关注点分离

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關注點分離(Separation of concerns,SoC)是對只与「特定概念、目标」(關注點英语Concern (computer science))相关联的软件组成部分進行「标识、封装和操纵」的能力,即标识、封装和操纵关注点的能力。是处理复杂性的一个原则。由于关注点混杂在一起会导致复杂性大大增加,所以能够把不同的关注点分离开来,分别处理就是处理复杂性的一个原则,一种方法。

关注点分离在計算機科學中,是將計算機程序分隔為不同部份的設計原則,是面向对象的程序设计的核心概念。每一部份會有各自的關注焦點。關注焦點是影響計算機程式代碼的一組資訊。關注焦點可以像是將代碼優化過的硬件細節一般,或者像實例化類別的名稱一樣具體。展現關注點分離設計的程序被稱為模組化程序[1]。模組化程度,也就是區分關注焦點,通過將資訊封装在具有明確界面的程序代碼段落中。封裝是一種資訊隱藏手段[2]。資訊系統中的分層設計是關注點分離的另一個實施例(例如,表示層,業務邏輯層,數據訪問層,維持齊一層).[3]。分离关注点使得解决特定领域问题的代码从业务逻辑中独立出来,业务逻辑的代码中不再含有针对特定领域问题代码的调用(將针对特定领域问题代碼抽象化成較少的程式碼,例如將代碼封裝成function或是class),业务逻辑同特定领域问题的关系通过侧面来封装、维护,这样原本分散在整个应用程序中的变动就可以很好的管理起来。

關注點分離的價值在於簡化計算機程序的開發和維護。當關注點分開時,各部份可以重複使用,以及獨立開發和更新。具有特殊價值的是能夠稍後改進或修改一段代碼,而無需知道其他部分的細節必須對這些部分進行相應的更改。

實作[编辑]

物件導向設計,或編程語言提供的模組化提供開發人員選用的SoC機制[4]。例如,C#,C++,Delphi和 Java等物件導向的編程語言可以將關注點分解為物件,像MVCMVP這樣的架構設計模式,將內容從呈現和數據處理(模型)與內容分開(呈现与内容分离)。服務導向英语Service-orientation的設計可將關注點分解為服務英语Service (systems architecture)。諸如 C 和 Pascal 之類的程序式編程語言可將關注點分成程序或功能。面向方面的編程語言可以將關注點分解為方面英语Aspect (computer programming)和對象。

在許多其他領域,例如城市規劃建築信息设计,分離關注點也是一個重要的設計原則。目標是更有效地理解,設計和管理許多功能相互依存的複雜系統,以便功能可以重用,獨立於其他功能進行優化,並且避免其他功能的潛在故障。常見的例子包括將一個空間分隔成多個房間,這樣一個房間的活動不會影響其他房間的人;或是配電將爐子保持在一個電路,而燈光則保持在另一個電路上,這樣爐子的超載就不會影響燈光。房間分隔的例子顯示了封裝,其中一個房間內的資訊(無論有多混亂)不會用於其他房間,除非通過界面(門是接口)。電路的例子表明,一個模組內部的活動是一個電力消費者附加的電路,不會影響不同模塊中的活動,因此每個模組不會額外去關注另一個模塊發生的情況。

起源[编辑]

这个概念是1974年,艾茲赫爾·戴克斯特拉在他的文章《On the role of scientific thought》中提出的[5]

让我告诉你,对我来说所有聰明的思考的共通特性是什么。一个人要有系统地深入研究一门课题;必须將這們課題獨立出來,記住在任何時候都只能关注其中一个方面。 比如说,我们知道一个程式必须是正确的,因此我们可以只抓这个点来研究;我们同时也清楚它应当是高效率的,我们可以改天来研究它的效率,等等。我们也可以问自己,程式是否是可取的(desirable)?如果是,为什么?相反的,同时应对好幾個个方面不會得到任何結果!这就是我有时提到的「the separation of concerns(关注点分离)」。这个技巧就算不是完美可行的,也仍是我知道有效地组织思维的唯一可用技巧。这是就是我说的「将一个人的注意力集中在几个方面上」。这并不是说忽略其他方面,只是表明从这个方面来看,其他方面並无关紧要这一事实。这即是同时拥有单任务和多任务思维。

15年之后,这个概念已经被人们所接受。1989年,Chris Reade写的《Elements of Functional Programming》有这样的描述[6]

一个程式在執行的时候一定会同时做以下几件事情:

  1. 描述所要解决的问题
  2. 按照计算的顺序分成几个部分执行
  3. 同时处理内存管理

Reade 接着说,

理想情况下,程序员应该只关注第一个問題(所要解决的问题),因为这个问题是更应该被关注。很明显的,我们可以通过解決重要的問題來得到更可靠的结果。

分离关注还有其它的好处。比如,程式可以分離内存管理和执行顺序。然后我们只去一步步的解决问题,不管机器的物理架构。当我们用高速平行的机器或者分布式系統的时候,只需要改动很小的一部分。

这就意味着编程语言的实现者必须在不同的机器和机制下,实现相关的功能。

例子[编辑]

互聯網協議堆疊[编辑]

关注点分离是網路設計中的重點。在TCP/IP协议族的設計時,有許多心力用在关注点分离,因此有良好定義的OSI模型。這可以讓通訊協定的設計者專注在每一層的關注點,不考慮其他層的影響。例如應用層的協定,關注的是如何將郵件資料在可靠的傳送服務上傳輸的細節(一般會是传输控制协议),不會關注传输控制协议旳細節。TCP不會關注資料封包的路由,路由是由網路層處理的內容。

HTML,CSS和JavaScript[编辑]

HTML层叠样式表(CSS)和JavaScript(JS)是開發網頁及相關服務時會用到的語言,彼此的機能是互補的。HTML主要是用在網站內容的結構、CSS是用在內容呈現方式的定義、JS定義網頁和用戶互動的方式,以及網頁的行為。以往的設計不是如此,在導入CSS之前,HTML同時要定義網頁的內容以及顯示方式。

主題導向的編程[编辑]

主題導向的編程英语Subject-oriented programming可以用分開的軟體結構來處理關注點分離,每一個關注點之間都是平等的。每一個關注點會有自己的類別結構,這些類別結構組成物件、也會提供狀態和方法給複合各關注點的結果。相依性關係會描述這些不同關注點中類別和方法,彼此之間的關係,讓許多關注點可以聯合產生複合式的行為。多維度关注点分离(Multi-dimensional Separation of Concerns)可以用多維「矩陣」的方式來進行各關注點之間的分析及複合,每一個關注點提供一個維度,上面會列舉各個點,其中的矩陣元素會有適當的軟件工件(software artifacts)。

面向切面的程序设计[编辑]

面向切面的程序设计可以將横切关注点視為主要关注点進行處理。例如,大部份旳軟體都需要某程度的安全性数据记录。安全性及数据记录一般會視為次要關注點,主要關注點一般是實現業務目標。不過在設計程式時,其安全性需要在一開始就考慮進來,而不是視為次要關注點。若在程式開發後再考慮安全性,多半會有安全模型不足的問題,會有很多後續被攻擊的風險。這可以用面向切面的程序设计來解決。例如,有一個切面可以寫成強制呼叫特定API時一定要记录,或是在丟出例外時,一定要記錄錯誤,不論哪一段程式的程式碼丟出錯誤或是傳播錯誤,都不會遺漏[7]

人工智能中的分析水準[编辑]

认知科学人工智能中,常常會用到大卫·马尔的levels of analysis。研究者可以專注在 (1)需要計算人工智慧的哪一個層面 (2)使用的演算法 (3)演算法在硬體中實現的情形。关注点分离類似軟體工程及硬體工程中的介面/實現的差異。

規範化系統[编辑]

規範化系統(normalized system)中,关注点分离是四個指導原則之一。堅持此一原則可以減少組合性的效應。組合性的效應會在維護軟體時,漸漸的進入系統中。在規範化系統中,可以用工具積極的支持关注点分离。

关注点分离和部份類別[编辑]

关注点分离可以用部份類別英语partial class的方式實現[8]

关注点分离和Ruby中的部份類別[编辑]

bear_hunting.rb
class Bear
  def hunt
    forest.select(&:food?)
  end
end
bear_eating.rb
class Bear
  def eat(food)
    raise "#{food} is not edible!" unless food.respond_to? :nutrition_value
    food.nutrition_value
  end
end
bear_hunger.rb
class Bear
  attr_accessor :hunger
  def monitor_hunger
    if hunger > 50
      food = hunt
      hunger -= eat(food)
    end
  end
end

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Laplante, Phillip. What Every Engineer Should Know About Software Engineering. CRC Press. 2007. ISBN 978-0849372285. 
  2. ^ Mitchell, Dr. R. J. Managing Complexity in Software Engineering. IEE. 1990: 5. ISBN 0863411711. 
  3. ^ Microsoft Application Architecture Guide. Microsoft Press. 2009. ISBN 978-0-7356-2710-9. 
  4. ^ Painter, Robert Richard. Software Plans: Multi-Dimensional Fine-Grained Separation of Concerns. Penn State.  已忽略未知参数|citeseerx= (帮助)
  5. ^ Dijkstra, Edsger W. On the role of scientific thought. Selected writings on Computing: A Personal Perspective. New York, NY, USA: Springer-Verlag. 1982: 60–66. ISBN 0-387-90652-5. 
  6. ^ Reade, Chris. Elements of Functional Programming. Boston, MA, USA: Addison-Wesley Longman. 1989. ISBN 0-201-12915-9.  已忽略未知参数|url-access= (帮助)
  7. ^ Jess Nielsen. Building Secure Applications (PDF). June 2006 [2012-02-08]. (原始内容存档 (PDF)于2016-04-16). 
  8. ^ Tiago Dias. Hyper/Net: MDSoC Support for .NET (PDF). DSOA 2006. October 2006 [2007-09-25]. (原始内容存档 (PDF)于2016-10-03). 

外部連結[编辑]