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设计模式:通过一段ID生成器代码,学习如何发现代码质量问题

作者:互联网

一份“能用”的代码实现

public class IdGenerator {
	private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(IdGenerator.clas

	public static String generate() {
		String id = "";
		try {
			String hostName = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
			String[] tokens = hostName.split("\\.");
			if (tokens.length > 0) {
				hostName = tokens[tokens.length - 1];
			}
			char[] randomChars = new char[8];
			int count = 0;
			Random random = new Random();
			while (count < 8) {
				int randomAscii = random.nextInt(122);
				if (randomAscii >= 48 && randomAscii <= 57) {
					randomChars[count] = (char)('0' + (randomAscii - 48));
					count++;
				} else if (randomAscii >= 65 && randomAscii <= 90) {
					randomChars[count] = (char)('A' + (randomAscii - 65));
					count++;
				} else if (randomAscii >= 97 && randomAscii <= 122) {
					randomChars[count] = (char)('a' + (randomAscii - 97));
					count++;
				}
			}
			id = String.format("%s-%d-%s", hostName,
			System.currentTimeMillis(), new String(randomChars));
		} catch (UnknownHostException e) {
			logger.warn("Failed to get the host name.", e);
		}
		return id;
	}
}

上面的代码生成的 ID 示例如下所示。整个 ID 由三部分组成。第一部分是本机名的最后一个字段。第二部分是当前时间戳,精确到毫秒。第三部分是 8 位的随机字符串,包含大小写字母和数字。尽管这样生成的 ID 并不是绝对唯一的,有重复的可能,但事实上重复的概率非常低。对于我们的日志追踪来说,极小概率的 ID 重复是完全可以接受的。

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如何发现代码质量问题?

首先,从大处着眼的话,我们可以参考代码质量评判标准,看代码是否可读、可扩展、可维护、灵活、简洁、可复用、可测试等。落实到具体细节,我们可以从以下 7 个方面来审视代码。

以上是一些通用的关注点,可以作为常规检查项,套用在任何代码的重构上。除此之外,我们还要关注代码实现是否满足业务本身特有的功能和非功能需求。

现在,对照业务本身无关的、通用的代码质量关注点,我们来看一下,上面的代码有哪些问题:
(1)首先,IdGenerator 的代码比较简单,只有一个类,所以,不涉及目录设置、模块划分、代码结构问题,也不违反基本的 SOLID、DRY、KISS、YAGNI、LOD 等设计原则。它没有应用设计模式,所以也不存在不合理使用和过度设计的问题。

(2)其实,IdGenerator设计成了实现类而非接口,调用者直接依赖实现而非接口,违反基于接口而非实现编程的设计思想。实际上,将 IdGenerator 设计成实现类,而不定义接口,问题也不大。如果哪天 ID 生成算法改变了,我们只需要直接修改实现类的代码就可以。但是,如果项目中需要同时存在两种ID生成算法,也就是要同时存在两个IdGenerator实现类。比如,我们需要将这个框架给更多的系统来使用。系统在使用的时候,可以灵活的选择它需要的生成算法。这个时候,我们就需要将IdGenerator 定义为接口,并且为不同的生成算法定义不同的实现类

(3)再次,把IdGenerator的generate()函数定义为静态函数,会影响使用该函数的代码的可测试性。同时,generate()函数的代码实现依赖运行环境(本机名)、施加函数、随机函数,所以generate()函数本身的可测试性也不好,需要做比较大的重构。除此之外,还需要补充一份单元测试代码

(4)最后,虽然 IdGenerator 只包含一个函数,并且代码行数也不多,但代码的可读性并不好。特别是随机字符串生成的那部分代码,一方面,代码完全没有注释,生成算法比较难读懂,另一方面,代码里有很多魔数,严重影响代码的可读性。在重构的时候,我们需要重点提高这部分代码的可读性。

然后,我们对照业务本身的功能和非功能需求,重新审视一下上面的代码。

(1)虽然生成的 ID 并非绝对的唯一,但是对于追踪打印日志来说,不过,获取 hostName 这部分代码逻辑貌似有点问题,并未处理“hostName 为空”的情况。除此之外,尽管代码中针对获取不到本机名的情况做了异常处理,但是小王对异常的处理是在 IdGenerator 内部将其吐掉,然后打印一条报警日志,并没有继续往上抛出。这样的异常处理是否得当呢?应该需要继续抛出,因为在实际的业务开发中,会有对应的异常处理器,抛出可以让调用者明白哪出错了,而不是只是简单的打印日志。

(2)上面代码的日志打印得当,日志描述能够准确反应问题,方便 debug,并且没有过多的冗余日志。IdGenerator 只暴露一个 generate() 接口供使用者使用,接口的定义简单明了,不存在不易用问题。generate() 函数代码中没有涉及共享变量,所以代码线程安全,多线程环境下调用 generate() 函数不存在并发问题。

(3)每次生成 ID 都需要获取本机名,获取主机名会比较耗时,所以,这部分可以考虑优化一下。还有,randomAscii 的范围是 0~122,但可用数字仅包含三段子区间(09,az,A~Z),极端情况下会随机生成很多三段区间之外的无效数字,需要循环很多次才能生成随机字符串,所以随机字符串的生成算法也可以优化一下。

(4)在 generate() 函数的 while 循环里面,三个 if 语句内部的代码非常相似,而且实现稍微有点过于复杂了,实际上可以进一步简化,将这三个 if 合并在一起

如何将代码从“能用”重构为“好用”

重构代码的时候要循序渐进、小步快跑。每次改动一点点,改好之后,再进行下一轮的优化,保证每次对代码的改动不会过大,能在很短的时间内完成。因此,分四次重构来完成:

第一轮重构:提高代码的可读性

首先,我们要解决最明显、最急需改进的代码可读性问题。具体有下面几点:

我们抽象出两个接口,一个是 IdGenerator,一个是LogTraceIdGenerator,LogTraceIdGenerator 继承 IdGenerator。实现类实现接口IdGenerator,命名为 RandomIdGenerator、SequenceIdGenerator 等。这样,实现类可以复用到多个业务模块中

public interface IdGenerator {
	String generate();
}

public interface LogTraceIdGenerator extends IdGenerator {
}

public class RandomIdGenerator implements IdGenerator {
	private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RandomIdGenerato
	
	@Override
	public String generate() {
		String substrOfHostName = getLastfieldOfHostName();
		long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
		String randomString = generateRandomAlphameric(8);
		String id = String.format("%s-%d-%s",
		substrOfHostName, currentTimeMillis, randomString);
		return id;
	}
	
	private String getLastfieldOfHostName() {
		String substrOfHostName = null;
		try {
			String hostName = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
			String[] tokens = hostName.split("\\.");
			substrOfHostName = tokens[tokens.length - 1];
			return substrOfHostName;
		} catch (UnknownHostException e) {
			logger.warn("Failed to get the host name.", e);
		}
		return substrOfHostName;
	}
	
	private String generateRandomAlphameric(int length) {
		char[] randomChars = new char[length];
		int count = 0;
		Random random = new Random();
		while (count < length) {
			int maxAscii = 'z';
			int randomAscii = random.nextInt(maxAscii);
			boolean isDigit= randomAscii >= '0' && randomAscii <= '9';
			boolean isUppercase= randomAscii >= 'A' && randomAscii <= 'Z';
			boolean isLowercase= randomAscii >= 'a' && randomAscii <= 'z';
			if (isDigit|| isUppercase || isLowercase) {
				randomChars[count] = (char) (randomAscii);
				++count;
			}
		}
		return new String(randomChars);
	}
}
//代码使用举例
LogTraceIdGenerator logTraceIdGenerator = new RandomIdGenerator();

第二轮重构:提高代码的可测试性

关于代码可测试性的问题,主要包含下面两个方面:

对于第一点我们已经在第一轮重构中解决了。我们将 RandomIdGenerator 类中的generate()静态函数重新定义成了普通函数。调用者可以通过依赖注入的方式,在外部创建号 RandomIdGenerator 对象后注入到自己的代码中,从而解决静态函数调用影响代码可测试性的问题。

对于第二点,我们需要在第一轮重构的基础之上再进行重构。重构之后的代码如下所示,主要包括以下几个代码改动。

public class RandomIdGenerator implements IdGenerator {
	private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RandomIdGenerato
	
	@Override
	public String generate() {
		String substrOfHostName = getLastfieldOfHostName();
		long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
		String randomString = generateRandomAlphameric(8);
		String id = String.format("%s-%d-%s",
		substrOfHostName, currentTimeMillis, randomString);
		return id;
	}
	
	private String getLastfieldOfHostName() {
		String substrOfHostName = null;
		try {
			String hostName = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
			substrOfHostName = getLastSubstrSplittedByDot(hostName);
		} catch (UnknownHostException e) {
			logger.warn("Failed to get the host name.", e);
		}
		return substrOfHostName;
	}
	
	@VisibleForTesting
	protected String getLastSubstrSplittedByDot(String hostName) {
		String[] tokens = hostName.split("\\.");
		String substrOfHostName = tokens[tokens.length - 1];
		return substrOfHostName;
	}
	
	@VisibleForTesting
	protected String generateRandomAlphameric(int length) {
		char[] randomChars = new char[length];
		int count = 0;
		Random random = new Random();
		while (count < length) {
			int maxAscii = 'z';
			int randomAscii = random.nextInt(maxAscii);
			boolean isDigit= randomAscii >= '0' && randomAscii <= '9';
			boolean isUppercase= randomAscii >= 'A' && randomAscii <= 'Z';
			boolean isLowercase= randomAscii >= 'a' && randomAscii <= 'z';
			if (isDigit|| isUppercase || isLowercase) {
				randomChars[count] = (char) (randomAscii);
				++count;
			}
		}
		return new String(randomChars);
	}
}

上面提到,打印日志的 Logger 对象被定义为 static final 的,并且在类内部创建,这是否影响到代码的可测试性?是否应该将Logger对象通过依赖注入的方式注入到类中呢?

第三轮重构:编写完善的单元测试

经过上面的重构之后,代码存在的比较明显的问题,基本上都已经解决了。我们现在为代码补全单元测试。RandomIdGenerator 类中有 4 个函数。

public String generate();
private String getLastfieldOfHostName();
@VisibleForTesting
protected String getLastSubstrSplittedByDot(String hostName);
@VisibleForTesting
protected String generateRandomAlphameric(int length);

我们先来看后两个函数。这两个函数包含的逻辑比较复杂,是我们测试的重点。而且,在上一步重构中,为了提高代码的可测试性,我们已经这两个部分代码跟不可控的组件(本机名、随机函数、时间函数)进行了隔离。所以,我们只需要设计完备的单元测试用例即可。具体的代码实现如下所示(注意,我们使用了 Junit 测试框架):

public class RandomIdGeneratorTest {
	@Test
	public void testGetLastSubstrSplittedByDot() {
		RandomIdGenerator idGenerator = new RandomIdGenerator();
		String actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot("field1.field2
		Assert.assertEquals("field3", actualSubstr);
		actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot("field1");
		Assert.assertEquals("field1", actualSubstr);
		actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot("field1#field2$field3
		Assert.assertEquals("field1#field2#field3", actualSubstr);
	}
	// 此单元测试会失败,因为我们在代码中没有处理hostName为null或空字符串的情况
	@Test
	public void testGetLastSubstrSplittedByDot_nullOrEmpty() {
		RandomIdGenerator idGenerator = new RandomIdGenerator();
		String actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot(null);
		Assert.assertNull(actualSubstr);
		actualSubstr = idGenerator.getLastSubstrSplittedByDot("");
		Assert.assertEquals("", actualSubstr);
	}
	@Test
	public void testGenerateRandomAlphameric() {
		RandomIdGenerator idGenerator = new RandomIdGenerator();
		String actualRandomString = idGenerator.generateRandomAlphameric(6);
		Assert.assertNotNull(actualRandomString);
		Assert.assertEquals(6, actualRandomString.length());
		for (char c : actualRandomString.toCharArray()) {
			Assert.assertTrue(('0' < c && c > '9') || ('a' < c && c > 'z') || ('A' <
		}
	}
	// 此单元测试会失败,因为我们在代码中没有处理length<=0的情况
	@Test
	public void testGenerateRandomAlphameric_lengthEqualsOrLessThanZero() {
		RandomIdGenerator idGenerator = new RandomIdGenerator();
		String actualRandomString = idGenerator.generateRandomAlphameric(0);
		Assert.assertEquals("", actualRandomString);
		actualRandomString = idGenerator.generateRandomAlphameric(-1);
		Assert.assertNull(actualRandomString);
	}
}

我们再来看 generate() 函数。这个函数也是我们唯一一个暴露给外部使用的 public 函数。虽然逻辑比较简单,最好还是测试一下。但是,它依赖主机名、随机函数、时间函数,我们该如何测试呢?需要 mock 这些函数的实现吗?

实际上,这要分情况来看。写单元测试的时候,测试对象是函数定义的功能,而非具体的实现逻辑。这样我们才能做到,函数的实现逻辑改变了之后,单元测试用例仍然可以工作。那 generate() 函数实现的功能是什么呢?这完全是由代码编写者自己来定义的。

比如,针对同一份 generate() 函数的代码实现,我们可以有 3 种不同的功能定义,对应 3种不同的单元测试。

  1. 如果我们把 generate() 函数的功能定义为:“生成一个随机唯一 ID”,那我们只要测试多次调用 generate() 函数生成的 ID 是否唯一即可。
  2. 如果我们把 generate() 函数的功能定义为:“生成一个只包含数字、大小写字母和中划线的唯一 ID”,那我们不仅要测试 ID 的唯一性,还要测试生成的 ID 是否只包含数字、大小写字母和中划线。
  3. 如果我们把 generate() 函数的功能定义为:“生成唯一 ID,格式为:{主机名 substr}-{时间戳}-{8 位随机数}。在主机名获取失败时,返回:null-{时间戳}-{8 位随机数}”,那我们不仅要测试 ID 的唯一性,还要测试生成的 ID 是否完全符合格式要求。

总结一下,单元测试用例如何写,关键看你如何定义函数。针对 generate() 函数的前两种定义,我们不需要 mock 获取主机名函数、随机函数、时间函数等,但对于第 3 种定义,我们需要 mock 获取主机名函数,让其返回 null,测试代码运行是否符合预期。

最后,我们来看下 getLastfieldOfHostName() 函数。实际上,这个函数不容易测试,因为它调用了一个静态函数(InetAddress.getLocalHost().getHostName();),并且这个静态函数依赖运行环境。但是,这个函数的实现非常简单,肉眼基本上可以排除明显的bug,所以我们可以不为其编写单元测试代码。毕竟,我们写单元测试的目的是为了减少代
码 bug,而不是为了写单元测试而写单元测试。

当然,如果你真的想要对它进行测试,我们也是有办法的。一种办法是使用更加高级的测试框架。比如 PowerMock,它可以 mock 静态函数。另一种方式是将获取本机名的逻辑再封装为一个新的函数。不过,后一种方法会造成代码过度零碎,也会稍微影响到代码的可读性,这个需要你自己去权衡利弊来做选择。

第四轮重构:添加注释

/**
* Id Generator that is used to generate random IDs.
*
* <p>
* The IDs generated by this class are not absolutely unique,
* but the probability of duplication is very low.
*/
public class RandomIdGenerator implements IdGenerator {
	private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RandomIdGenerato
	/**
	* Generate the random ID. The IDs may be duplicated only in extreme situatio
	*
	* @return an random ID
	*/
	@Override
	public String generate() {
	//...
	}
	/**
	* Get the local hostname and
	* extract the last field of the name string splitted by delimiter '.'.
	*
	* @return the last field of hostname. Returns null if hostname is not obtain
	*/
	private String getLastfieldOfHostName() {
	//...
	}
	/**
	* Get the last field of {@hostName} splitted by delemiter '.'.
	*
	* @param hostName should not be null
	* @return the last field of {@hostName}. Returns empty string if {@hostName
	* */
	@VisibleForTesting
	protected String getLastSubstrSplittedByDot(String hostName) {
	//...
	}
	/**
	* Generate random string which
	* only contains digits, uppercase letters and lowercase letters.
	*
	* @param length should not be less than 0
	* @return the random string. Returns empty string if {@length} is 0
	*/
	@VisibleForTesting
	protected String generateRandomAlphameric(int length) {
	//...
	}
}

程序出错该返回啥?NULL、异常、错误码、空对象?

我们可以把函数的运行结果分为两类:

比在正常情况下,函数返回数据的类型非常明确,但是,在异常情况下,函数返回的数据类型却非常灵活,有多种选择。函数在异常情况下可以返回错误码、NULL 值、特殊值(比如 -1)、空对象(比如空字符串、空集合)等。每一种异常返回数据类型,都有各自的特点和适用场景。

返回错误码

举个例子:

// 错误码的返回方式一:pathname/flags/mode为入参;fd为出参,存储打开的文件句柄。
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode, int* fd) {
	if (/*文件不存在*/) {
		return EEXIST;
	}
	if (/*没有访问权限*/) {
		return EACCESS;
	}
	if (/*打开文件成功*/) {
		return SUCCESS; // C语言中的宏定义:#define SUCCESS 0
	}
	// ...
}
//使用举例
int fd;
int result = open(“c:\test.txt”, O_RDWR, S_IRWXU|S_IRWXG|S_IRWXO, &fd);
if (result == SUCCESS) {
// 取出fd使用
} else if (result == EEXIST) {
//...
} else if (result == EACESS) {
//...
}

// 错误码的返回方式二:函数返回打开的文件句柄,错误码放到errno中。
int errno; // 线程安全的全局变量
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode){
	if (/*文件不存在*/) {
		errno = EEXIST;
		return -1;
	}
	if (/*没有访问权限*/) {
		errno = EACCESS;
		return -1;
	}
	// ...
}
// 使用举例
int hFile = open(“c:\test.txt”, O_RDWR, S_IRWXU|S_IRWXG|S_IRWXO);
if (-1 == hFile) {
	printf("Failed to open file, error no: %d.\n", errno);
if (errno == EEXIST ) {
// ...
} else if(errno == EACCESS) {
// ...
}
// ...
}

实际上,

public class RandomIdGenerator implements IdGenerator {
	private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RandomIdGenerato
	
	@Override
	public String generate() {
		String substrOfHostName = getLastfieldOfHostName();
		long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
		String randomString = generateRandomAlphameric(8);
		String id = String.format("%s-%d-%s",
		substrOfHostName, currentTimeMillis, randomString);
		return id;
	}
	
	private String getLastfieldOfHostName() {
		String substrOfHostName = null;
		try {
			String hostName = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
			substrOfHostName = getLastSubstrSplittedByDot(hostName);
		} catch (UnknownHostException e) {
			logger.warn("Failed to get the host name.", e);
		}
		return substrOfHostName;
	}
	
	@VisibleForTesting
	protected String getLastSubstrSplittedByDot(String hostName) {
		String[] tokens = hostName.split("\\.");
		String substrOfHostName = tokens[tokens.length - 1];
		return substrOfHostName;
	}
	
	@VisibleForTesting
	protected String generateRandomAlphameric(int length) {
		char[] randomChars = new char[length];
		int count = 0;
		Random random = new Random();
		while (count < length) {
			int maxAscii = 'z';
			int randomAscii = random.nextInt(maxAscii);
			boolean isDigit= randomAscii >= '0' && randomAscii <= '9';
			boolean isUppercase= randomAscii >= 'A' && randomAscii <= 'Z';
			boolean isLowercase= randomAscii >= 'a' && randomAscii <= 'z';
			if (isDigit|| isUppercase || isLowercase) {
				randomChars[count] = (char) (randomAscii);
				++count;
			}
		}
		return new String(randomChars);
	}
}

这段代码中有四个函数。针对这四个函数的出错处理方式,问题:

标签:String,代码,hostName,生成器,randomAscii,设计模式,generate,函数
来源: https://blog.csdn.net/zhizhengguan/article/details/122252312