Tìm hiểu SOLID – 5 nguyên tắc thiết kế hướng đối tượng bằng Java

Ngôn ngữ lập trình Java

Java được biết đến là ngôn ngữ lập trình bậc cao, hướng đối tượng và giúp bảo mật mạnh mẽ, và còn được định nghĩa là một Platform. Java được phát triển bởi Sun Microsystems, do James Gosling khởi xướng và ra mắt năm 1995. Java vẫn được sử dụng rất nhiều trong các dự án công nghệ mới. Tên ban đầu của Java là OAK, sau đó được Sun Microsystem đổi tên vào năm 1995 và tập trung phát triển các sản phẩm theo trend www (world wide web). Năm 2009, Java được mua lại bởi Oracle.

Các nguyên tắc thiết kế hướng đối tượng – SOLID

SOLID nghĩa là gì

Nguyên tắc SOLID là một phương pháp tiếp cận hướng đối tượng trong thiết kế cấu trúc phần mềm được sử dụng trong Java. Robert C. Martin là người đã đưa ra ý tưởng này (còn được biết đến với tên Uncle Bob). Năm nguyên tắc này đã làm thay đổi toàn bộ lĩnh vực lập trình hướng đối tượng, cũng như cách các phần mềm được viết ra. Nguyên tắc SOLID cũng đảm bảo rằng phần mềm có tính chất mô-đun (dễ tái sử dụng và dùng trong nhiều vị trí), dễ hiểu, dễ gỡ lỗi và dễ refactor (tái cấu trúc, cập nhật).

• S: Single responsibility principle – Nguyên tắc một chức năng
• O: Open-closed principle – Nguyên tắc đóng và mở
• L: Liskov substitution principle – Nguyên tắc thay thế
• I: Interface segregation principle – Nguyên tắc chia nhỏ
• D: Dependency inversion principle – Nguyên tắc đảo ngược phụ thuộc

Lí do nên áp dụng các nguyên tắc SOLID

• Clean: Nguyên tắc SOLID giúp code clean, dễ nhìn hơn và chuẩn hoá format của code để nhiều người hiểu hơn.
• Dễ bảo trì: Code dễ bảo trì, sửa lỗi hơn.
• Tính co giãn: Dễ dàng refactor, tái cấu trúc lại code. Dễ dàng phát triển các tính năng mới sau này
• Tối ưu: Giảm bớt các code dư thừa.
• Kiểm nghiệm: Viết unit test dễ hơn
• Dễ đọc: Giúp code đọc dễ hiểu hơn
• Độc lập: Code hoạt động độc lập, ít phụ thuộc các phần khác, giảm thiểu lỗi
• Tái sử dụng: Code được chia nhỏ và độc lập như các module, dễ dàng sử dụng lại.

SOLID trong Java

Nguyên tắc 1: Single responsibility principle – Nguyên tắc một chức năng

Nguyên tắc này được phát biểu như sau:

Một class chỉ nên giữ 1 trách nhiệm duy nhất, chỉ có thể sửa đổi class với 1 lý do duy nhất.

A class should have one and only one reason to change, meaning that a class should have only one job.

Theo nguyên lí này, mỗi class chỉ nên có một vai trò duy nhất. Tức là bạn có thể để 1 class có rất nhiều chức năng, làm đủ thứ, với nhiều method khác nhau. Tuy nhiên việc nhét toàn bộ chức năng vào 1 class khiến code khó bảo trì, khó hiểu hơn, và xử lí một phần nhỏ của cả một class chứa rất nhiều chức năng này có thể làm lỗi toàn bộ các chức năng khác.

Hãy thử xem một class sau:

Việc cho toàn bộ các phương thức gộp vào 1 class NguoiChoi như này đã vi phạm quy tắc, thực hiện rất nhiều thay đổi chỉ trong 1 class như lấy dữ liệu từ database, chuyển sang json để trả về, di chuyển nhân vật, …. Sau này khi nâng cấp thêm chức năng, class này ngày càng phình to ra. Khiến cho việc bảo trì, nâng cấp, test, …. trở lên khó khăn hơn sau này.

Thay vì vậy, ta có thể chuyển thành như sau

• Lúc này mỗi class sẽ độc lập hơn và các luồng hoạt động cũng sẽ rõ ràng hơn, khi có lỗi xảy ra hay cần nâng cấp chức năng, bạn có thể dễ dàng sửa đổi vào các class trong 1 luồng chứ không phải thay đổi hay thêm mọi thứ vào 1 class và khiến chúng phình to hơn nữa.
• Tuy số lượng class nhiều hơn những việc sửa chữa sẽ đơn giản hơn, dễ dàng tái sử dụng hơn, class ngắn hơn nên cũng ít bug hơn.
• Một số ví dụ về nguyên tắc SRP cần xem xét có thể cần được tách riêng bao gồm: Persistence, Validation, Notification, Error Handling, Logging, Class Instantiation, Formatting, Parsing, Mapping, …

Nguyên tắc 2: Open-closed principle – Nguyên tắc đóng và mở

Nguyên tắc này được phát biểu như sau:

Có thể thoải mái mở rộng 1 class, nhưng không được sửa đổi bên trong class đó.

Objects or entities should be open for extension, but closed for modification.

Nghe qua thấy nguyên lý có sự mâu thuẫn do thường chúng ta thấy rằng dễ mở rộng là phải dễ thay đổi, đằng nay dễ mở rộng nhưng không cho thay đổi. Thực sự theo nguyên lý này, chúng ta không được thay đổi hiện trạng của các lớp có sẵn, nếu muốn thêm tính năng mới, thì hãy mở rộng class cũ bằng cách kế thừa để xây dựng class mới. Làm như vậy sẽ tránh được các tình huống làm hỏng tính ổn định của chương trình đang có.

Theo nguyên tắc này, sau khi thiết kế một class với một số chức năng nhất định, cần đảm bảo các chức năng này hoạt động trơn tru trong tương lai, tránh sửa đổi thêm sau này. Như vậy, class luôn “đóng – closed” cho các sửa đổi vào các chức năng đã được thiết kế trước, nhưng lại phải “mở – open” để mở rộng tính năng hơn, để mở thì có 1 số cách phổ biến như:

• Tạo ra một class kế thừa
• Viết lại chức năng hàm đó từ class cha
• Nâng cấp chức năng/hàm của class cha ở class con

Lấy ví dụ như sau:

Với cách thiết kế như trên, khi ta có các class con kế thừa từ class cha NguoiChoi, và cần kiểm tra xem class con có hệ là gì, hay ví dụ ta cần tạo thêm nhiều class con khác tương tự, ta lại phải thêm nhiều if else vào class gốc. Thay vào đó, ta nên thiết kế như sau:

Lúc này, khi cần nâng cấp thêm nhiều hệ mới cho hệ thống, ta chỉ cần tạo các class con và sử dụng chức năng của class chính, không cần thực hiện trực tiếp vào class chính nữa.

• Lợi ích của nguyên lý này là đôi khi chúng ta cần sử dụng các class từ các nguồn thư viện thứ 3, hoặc từ chính các thư viện có sẵn trong Java. Chúng ta có thể dễ dàng extend và tạo các class con mới kế thừa từ class cha để phục vụ cho một mục đích, chức năng mới của dự án, mà không cần quá lo lắng về class cha sẽ bị lỗi do ta đã không sửa đổi chúng.
• Tuy nhiên, việc kế thừa class cha có thể dẫn tới việc chức năng các class con lại quá khác nhau và không có chung ý nghĩa, nên chú ý vào ý nghĩa của các chức năng, tránh tạo ra quá nhiều class dẫn xuất. Mặc dù những sửa đổi nhỏ trong class thường không ảnh hưởng, chúng ta cũng cần phải test cẩn thận. Và đó là lý do chính tại sao chúng ta cần phải viết test case cho các chức năng, để có thể nhận thấy hành vi không mong muốn xảy ra trong code.
• Lúc này, ta có thể sử dụng interface như các bản thiết kế cha để có thể làm các chức năng mở rộng sau này, việc sử dụng interface cũng giúp code đạt thêm tính “Loose coupling” – “liên kết lỏng” hơn và tránh sự phụ thuộc quá chặt chẽ vào các class.

Nguyên tắc 3: Liskov substitution principle – Nguyên tắc thay thế

Barbara Liskov đã đưa ra nguyên tắc Liskov Substitution Principle (LSP) này. Nguyên tắc này cho rằng: trong kế thừa, các class con, class kế thừa phải luôn có thể thay thế được class cha. Tức là, nếu class A kế thừa từ class B, thì mình luôn có thể sử dụng class A thay cho class B mà các chức năng không bị thay đổi.

Lấy ví dụ về hình vuông và hình chữ nhật

Như trong toán học được dạy ở các cấp dưới, ta hay được nghe là “hình vuông cũng là hình chữ nhật”, Nhìn ví dụ trên ta thấy mọi tính toán đều rất hợp lý. Do hình vuông có 2 cạnh bằng nhau, mỗi khi set độ dài 1 cạnh thì ta set luôn độ dài của cạnh còn lại bằng cách viết đè phương thức set chiều cao và set chiều rộng.

Tuy nhiên, class HinhVuong sau khi kế thừa class HinhChuNhat đã làm thay đổi các đặc tính vốn có của HinhChuNhat, dẫn đến vi phạm LSP. Thử với một ví dụ như sau

Rõ ràng, lúc này ta khai báo một object class HinhChuNhat theo HinhVuong, set chiều cao và chiều rộng, nhưng do ta đã ghi đè hàm set chiều cao chiều rộng nên chiều cao chiều rộng bị cập nhật thành 10, và tính diện tích ra là 10×10 = 100, rõ ràng không đúng vì hình chữ nhật đúng ra diện tích là 5×10 = 50, hay có thể nói là: Class HinhVuong không thể dùng thay thế cho class HinhChuNhat

Những vi phạm về nguyên lý LSP

• Các lớp dẫn xuất có các phương thức ghi đè phương thức của lớp cha nhưng với chức năng hoàn toàn khác.
• Các lớp dẫn xuất có phương thức ghi đè phương thức của lớp cha là một phương thức rỗng.
• Các phương thức bắt buộc kế thừa từ lớp cha ở lớp dẫn xuất nhưng không được sử dụng.
• Phát sinh ngoại lệ trong phương thức của lớp dẫn xuất.

Đây là nguyên lý… dễ bị vi phạm nhất, nguyên nhân chủ yếu là do sự thiếu kinh nghiệm khi thiết kế class. Thuông thường, design các class dựa theo đời thật: hình vuông là hình chữ nhật, file nào cũng là file. Tuy nhiên, không thể bê nguyên văn mối quan hệ này vào code. Hãy nhớ 1 điều:

• Trong thực tế, A là B (hình vuông là hình chữ nhật) không có nghĩa là class A nên kế thừa class B. Chỉ cho class A kế thừa class B khi class A thay thế được cho class B.
• Nguyên lý này ẩn giấu trong hầu hết mọi đoạn code, giúp cho code linh hoạt và ổn định mà ta không hề hay biết. Ví dụ như trong Java, ta có thể chạy hàm foreach với List, ArrayList, LinkedList bởi vì chúng cùng kế thừa interface Iterable. Các class List, ArrayList, … đã được thiết kế đúng LSP, chúng có thể thay thế cho Iterable mà không làm hỏng tính đúng đắn của chương trình.

Theo đó, để sửa vấn đề hình vuông – hình chữ nhật trên, ta nên để chúng cùng kế thừa một class Shape như sau

Lúc này việc set các chiều cao và chiều rộng thì chỉ class con mới có, và không vi phạm nguyên tắc LSP.

Việc thiết kế áp dụng theo nguyên tắc LSP giúp chúng ta giảm bớt quá lạm dụng việc kế thừa trong class. Ý nghĩa của các chức năng không được thay đổi để có thể sử dụng ở nhiều phạm vi khác nhau hơn.

Nguyên tắc 4: Interface segregation principle – Nguyên tắc chia nhỏ

Nguyên tắc này được phát biểu như sau:

Thay vì dùng 1 interface lớn, ta nên tách thành nhiều interface nhỏ, với nhiều mục đích cụ thể.

Many client-specific interfaces are better than one general-purpose interface.

Theo nguyên tắc ISP, một class con khi implement các interface thì không nên bị bắt buộc implement các phương thức mà mình không sử dụng bao giờ. Theo cách hiểu trên, nguyên tắc này sẽ ưu tiên việc chia nhỏ các interface ra thành các phương thức sử dụng cho các mục đích đặc thù hơn, tránh sử dụng cả một interface lớn.

Hay nói một cách khác, khi ta implement một interface trong 1 class, mà có 1 vài phương thức mình cứ phải kế thừa dù cũng không cần thiết không phải một cách hay. Ngắn gọn là: Không một client nào nên bị bắt buộc phải kế thừa một phương thức nào đó mà nó không dùng

Hãy tưởng tượng chúng ta có 1 interface lớn, khoảng 100 methods. Việc implements sẽ khá cực khổ, ngoài ra còn có thể dư thừa vì 1 class không cần dùng hết 100 method. Khi tách interface ra thành nhiều interface nhỏ, gồm các method liên quan tới nhau, việc implement và quản lý sẽ dễ hơn.

Như vậy, việc class Bike implement interface Vehicle khiến class Bike phải viết lại cả hàm openDoor() mở cửa, dù xe đạp thì không có cửa, và thường thì ta sẽ phải để nó rỗng. Như vậy khiến code bị dư thừa và nếu mở rộng ra thì các class con ngày càng bị phình to, khó bảo trì hơn

• Việc áp dụng nguyên tắc trên giúp code dễ đọc và dễ quản lí bảo trì hơn. Giảm bớt code dư thừa và chỉ phải viết các phương thức cần thiết.

Nguyên tắc 5: Dependency inversion principle – Nguyên tắc đảo ngược phụ thuộc

Lấy ví dụ:

Như ta thấy, các thiết bị như tai nghe dùng cổng 3.5mm, điện thoại Android dùng dây sạc TypeC, điện thoại IOS dùng dây sạc Lightning, cổng cắm của Camera cũng khác, …

Vậy khi ta làm dây sạc, dây kết nối cho các máy này. Ta có chọn trước là nó sẽ dùng cho thiết bị nào không? Rõ ràng là không, các dây sạc này (các module cấp thấp) không quy định là nó dùng cho module cấp cao nào, mà chính các thiết bị như máy ảnh, điện thoại, tai nghe mới quy định nó dùng module cấp thấp nào.

Nguyên tắc này được phát biểu như sau:

1. Các module cấp cao không nên phụ thuộc vào các modules cấp thấp. Cả 2 nên phụ thuộc vào abstraction.
2. Interface (abstraction) không nên phụ thuộc vào chi tiết, mà ngược lại. ( Các class giao tiếp với nhau thông qua interface, không phải thông qua implementation.)

1. High-level modules should not depend on low-level modules. Both should depend on abstractions.
2. Abstractions should not depend upon details. Details should depend upon abstractions.

Ví dụ, ta đang thiết kế một hệ thống thanh toán bằng ngân hàng như sau:

Ví dụ lúc này, ta cần thêm phương thức thanh toán bằng tiền mặt, cần có thêm một số tham số thì sao?

Ta thấy lúc này ta lại phải sửa đổi ở module cấp cao (highlevel module) là CuaHang, thêm if else để xử lí phương thức mới, mà sau này, nếu thêm các phương thức mới nữa, ta lại cứ phải thêm rất nhiều if else vào cái class lớn này.

Nó đã vi phạm 2 nguyên tắc là nguyên tắc (Nguyên tắc đảo ngược phụ thuộc) vì một class level cao hơn lại khai báo các chi tiết của class level bé hơn, hơn nữa lại còn sai về (Nguyên tắc một chức năng) vì đã khai báo nhiều chức năng hơn trong class lớn. Đúng ra class lớn chỉ nên thực hiện thanh toán thôi, còn cụ thể thanh toán thế nào thì phải là class khác.

Áp dụng nguyên tắc Dependency inversion principle – Nguyên tắc đảo ngược phụ thuộc

Lúc này các module cấp cao high-level là CuaHang đã có một interface ở giữa là PhuongThucThanhToan với các chức năng của các lớp cấp thấp (low-level module) như ThanhToanTienMat, ThanhToanNganHang. Ta đã đảo ngược sự phụ thuộc.

Như vậy, khi ta muốn thêm các lớp thanh toán khác như PayPal, Thẻ tín dụng, ví điện tử,…. Ta chỉ cần viết thêm các class con khác kế thừa từ interface PhuongThucThanhToan, chứ không cần động gì vào các code cũ này nữa.

• Code có thể tái sử dụng
• Code dễ dàng quản lí hơn
• Chia nhỏ các phần giúp việc test đơn giản hơn
• Giảm bớt việc lỗi khi động vào các class cao hơn.

Tài liệu tham khảo:

• https://gpcoder.com/4200-cac-nguyen-ly-thiet-ke-huong-doi-tuong/
• https://www.interviewbit.com/blog/solid-principles-java/
• https://stg-tud.github.io/sedc/Lecture/ws13-14/3.3-LSP.html#mode=document
• https://www.codeproject.com/Articles/538536/A-curry-of-Dependency-Inversion-Principle-DIP-Inve