前谷歌首席Java架构师谈如何设优秀的API

jopen 9年前

    随着近来软件规模的日益庞大,API 编程接口的设计变的越来越重要。良好的接口设计可以降低系统各部分之间的相互依赖,提高组成单元的内聚性,降低组成单元间的耦合度,从而提高系统的维护性和稳定性。

Joshua Bloch 是美国著名程序式设计师。他为 Java 平台设计并实现了许多的功能,是 Google 的首席 Java 架构师(Chief Java Architect)。他也是《Effective Java Programming Language Guide》一书的作者,就是人们常说的 Effective Java。本文翻译自 Joshua Bloch 所发表的一个 PPT:How to Design a Good API and Why it Matters

前谷歌首席Java架构师谈如何设优秀的API

随着大数据、公共平台等互联网技术的日益成熟,API 接口的重要性日益凸显,从公司的角度来看,API 可以算作是公司一笔巨大的资产,公共 API 可以捕获用户、为公司做出许多贡献。对于个人来说,只要你编程,你就是一个 API 设计者,因为好的代码即是模块——每个模块便是一个 API,而好的模块会被多次使用。此外,编写 API 还有利于开发者提高代码质量,提高自身的编码水平。

优秀 API 所具备的特征:

  • 简单易学;
  • 易于使用,即使没有文档;
  • 很难误用;
  • 易于阅读,代码易于维护;
  • 足够强大,可以满足需求;
  • 易于扩展;
  • 适合用户。

了解了一款优秀 API 所具备的特征后,一起再来看看如何设计优秀的 API,有哪些流程和规则可循,开发者在设计时需要注意哪些事项。

API 设计流程中的注意事项

征集需求

在开始之前,你可能会收到一些解决方案,它们不一定会比现有的方案好,而你的任务是以用例的形式提取真实需求,并制定真正合适的解决方案,这样构建出来的东西就会更加有价值。

从简短的说明开始

这时,编写简短的说明最为合适,编写时需要考虑的因素有:

  • 灵活性要远胜于完整性;
  • 跳出规则:听取意见并严阵以待;
  • 精炼短小才易修改;
  • 获得信任之后将其具体化,在此之中,编程很重要。

尽早编写 API

  • 对每一个实现进行保存,以防丢失;
  • 在开始之前,列出一些合理的规定,保存所写说明,以防丢失;
  • 继续编写和充实 API。

编写 SPI 尤为重要

  • Service Provider Interface 即服务提供商接口,插件服务支持多种实现,例如 Java Cryptography Extension (JCE);
  • 发布之前编写多个插件;
  • “三次原则”(“The Rule of Threes”):指的是当某个功能第三次出现时,才进行”抽象化”。

维护切实可行的期望

  • 大多数 API 设计都过于约束;
  • 对可能会犯的错误进行预计,要用发展的思维来编写 API。

API 设计原则

每个 API 接口应该只专注一件事,并做好:如果它很难命名,那么这或许是个不好的征兆,好的名称可以驱动开发、并且只需拆分与合并模块即可

  • API 应尽可能地轻小:满足需求、对有疑问的地方可以暂时不使用(函数、类、方法、参数等,你可以不添加,但千万不要删除)、概念性的东西比体积重要、寻找一个良好的动力体积比;
  • 实现不要影响 API:关注实现细节(不要迷惑用户、不要随便改变实现方式)、意识到具体的实现细节(不要有越权的方法行为,例如不要制订哈希函数、所有的调优参数都是可疑的);
  • 不要让实现细节“泄露”到 API(例如 on-disk 和 on-the-wire 格式等异常情况);
  • 最小化可访问:设计人员应尽量把类及成员设为私有,公共类不应该有公共字段(包括异常实例),最大限度地提高信息隐藏,允许模块可以被使用、理解、构建、测试和独立调试;
  • 命名问题:应该见名知意,避免含糊的缩写、对同一样东西的命名应该有个一致性的前缀(遍及整个平台 API)、讲究对称、代码应该易读。如下所示:
if (car.speed () > 2 * SPEED_LIMIT)   generateAlert ("Watch out for cops!");

重视文档

开发 API 时要意识到文档的重要性。组件重用不是纸上谈兵的东西,既需要好的设计,也需要优秀的文档,这二者缺一不可,即使我们看到了良好的设计而未见文档,那么组件重用也是不妥的。

——摘自 D. L. Parnas 在 1994 年第 16 届国际软件开发大会上的演讲内容

文档应包含每个类、接口、方法、构造函数、参数和异常,此外,还要小心对待文档的状态空间。

API 设计决策对性能的影响

  • API 设计决策对性能的影响是真实永久的;
  • 不好的决策会限制性能(类型易变、构造函数替代静态工厂、实现类型替代接口);
  • 不得打包 API 来提升性能(潜在的性能问题可能会得到修复,但救的了一时,救不了一世);
  • 良好的设计通常与好的性能是一致的。

API 与平台和平共处

  • 养成良好的习惯:遵守标准的命名约定、避免陈旧的参数和返回类型、核心 API 和语言的模仿模式;
  • 利用 API 的友好功能:泛型、可变参数、枚举、默认参数;
  • 了解和避免 API 陷阱和缺陷:Finalizers、公共静态 Final 数组。

API 中类的设计

最小化可变性

  • 最好不要随便改变类,除非有一个非常合理的理由;
  • 如果是可变类,最好保持很小的状态空间、定义良好的结构,因时制宜地去调用方法。

子类只存在有意义的地方

  • 子类具备可替代性(Liskov);
  • 公共类不应该继承其它公共类。

用于继承的设计和文档或者直接禁止继承(Design and Document for Inheritance or Else Prohibit it

  • 继承破坏封装
  • 如果你允许子类和文档自用,那么要考虑彼此该如何互相调用方法
  • 保守策略:把所有类都设置成 Final

API 中的方法设计

模块能做到的,客户端就不要做

减少模板代码的使用:

import org.w3c.dom.*;   import java.io.*;   import javax.xml.transform.*;   import javax.xml.transform.dom.*;   import javax.xml.transform.stream.*;   // DOM code to write an XML document to a specified output stream.   private static final void writeDoc (Document doc, OutputStream out)throws IOException{   try {   Transformer t = TransformerFactory.newInstance () .newTransformer ();   t.setOutputProperty (OutputKeys.DOCTYPE_SYSTEM, doc.getDoctype () .getSystemId ());   t.transform (new DOMSource (doc), new StreamResult (out));   } catch(TransformerException e) {   throw new AssertionError (e); // Can’t happen!   }   }

遵守最小惊讶原则

用户 API 只需根据需求来设计即可,不必让客户感到惊讶,小心弄巧成拙:

public class Thread implements Runnable {   // Tests whether current thread has been interrupted.   // Clears the interrupted status of current thread.   public static boolean interrupted ();   }

故障快速报告应尽快生成

  • 编译时最好是静态类型、泛型;
  • 方法里应该包含错误自动提交机制。
// A Properties instance maps strings to strings   public class Properties extends Hashtable {   public Object put (Object key, Object value);   // Throws ClassCastException if this properties   // contains any keys or values that are not strings   public void save (OutputStream out, String comments);   }

以 String 形式对所有可用数据提供编程式访问
public class Throwable {   public void printStackTrace (PrintStream s);   public StackTraceElement[] getStackTrace (); // Since 1.4  }  public final class StackTraceElement {   public String getFileName ();   public int getLineNumber ();   public String getClassName ();   public String getMethodName ();   public boolean isNativeMethod ();  }

方法重载要细心
  • 避免模棱两可的重载,例如多个重载适用于同一个实物
  • 即使你能分清,也最好不要这样做,最好起个不同的名字
  • 如果非要定义这种重载,相同的参数确保相同的行为
public TreeSet (Collection c); // Ignores order  public TreeSet (SortedSet s); // Respects order

使用合适的参数和返回类型

  • 通过类来支持接口类型输入
  • 尽可能地使用最特定的输入参数类型
  • 如果已经有一个更好的类型存在,就不要使用 string 类型
  • 不要用浮点型来修饰货币值
  • 使用 Double (64 位)而不要使用 Float (32 位)
  • 在方法上参数顺序要一致,尤其是参数类型相同时,则尤为重要
#include <string.h>   char *strcpy (char *dest, char *src);   void bcopy (void *src, void *dst, int n);

java.util.Collections – first parameter always collection to be modified or queried

java.util.concurrent – time always specified as long delay, TimeUnit unit

避免使用长参数列表

  • 三个或三个以内的参数是最完美的
  • 长参数列表是有害的,程序员容易出错,并且程序在编译、运行时会表现不好
  • 缩短参数的两种方法:Break up method、创建参数助手类

最好避免这种情况出现:

// Eleven parameters including four consecutive ints  HWND CreateWindow (LPCTSTR lpClassName, LPCTSTR lpWindowName,   DWORD dwStyle, int x, int y, int nWidth, int nHeight,   HWND hWndParent, HMENU hMenu, HINSTANCE hInstance, LPVOID lpParam);

返回值勿需进行异常处理

比如,返回零长度字符串或者空集合

package java.awt.image;   public interface BufferedImageOp {   // Returns the rendering hints for this operation,   // or null if no hints have been set.   public RenderingHints getRenderingHints ();   }

API 中的异常设计

抛出异常来说明异常状况;不要强迫客户端使用异常来控制流。

private byte[] a = new byte[BUF_SIZE];   void processBuffer (ByteBuffer buf) {   try {   while (true) {   buf.get (a);   processBytes (tmp, BUF_SIZE);   }   } catch (BufferUnderflowException e) {   int remaining = buf.remaining ();   buf.get (a, 0, remaining);   processBytes (bufArray, remaining);   }   }

Conversely, don’t fail silently
ThreadGroup.enumerate (Thread[] list)

支持 Unchecked Exceptions

  • Checked——客户端肯定会做一些恢复措施
  • Unchecked——编程错误
  • 过度使用 Checked 异常会产生一些模板代码
try {   Foo f = (Foo) super.clone ();   ....  } catch (CloneNotSupportedException e) {   // This can't happen, since we’re Cloneable   throw new AssertionError ();  }

异常中应该包含捕获错误的(Failure-Capture)信息

  • 允许诊断和修复或恢复
  • 对于 Unchecked 异常,有异常消息就行了
  • 对于 Checked 异常,提供访问器

重构 API 设计

在 Vector 中进行 Sublist 操作

 public class Vector {   public int indexOf (Object elem, int index);   public int lastIndexOf (Object elem, int index);   ...  } 

分析:
  • 在搜索上不强大
  • 没有文档很难使用

重构 Sublist 操作 </p>

public interface List {   List subList (int fromIndex, int toIndex);   ...  }

分析:
  • 非常强大——支持所有操作
  • 使用接口来减少概念权重:较高的动力重量(power-to-weight)比
  • 没有文档也易于使用

线程局部变量

 // Broken - inappropriate use of String as capability.   // Keys constitute a shared global namespace.   public class ThreadLocal {   private ThreadLocal () { } // Non-instantiable   // Sets current thread’s value for named variable.   public static void set (String key, Object value);   // Returns current thread’s value for named variable.   public static Object get (String key);   }

线程局部变量重构1
 public class ThreadLocal {   private ThreadLocal () { } // Noninstantiable   public static class Key { Key () { } }   // Generates a unique, unforgeable key   public static Key getKey () { return new Key (); }   public static void set (Key key, Object value);   public static Object get (Key key);   }
可以运行,但是需要使用模板代码。
static ThreadLocal.Key serialNumberKey = ThreadLocal.getKey ();   ThreadLocal.set (serialNumberKey, nextSerialNumber ());   System.out.println (ThreadLocal.get (serialNumberKey));

线程局部变量重构2

public class ThreadLocal {   public ThreadLocal () { }   public void set (Object value);   public Object get ();   }

从 API 和客户端代码中删除了无用代码。
static ThreadLocal serialNumber = new ThreadLocal ();   serialNumber.set (nextSerialNumber ());   System.out.println (serialNumber.get ());

总结

API 设计是一件非常高端大气上档次的工艺,对程序员、终端用户和公司都会有所提升。不要盲目地去遵守文中所提及的规则、说明等,但也不要去侵犯他们,API 设计不是件简单的工艺,也不是一种可以孤立行动的活。当然完美永远无法实现,但我们要努力去追求完美。

来自: CSDN

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