需求

leetcode 上有一道關(guān)于強(qiáng)密碼校驗(yàn)器的練習(xí)題，如下所述：

一個(gè)強(qiáng)密碼應(yīng)滿足以下所有條件：

• 由至少6個(gè)气笙，至多20個(gè)字符組成祸轮。
• 至少包含一個(gè)小寫字母黔姜，一個(gè)大寫字母，和一個(gè)數(shù)字晦款。
• 同一字符不能連續(xù)出現(xiàn)三次 (比如 "...aaa..." 是不允許的, 但是 "...aa...a..." 是可以的)贷洲。

編寫函數(shù) strongPasswordChecker(s)筒饰，s 代表輸入字符串，如果 s 已經(jīng)符合強(qiáng)密碼條件，則返回0骂际；否則返回要將 s 修改為滿足強(qiáng)密碼條件的字符串所需要進(jìn)行修改的最小步數(shù)（插入疗琉、刪除、替換任一字符都算作一次修改）歉铝。

需求分析

需求中有兩個(gè)要點(diǎn)：

• 強(qiáng)密碼考慮了三個(gè)維度：長度盈简、連續(xù)性、字符種類
• 允許使用三種修改方法：插入犯戏、刪除送火、替換

我們下面使用表格來分析一下這幾種修改方法對(duì)這幾個(gè)緯度的影響：

說明如下：

• 修改長度：對(duì)長度的修改是確定的（長了就刪除，短了就插入）先匪，但是要注意插入和刪除也會(huì)修改連續(xù)性和字符種類种吸，所以要先讓密碼滿足長度的要求，然后使用替換來改進(jìn)連續(xù)性和字符種類
• 修改字符種類：在修改長度和修改連續(xù)性后呀非，如果字符種類還不是3坚俗，則應(yīng)該通過替換增加字符種類
• 修改連續(xù)性：對(duì)于插入來說，密碼長度肯定小于6岸裙，那么只可能有一個(gè)連續(xù)性字符子串（3<=子串長度<=5）猖败，而插入一個(gè)字符會(huì)使得該子串長度減2，這時(shí)要么已沒有連續(xù)性字符子串降允，要么還有一個(gè)長度為3的連續(xù)性字符子串（再做一次替換即可）恩闻；對(duì)于刪除來說，密碼長度肯定大于20剧董，那么連續(xù)性字符子串可能有多個(gè)幢尚，這時(shí)應(yīng)該選擇子串長度模3的值最小的子串，然后將該子串長度減1

軟件設(shè)計(jì)

組合式設(shè)計(jì)概述

七巧板翅楼，是大家熟知的一種源自中國的古老智力游戲：

七巧板.png

由這么七塊簡單的小素材尉剩，可以拼出變化無窮的圖案，受限的只是你的想象力：

靈活的七巧板組合形狀.png

這個(gè)簡單的游戲毅臊，蘊(yùn)含這一種極具價(jià)值的設(shè)計(jì)思想：組合理茎。

基本語義規(guī)則都是小素材，基本語義規(guī)則通過組合形成新的對(duì)用戶有價(jià)值的語義規(guī)則就是圖案管嬉。對(duì)于強(qiáng)密碼校驗(yàn)器這個(gè)需求來說皂林，要實(shí)踐組合式設(shè)計(jì)，首先要拆出小素材宠蚂，然后再將小素材層層組合成強(qiáng)密碼校驗(yàn)器圖案式撼。其實(shí)，軟件設(shè)計(jì)就是一門研究系統(tǒng)“如何分”和“怎么合”的學(xué)問求厕，目的是為了在讓軟件在長期范圍內(nèi)容易應(yīng)對(duì)變化著隆，而組合式設(shè)計(jì)就是將系統(tǒng)正交拆分且低成本組合的最佳軟件設(shè)計(jì)實(shí)踐扰楼。

于是，問題來了美浦，系統(tǒng)究竟該如何分弦赖？在回答這個(gè)問題之前，我們先看看什么是好的軟件設(shè)計(jì)浦辨。

我們?cè)谲浖_發(fā)中蹬竖，經(jīng)常隨口就說簡單設(shè)計(jì)，但簡單設(shè)計(jì)不是一句語義模糊的無法評(píng)判的空洞口號(hào)流酬，而是具有明確的衡量標(biāo)尺币厕。
關(guān)于這個(gè)標(biāo)尺的定義，Kent Beck 給出了清晰的答案：

• 通過所有測(cè)試（Passes all tests）
• 盡可能消除重復(fù) (Minimizes duplication)
• 盡可能清晰表達(dá) (Maximizes clarity)
• 更少代碼元素 (Has fewer elements)

以上四個(gè)原則的重要程度依次降低芽腾。

這就是簡單設(shè)計(jì)四原則旦装，只有第四條強(qiáng)調(diào)簡單，其他三條分別從需求摊滔、易修改性和可理解性方面對(duì)簡單進(jìn)行了約束：

• 你不能為了簡單而不去實(shí)現(xiàn)客戶需求
• 你不能為了簡單而不去消除重復(fù)
• 你不能為了簡單而不注重清晰表達(dá)

固然前面三條的價(jià)值比簡單這個(gè)價(jià)值更重要阴绢，但是簡單也同樣會(huì)約束前面三條：

• 為了簡單，不要實(shí)現(xiàn)客戶暫時(shí)還用不到的需求
• 為了簡單艰躺，不要在變化方向未出現(xiàn)之前就對(duì)類進(jìn)行額外的抽象
• 為了簡單呻袭，不要增加額外的代碼元素，除非能增強(qiáng)表達(dá)力

我們?cè)诠ぷ髦袘?yīng)按照需求腺兴、易修改性左电、可理解性和復(fù)雜度這四個(gè)緯度的重要程度由高到底對(duì)任務(wù)進(jìn)行排序。比如页响，我們重構(gòu)時(shí)券腔，先消除重復(fù)，然后再增強(qiáng)代碼的表達(dá)力拘泞。

如果一個(gè)軟件設(shè)計(jì)滿足簡單設(shè)計(jì)四原則的要求，我們就說這個(gè)軟件設(shè)計(jì)是好的軟件設(shè)計(jì)枕扫。

為了讓簡單設(shè)計(jì)四原則中的第二條（盡可能消除重復(fù)）的達(dá)成有章可循陪腌，袁英杰大師提出了正交設(shè)計(jì)四原則：

• 消除重復(fù)
• 分離不同的變化方向
• 縮小依賴范圍
• 向著穩(wěn)定的方向依賴

第一條是重復(fù)出現(xiàn)之后被動(dòng)的消除重復(fù)，而后面三條是重復(fù)出現(xiàn)之前的主動(dòng)預(yù)防策略烟瞧。同時(shí)诗鸭，前面兩條是為了驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)向高內(nèi)聚方向演進(jìn)，后面兩條是為了驅(qū)動(dòng)模塊間向低耦合方向演進(jìn)参滴。

于是强岸，我們給出組合式設(shè)計(jì)的定義：應(yīng)用正交設(shè)計(jì)四原則，將系統(tǒng)分解成很多單一職責(zé)的小類或函數(shù)（函數(shù)式）砾赔，然后再將它們根據(jù)需要而靈活的組合起來蝌箍。

對(duì)于組合手段來說青灼，最常見且通用的手段是依賴注入，其他手段與編程語言相關(guān)妓盲，比如 C++ 可以使用多重繼承來實(shí)現(xiàn)組合杂拨。

語義模型

我們對(duì)強(qiáng)密碼校驗(yàn)器這個(gè)需求的通用語言進(jìn)行一下梳理：

1. 強(qiáng)密碼考慮了三個(gè)緯度：長度記作 len，連續(xù)性記作 cont悯衬，字符種類記作 types弹沽；
2. 允許使用三種修改方法：插入記作 insert，刪除記作 delete筋粗，替換記作 replace策橘；
3. 原子操作記作 atom，需求中有四個(gè)原子操作娜亿，分別為密碼長度小于 6 的操作 len_less_than_atom丽已， 密碼長度大于 20 的操作，len_more_than_atom暇唾， 字符種類小于 3 的操作 types_atom促脉，同一個(gè)字符連續(xù)出現(xiàn) 3 次的操作 cont_atom
4. 每個(gè)原子操作 atom 包含兩部分，即匹配器和執(zhí)行器二元組策州，記作(matcher, action)瘸味，那么針對(duì)四個(gè)原子操作，就有(len_less_than_matcher, insert_action)够挂、(len_more_than_matcher, delete_action)旁仿、 (types_matcher, replace_action) 和 (cont_matcher, replace_action)
5. 需求中有多個(gè)規(guī)則 rule，atom 是最基本的 rule孽糖，repeat（多次執(zhí)行） 是修飾語義的 rule枯冈，allof （“與”的關(guān)系）和 anyof（“或”的關(guān)系）是組合語義的 rule，rule 通過組合可以產(chǎn)生新 rule

我們使用統(tǒng)一語言形式化表達(dá)一下需求：

password = newPassword(s)
len_less_than_atom_rule = atom(len_less_than_matcher, insert_action)
len_more_than_atom_rule = atom(len_more_than_matcher, delete_action)
types_atom_rule = atom(types_matcher, replace_action)
cont_atom_rule = atom(cont_matcher, replace_action)

len_rule = anyof(repeat(len_less_than_atom_rule), repeat(len_more_than_atom_rule))
types_rule = repeat(types_atom_rule)
cont_rule = repeat(cont_atom_rule)

rule = allof(len_rule, types_rule, cont_rule)
steps = rule(password)

從上面的形式化描述办悟，可以很容易的得到強(qiáng)密碼校驗(yàn)器的語義模型：

rule: Password -> int
matcher: Password -> bool
action: Password -> int

rule 的幾種形態(tài)：

rule: atom | repeat | allof | anyof

我們用類圖表達(dá)一下強(qiáng)密碼校驗(yàn)器的組合式設(shè)計(jì)：

rule.png

matcher-action.png

我們?cè)儆帽砀駚肀磉_(dá)一下 Rule 的分類：

軟件實(shí)現(xiàn)

在《聊聊編程范式》一文中尘奏，我們梳闡述了常見的三種編程范式（結(jié)構(gòu)化編程、面向?qū)ο缶幊毯秃瘮?shù)式）的基本設(shè)計(jì)和架構(gòu)風(fēng)格病蛉，梳理了編程范式之間的關(guān)系炫加。

從結(jié)構(gòu)化編程到面向?qū)ο缶幊蹋俚胶瘮?shù)式編程铺然，離圖靈機(jī)模型越來越遠(yuǎn)俗孝，但抽象程度越來越高，與領(lǐng)域問題的距離越來越近魄健。

對(duì)于組合式設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)赋铝，我們既可以選擇面向?qū)ο缶幊蹋部梢赃x擇函數(shù)式編程沽瘦。函數(shù)式編程更抽象一些革骨，但代碼更簡潔农尖；面向?qū)ο缶幊滩糠执a稍顯繁雜，但相對(duì)來說易于理解苛蒲。本文選擇以函數(shù)式編程為例來實(shí)踐組合式設(shè)計(jì)卤橄，讀者可以自行使用面向?qū)ο缶幊虂韲L試一下，大同小異臂外。

API 實(shí)現(xiàn)

需求中給出了 API 的定義：

strongPasswordChecker(s)

Golang 代碼的實(shí)現(xiàn)如下：與統(tǒng)一語言的形式化表達(dá)基本一樣

func StrongPasswordChecker(s string) int {
    password := newPassword(s)

    len_less_than_atom_rule := atom(len_less_than_matcher, insert_action)
    len_more_than_atom_rule := atom(len_more_than_matcher, delete_action)
    types_atom_rule := atom(types_matcher, replace_action)
    cont_atom_rule := atom(cont_matcher, replace_action)

    len_rule := anyof(repeat(len_less_than_atom_rule), repeat(len_more_than_atom_rule))
    types_rule := repeat(types_atom_rule)
    cont_rule := repeat(cont_atom_rule)

    rule := allof(len_rule, types_rule, cont_rule)
    steps := rule(password)
    return steps
}

函數(shù)式設(shè)計(jì)的基本方法為：借助閉包的單一接口的標(biāo)準(zhǔn)化和高階函數(shù)的可組合性窟扑，通過規(guī)則串聯(lián)設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)從源到結(jié)果的映射描述漏健。這里的映射是通過多個(gè)高階函數(shù)的形式化組合完成嚎货，描述就像寫數(shù)學(xué)公式一樣放在那，等源數(shù)據(jù)從一頭傳入蔫浆，然后經(jīng)過層層函數(shù)公式的處理殖属，最后變成你想要的結(jié)果。數(shù)據(jù)在形式化轉(zhuǎn)移的過程中瓦盛，不僅僅包括數(shù)據(jù)本身洗显，還包括規(guī)則的創(chuàng)建、返回和傳遞原环。

數(shù)據(jù)（對(duì)象）實(shí)現(xiàn)

我們下面看看數(shù)據(jù)本身 Password 的設(shè)計(jì)挠唆，該數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式是一個(gè)對(duì)象。

Password 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

type Password struct {
    initialStr   string
    Len          int
    Steps        int
    TypesNum     int
    hasDigital   bool
    hasLowerCase bool
    hasUpperCase bool
    contNumbers []*ContNumber
}

type ContNumber struct {
    initialChar  byte
    initialIndex int
    times        int
}

Password 結(jié)構(gòu)中包括了密碼字符串的原始信息嘱吗、預(yù)處理信息和改造過程中的信息玄组。密碼中可能包括多個(gè)連續(xù)性字符組成的數(shù)，我們通過 []*ContNumber 來表示谒麦。

Password 對(duì)象的構(gòu)造

func newPassword(s string) *Password {
    pwd := &Password{initialStr: s, Len: len(s), Steps: 0, TypesNum: 0,
        contNumbers: make([]*ContNumber, 0)}
    typesInit(pwd)
    contInit(pwd)
    return pwd
}

說明：共有三步

• 構(gòu)造 Password 數(shù)據(jù)俄讹，記錄密碼字符串 s 的初始值和長度
• 遍歷密碼字符串，初始化字符種類
• 遍歷密碼字符串绕德，初始化連續(xù)性數(shù)的數(shù)組

Password 對(duì)象的方法

下面這些方法都是在 TDD 的實(shí)踐過程中患膛，為了達(dá)成正交設(shè)計(jì)四原則的目標(biāo)，通過 extract 重構(gòu)手法逐步提煉出來的：

func (p *Password) increaseLen() {
    p.Len++
}

func (p *Password) decreaseLen() {
    p.Len--
}

func (p *Password) increaseSteps() {
    p.Steps++
}

func (p *Password) increaseTypesNum() {
    if p.TypesNum < maxTypesNum {
        p.TypesNum++
    }
}

func (p *Password) consumeContNumber(quota int) {
    ...
}

func (p *Password) consumeContNumberByPrio() {
    ...
}

rule 的實(shí)現(xiàn)

這一部分是組合式設(shè)計(jì)的核心耻蛇。

數(shù)據(jù)在形式化轉(zhuǎn)移過程中剩瓶，源數(shù)據(jù)是 Password，層層函數(shù)的輸入輸出數(shù)據(jù)都是 Password 城丧，同時(shí)目標(biāo)數(shù)據(jù)也是 Password 的 Steps 字段，所以我們使用 Password 指針類型來表達(dá)數(shù)據(jù)類型豌鹤。

rule 的抽象表達(dá)

我們知道亡哄，rule 包含兩部分，即匹配器和執(zhí)行器二元組：

type Matcher func(pwd *Password) bool
type Action func(pwd *Password) int
type Rule func(mather Matcher, action Action) func(pwd *Password) int

原子語義的實(shí)現(xiàn)

atom 的實(shí)現(xiàn)很簡單布疙，就是返回一個(gè)閉包：當(dāng)匹配器滿足時(shí)蚊惯，就返回執(zhí)行器的結(jié)果（steps）

func atom(matcher Matcher, action Action) func(pwd *Password) int {
    return func(pwd *Password) int {
        if matcher(pwd) {
            return action(pwd)
        }
        return 0
    }
}

原子語義的 rule 有四個(gè)愿卸，分別為 LenLessThanAtom、LenMoreThanAtom截型、TypesAtom 和 ContAtom趴荸，核心是設(shè)計(jì)它們的匹配器（4個(gè)）和執(zhí)行器（3個(gè)）。

匹配器實(shí)現(xiàn)：

func len_less_than_matcher(pwd *Password) bool {
    if pwd.Len < minLen {
        return true
    }
    return false
}

func len_more_than_matcher(pwd *Password) bool {
    if pwd.Len > maxLen {
        return true
    }
    return false
}

func types_matcher(pwd *Password) bool {
    if pwd.TypesNum < 3 {
        return true
    }
    return false
}

func cont_matcher(pwd *Password) bool {
    if len(pwd.contNumbers) > 0 {
        return true
    }
    return false
}

執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)：

func insert_action(pwd *Password) int {
    pwd.increaseLen()
    pwd.increaseTypesNum()
    pwd.consumeContNumber(2)
    pwd.increaseSteps()
    return pwd.Steps
}

func delete_action(pwd *Password) int {
    pwd.decreaseLen()
    pwd.consumeContNumberByPrio()
    pwd.increaseSteps()
    return pwd.Steps
}

func replace_action(pwd *Password) int {
    pwd.increaseTypesNum()
    pwd.consumeContNumber(3)
    pwd.increaseSteps()
    return pwd.Steps
}

修飾語義的實(shí)現(xiàn)

修飾語義的 rule （新）只有一個(gè)宦焦，即 repeat发钝，含義是重復(fù)執(zhí)行被修飾的 rule（舊），直到符合預(yù)期：

func repeat(rule func(pwd *Password) int) func(pwd *Password) int {
    return func(pwd *Password) int {
        for ;; {
            ret :=  rule(pwd)
            if ret == 0 {
                return pwd.Steps
            }
        }
    }
}

組合語義的實(shí)現(xiàn)

組合語義的 rule 有兩個(gè)波闹，即 allof 和 anyof酝豪，分別表達(dá)“與”的關(guān)系和“或”的關(guān)系：

func allof(rules... func(pwd *Password) int) func(pwd *Password) int {
    return func(pwd *Password) int {
        steps := 0
        for _, rule := range rules {
            pwd.Steps = 0
            steps += rule(pwd)
        }
        return steps
    }

}

func anyof(rules... func(pwd *Password) int) func(pwd *Password) int {
    return func(pwd *Password) int {
        steps := 0
        for _, rule := range rules {
            steps += rule(pwd)
            if steps > 0 {
                return steps
            }
        }
        return 0
    }
}

小結(jié)

本文概述了組合式設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并通過實(shí)戰(zhàn)強(qiáng)密碼校驗(yàn)器的案例精堕，向讀者展示了組合式設(shè)計(jì)落地的主要過程和步驟孵淘，希望對(duì)讀者有一定的收益。

如果說正交設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的皇冠歹篓，那么組合式設(shè)計(jì)就是皇冠上的明珠瘫证。應(yīng)用組合式設(shè)計(jì)產(chǎn)出的代碼擴(kuò)展性強(qiáng)且易于理解，你是否深有感觸庄撮？如果你也曾寫過或讀過強(qiáng)密碼校驗(yàn)器的實(shí)現(xiàn)代碼背捌，你都發(fā)現(xiàn)過哪些壞味道？歡迎大家留言探討重窟！

本文實(shí)戰(zhàn)過程中的源碼及 TDD 用例载萌，作者都放到 github 了：https://github.com/agiledragon/strong-password，感興趣的同學(xué)可以查閱巡扇。