、“封装”、“多态”,但起码从“继承”的角度来说,除了 GUI 编程,现实中的业务逻辑没有多少能用到的,甚至现在越来越多“用组合不用继承”的声音。这种趋势隐含的意义是:现实中没有太多的“扩展数据”的需求。

也因此 OOP 从扩展性而言似乎并没有多少实用性,而业务上经常需要添加修改方法,也许正是如此更习惯从“操作”的角度组织程序吧。

模块的边界

我们经常说写程序要“高内聚、低耦合”,那么内外的边界在哪呢?那么在 Expression Problem 上,允许在不修改现有模块的基础上进行扩展,算不算是破坏了这个原则呢?换个角度说,模块的扩展是否应该由模块的维护者在模块的内部完成呢?

我们说 OOP 能提供“封装”,因为隐藏了具体的实现,我的理解是它维护了一个类内部的“约定”,而 FP 由于暴露了数据结构,则较难控制模块外部构建出非法的结构。

从这种角度来说,OOP 是用类来维护了数据的边界。也算是从一个极细粒度上的“高内聚”吧。

小结

Expression Problem 是指如何在不修改现有代码的前提下新增数据和操作。我们指出它的矛盾在于程序是二维的,而源代码是一维的,在表达程序时分主次维度就会造成次维度难以修改。

此外我们简单提了几个解决方案,然后表达了对 Monkey Patching 的纠结态度,以及对在 Java 里不写 OOP 的吐嘈。最后推荐大家看看《领域驱动设计》。

参考