第 五 章 信息隐藏(和泄漏)

第四章认为模块应该很深。本章及随后的其他章节讨论了创建深层模块的技术。

5.1 信息隐藏

实现深层模块最重要的技术是信息隐藏。该技术最早由 David Parnas1 描述。基本思想是每个模块应封装一些知识，这些知识代表设计决策。该知识嵌入在模块的实现中，但不会出现在其界面中，因此其他模块不可见。

隐藏在模块中的信息通常包含有关如何实现某种机制的详细信息。以下是一些可能隐藏在模块中的信息示例：

• 如何在 B 树中存储信息，以及如何有效地访问它。
• 如何识别与文件中每个逻辑块相对应的物理磁盘块。
• 如何实现 TCP 网络协议。
• 如何在多核处理器上调度线程。
• 如何解析 JSON 文档。

隐藏的信息包括与该机制有关的数据结构和算法。它还可以包含较低级别的详细信息（例如页面大小），还可以包含更抽象的较高级别的概念，例如大多数文件较小的假设。

信息隐藏在两个方面降低了复杂性。首先，它将接口简化为模块。接口反映了模块功能的更简单、更抽象的视图，并隐藏了细节;这减少了使用该模块的开发人员的认知负担。例如，使用 B-tree 类的开发人员不需要考虑树中节点的理想扇出，也不需要考虑如何保持树的平衡。其次，信息隐藏使系统更容易演化。如果隐藏了一段信息，那么在包含该信息的模块之外就不存在对该信息的依赖，因此与该信息相关的设计更改将只影响一个模块。例如，如果 TCP 协议发生了变化(例如，为了引入一种新的拥塞控制机制)，协议的实现就必须进行修改，但是在使用 TCP 发送和接收数据的高级代码中不需要进行任何修改。

设计新模块时，应仔细考虑可以在该模块中隐藏哪些信息。如果您可以隐藏更多信息，则还应该能够简化模块的界面，这会使模块更深。

注意：通过声明变量和方法为私有来隐藏类中的变量和方法与信息隐藏不是同一回事。私有元素可以帮助隐藏信息，因为它们使无法从类外部直接访问项目。但是，有关私人物品的信息仍可以通过公共方法（如 getter 和 setter 方法）公开。发生这种情况时，变量的性质和用法就如同变量是公开的一样暴露。

信息隐藏的最佳形式是将信息完全隐藏在模块中，从而使该信息对模块的用户无关且不可见。但是，部分信息隐藏也具有价值。例如，如果某个类的某些用户仅需要特定的功能或信息，并且可以通过单独的方法对其进行访问，以使其在最常见的用例中不可见，则该信息通常会被隐藏。与类的每个用户可见的信息相比，此类信息将创建更少的依赖项。

5.2 信息泄漏

信息隐藏的反面是信息泄漏。当一个设计决策反映在多个模块中时，就会发生信息泄漏。这在模块之间创建了依赖关系：对该设计决策的任何更改都将要求对所有涉及的模块进行更改。如果一条信息反映在模块的界面中，则根据定义，该信息已经泄漏；因此，更简单的界面往往与更好的信息隐藏相关。但是，即使信息未出现在模块的界面中，也可能会泄漏信息。假设两个类都具有特定文件格式的知识（也许一个类读取该格式的文件，而另一个类写入它们）。即使两个类都不在其接口中公开该信息，它们都取决于文件格式：如果格式更改，则两个类都将需要修改。

信息泄漏是软件设计中最重要的危险信号之一。作为一个软件设计师，你能学到的最好的技能之一就是对信息泄露的高度敏感性。如果您在类之间遇到信息泄漏，请自问“我如何才能重新组织这些类，使这些特定的知识只影响一个类?”如果受影响的类相对较小，并且与泄漏的信息紧密相关，那么将它们合并到一个类中是有意义的。另一种可能的方法是从所有受影响的类中提取信息，并创建一个只封装这些信息的新类。但是，这种方法只有在您能够找到一个从细节中抽象出来的简单接口时才有效;如果新类通过其接口公开了大部分知识，那么它就不会提供太多的价值(您只是用通过接口的泄漏替换了后门泄漏)。

当在多个地方使用相同的知识时，例如两个都理解特定类型文件格式的不同类，就会发生信息泄漏。

5.3 时间分解

信息泄漏的一个常见原因是我称为时间分解的设计风格。在时间分解中，系统的结构对应于操作将发生的时间顺序。考虑一个应用程序，该应用程序以特定格式读取文件，修改文件内容，然后再次将文件写出。通过时间分解，该应用程序可以分为三类：一类用于读取文件，另一类用于执行修改，第三类用于写出新版本。文件读取和文件写入步骤都具有有关文件格式的知识，这会导致信息泄漏。解决方案是将用于读写文件的核心机制结合到一个类中。该类将在应用程序的读取和写入阶段使用。很容易陷入时间分解的陷阱，因为在编写代码时通常会想到必须执行操作的顺序。但是，大多数设计决策会在应用程序的整个生命周期中的多个不同时刻表现出来。结果，时间分解常常导致信息泄漏。

顺序通常很重要，因此它将反映在应用程序中的某个位置。但是，除非该结构与信息隐藏保持一致（也许不同阶段使用完全不同的信息），否则不应将其反映在模块结构中。在设计模块时，应专注于执行每个任务所需的知识，而不是任务发生的顺序。

在时间分解中，执行顺序反映在代码结构中：在不同时间发生的操作在不同的方法或类中。如果在执行的不同点使用相同的知识，则会在多个位置对其进行编码，从而导致信息泄漏。

5.4 HTTP server 示例：HTTP 服务器

为了说明信息隐藏中的问题，让我们考虑由学生在软件设计课程中实现 HTTP 协议的设计决策。看到他们做得好的事情以及遇到问题的地方都是很有用的。

HTTP 是 Web 浏览器用来与 Web 服务器通信的机制。当用户单击 Web 浏览器中的链接或提交表单时，浏览器使用 HTTP 通过网络将请求发送到 Web 服务器。服务器处理完请求后，会将响应发送回浏览器。该响应通常包含要显示的新网页。HTTP 协议指定了请求和响应的格式，两者均以文本形式表示。图 5.1 显示了描述表单提交的 HTTP 请求示例。要求课程中的学生实施一门或多门课程，以使 Web 服务器可以轻松地接收传入的 HTTP 请求并发送响应。 图 5.1：HTTP 协议中的 POST 请求包含通过 TCP 套接字发送的文本。每个请求都包含一个初始行，一个由空行终止的标头集合以及一个可选主体。初始行包含请求类型（POST 用于提交表单数据），指示操作（/注释/创建）和可选参数的 URL（photo_id 的值为 246）以及发送者使用的 HTTP 协议版本。每个标题行由一个名称（例如 Content-Length）及其后的值组成。对于此请求，正文包含其他参数（注释和优先级）。

5.5 示例：太多的类

学生最常犯的错误是将他们的代码分成大量的浅层类，这导致了类之间的信息泄漏。一个团队使用两种不同的类来接收 HTTP 请求。第一类将来自网络连接的请求读取为字符串，第二类将字符串解析。这是时间分解的一个示例（“首先读取请求，然后解析它”）。发生信息泄漏是因为无法解析大量消息就无法读取 HTTP 请求。例如，Content-Length 标头指定了请求主体的长度，因此必须对标头进行解析才能计算总请求长度。结果，这两个类都需要了解 HTTP 请求的大多数结构，并且解析代码在两个类中都是重复的。

由于这些类共享大量信息，因此最好将它们合并为一个同时处理请求读取和解析的类。由于它将请求格式的所有知识隔离在一个类中，因此它提供了更好的信息隐藏，并且还为调用者提供了一个更简单的接口（只是一种调用方法）。

此示例说明了软件设计中的一般主题：通常可以通过使类稍大一些来改善信息隐藏。这样做的一个原因是将与特定功能相关的所有代码（例如，解析 HTTP 请求）组合在一起，以便生成的类包含与该功能相关的所有内容。增加类大小的第二个原因是提高接口的级别。例如，与其为计算的三个步骤中的每一个步骤使用单独的方法，不如使用一种方法来执行整个计算。这样可以简化界面。这两个优点都适用于上一段的示例：组合类将与解析 HTTP 请求相关的所有代码组合在一起，并且用一个替换了两个外部可见的方法。

当然，可以将较大的类的概念考虑得太远（例如整个应用程序的单个类）。第 9 章将讨论将代码分成多个较小的类的合理条件。

5.6 示例：HTTP 参数处理

服务器收到 HTTP 请求后，服务器需要访问该请求中的某些信息。图 5.1 中处理请求的代码可能需要知道 photo_id 参数的值。参数可以在请求的第一行中指定（图 5.1 中的 photo_id），有时也可以在正文中指定（图 5.1 中的注释和优先级）。每个参数都有一个名称和一个值。参数的值使用一种称为 URL 编码的特殊编码。例如，在图 5.1 中的注释值中，“ +”代表空格字符，“％21”代替“！”。为了处理请求，服务器将需要某些参数的值，并且希望它们采用未编码的形式。

关于参数处理，大多数学生项目都做出了两个不错的选择。首先，他们认识到服务器应用程序不在乎是否在标题行或请求的正文中指定了参数，因此他们对调用者隐藏了这种区别，并将两个位置的参数合并在一起。其次，他们隐藏了 URL 编码的知识：HTTP 解析器在将参数值返回到 Web 服务器之前先对其进行解码，以便图 5.1 中的 comment 参数的值将返回 “What a cute baby!”，而不是 “What+a+cute+baby%21”）。在这两种情况下，信息隐藏都使使用 HTTP 模块的代码的 API 更加简单。

但是，大多数学生使用的界面返回的参数太浅，这导致丢失信息隐藏的机会。大多数项目使用 HTTPRequest 类型的对象来保存已解析的 HTTP 请求，并且 HTTPRequest 类具有一种类似于以下方法的单个方法来返回参数：

public Map<String, String> getParams() {
    return this.params;
}

该方法不是返回单个参数，而是返回内部用于存储所有参数的映射的引用。这个方法是浅层的，它公开了 HTTPRequest 类用来存储参数的内部表示。对该表示的任何更改都将导致接口的更改，这将需要对所有调用者进行修改。在修改实现时，更改通常涉及关键数据结构表示的更改(例如，为了提高性能)。因此，尽量避免暴露内部数据结构是很重要的。这种方法还为调用者提供了更多的工作:调用者必须首先调用 getParams，然后必须调用另一个方法来从映射中检索特定的参数。最后，调用者必须意识到他们不应该修改 getParams 返回的映射，因为这会影响 HTTPRequest 的内部状态。

这是一个用于检索参数值的更好的接口：

public String getParameter(String name) { ... }

public int getIntParameter(String name) { ... }

getParameter 以字符串形式返回参数值。它提供了一个比上面的 getParams 更深的接口；更重要的是，它隐藏了参数的内部表示。getIntParameter 将参数的值从 HTTP 请求中的字符串形式转换为整数（例如，图 5.1 中的 photo_id 参数）。这使调用者不必单独请求字符串到整数的转换，并且对调用者隐藏了该机制。如果需要，可以定义其他数据类型的其他方法，例如 getDoubleParameter。（如果所需的参数不存在，或者无法将其转换为所请求的类型，则所有这些方法都将引发异常；上面的代码中省略了异常声明）。

5.7 示例：HTTP 响应中的默认值

HTTP 项目还必须提供对生成 HTTP 响应的支持。学生在该领域中最常见的错误是默认值不足。每个 HTTP 响应必须指定一个 HTTP 协议版本。一个团队要求呼叫者在创建响应对象时明确指定此版本。但是，响应版本必须与请求对象中的版本相对应，并且在发送响应时必须已将请求作为参数传递（它指示将响应发送到何处）。因此，HTTP 类自动提供响应版本更为有意义。调用者不太可能知道要指定哪个版本，并且如果调用者确实指定了一个值，则可能导致 HTTP 库和调用者之间的信息泄漏。HTTP 响应还包括一个 Date 标头，用于指定发送响应的时间；HTTP 库也应该为此提供一个合理的默认值。

HTTP 项目还必须提供对生成 HTTP 响应的支持。学生在该领域中最常见的错误是默认值不足。每个 HTTP 响应必须指定一个 HTTP 协议版本。一个团队要求呼叫者在创建响应对象时明确指定此版本。但是，响应版本必须与请求对象中的版本相对应，并且在发送响应时必须已将请求作为参数传递（它指示将响应发送到何处）。因此，HTTP 类自动提供响应版本更为有意义。调用者不太可能知道要指定哪个版本，并且如果调用者确实指定了一个值，则可能导致 HTTP 库和调用者之间的信息泄漏。HTTP 响应还包括一个 Date 标头，用于指定发送响应的时间；HTTP 库也应该为此提供一个合理的默认值。

只要有可能，类就应该“做正确的事”，而无需明确要求。默认值就是一个例子。第 26 页上的 Java I/O 示例以负面方式说明了这一点。普遍希望在文件 I/O 中缓冲，以至于没有人需要明确要求它，甚至不知道它的存在。I/O 类应该做正确的事情并自动提供它。最好的功能是您甚至不知道它们存在的功能。

如果常用功能的 API 迫使用户了解很少使用的其他功能，则这会增加不需要很少使用功能的用户的认知负担

5.8 信息隐藏在类中

本章中的示例着重于信息隐藏，因为它与类的外部可见 API 有关，但是信息隐藏也可以应用于系统中的其他级别，例如类内。尝试在一个类中设计私有方法，以便每个方法都封装一些信息或功能，并将其隐藏在类的其余部分中。此外，请尽量减少使用每个实例变量的位置数量。有些变量可能需要在整个类中广泛使用，但是其他变量可能只需要在少数地方使用；如果可以减少使用变量的位置的数量，则将消除类内的依赖关系并降低其复杂性

5.9 走得太远

仅当在其模块外部不需要隐藏信息时，隐藏信息才有意义。如果模块外部需要该信息，则不得隐藏它。假设模块的性能受某些配置参数的影响，并且模块的不同用途将需要对参数进行不同的设置。在这种情况下，将参数暴露在模块的界面中很重要，以便可以对其进行适当的旋转。作为软件设计师，您的目标应该是最大程度地减少模块外部所需的信息量。例如，如果模块可以自动调整其配置，那将比公开配置参数更好。但是，重要的是要识别模块外部需要哪些信息，并确保将其公开

5.10 结论

信息隐藏和深层模块密切相关。如果模块隐藏了很多信息，则往往会增加模块提供的功能，同时还会减少其接口。这使模块更深。相反，如果一个模块没有隐藏太多信息，则它要么功能不多，要么接口复杂。无论哪种方式，模块都是浅的。

将系统分解为模块时，请尽量不要受运行时操作顺序的影响。这将使您沿着时间分解的路径前进，这将导致信息泄漏和模块浅。相反，请考虑执行应用程序任务所需的不同知识，并设计每个模块以封装这些知识中的一个或几个。这将产生带有深色模块的干净简单的设计。