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如何解决代码中if…else 过多的问题?这篇文章应该够了!

作者 | 艾瑞克·邵

来源 | cnblogs.com/eric-shao/p/10115577.html

上一篇:用漫画了解 Linux 内核到底长啥样!


前言

if…else 是所有高级编程语言都有的必备功能。但现实中的代码往往存在着过多的 if…else。虽然 if…else 是必须的,但滥用
if…else 会对代码的可读性、可维护性造成很大伤害,进而危害到整个软件系统。现在软件开发领域出现了很多新技术、新概念,但 if…else
这种基本的程序形式并没有发生太大变化。使用好 if…else 不仅对于现在,而且对于将来,都是十分有意义的。今天我们就来看看如何“干掉”代码中的
if…else,还代码以清爽。

问题一:if…else 过多

问题表现

if…else
过多的代码可以抽象为下面这段代码。其中只列出5个逻辑分支,但实际工作中,能见到一个方法包含10个、20个甚至更多的逻辑分支的情况。另外,if…else
过多通常会伴随着另两个问题:逻辑表达式复杂和 if…else 嵌套过深。对于后两个问题,本文将在下面两节介绍。本节先来讨论 if…else
过多的情况。

     1 if (condition1) {
     2     
     3 } else if (condition2) {
     4     
     5 } else if (condition3) {
     6     
     7 } else if (condition4) {
     8     
     9 } else {
    10     
    11 }

通常,if…else 过多的方法,通常可读性和可扩展性都不好。从软件设计角度讲,代码中存在过多的 if…else
往往意味着这段代码违反了违反单一职责原则和开闭原则。因为在实际的项目中,需求往往是不断变化的,新需求也层出不穷。所以,软件系统的扩展性是非常重要的。而解决
if…else 过多问题的最大意义,往往就在于提高代码的可扩展性。

如何解决

接下来我们来看如何解决 if…else 过多的问题。下面我列出了一些解决方法。

  1. 表驱动 

  2. 职责链模式 

  3. 注解驱动 

  4. 事件驱动 

  5. 有限状态机 

  6. Optional 

  7. Assert 

  8. 多态 

方法一:表驱动

介绍

对于逻辑表达模式固定的 if…else
代码,可以通过某种映射关系,将逻辑表达式用表格的方式表示;再使用表格查找的方式,找到某个输入所对应的处理函数,使用这个处理函数进行运算。

适用场景

逻辑表达模式固定的 if…else

实现与示例

    1 if (param.equals(value1)) {
    2     doAction1(someParams);
    3 } else if (param.equals(value2)) {
    4     doAction2(someParams);
    5 } else if (param.equals(value3)) {
    6     doAction3(someParams);
    7 }
    8 // ...

可重构为

    1 Map<?, Function<?> action> actionMappings = new HashMap<>(); // 这里泛型 ? 是为方便演示,实际可替换为你需要的类型
    2 
    3 // When init
    4 actionMappings.put(value1, (someParams) -> { doAction1(someParams)});
    5 actionMappings.put(value2, (someParams) -> { doAction2(someParams)});
    6 actionMappings.put(value3, (someParams) -> { doAction3(someParams)});
    7 
    8 // 省略 null 判断
    9 actionMappings.get(param).apply(someParams);

上面的示例使用了 Java 8 的 Lambda 和 Functional Interface,这里不做讲解。

表的映射关系,可以采用集中的方式,也可以采用分散的方式,即每个处理类自行注册。也可以通过配置文件的方式表达。总之,形式有很多。

还有一些问题,其中的条件表达式并不像上例中的那样简单,但稍加变换,同样可以应用表驱动。下面借用《编程珠玑》中的一个税金计算的例子:

     1 if income <= 2200
     2   tax = 0
     3 else if income <= 2700
     4   tax = 0.14 * (income - 2200)
     5 else if income <= 3200
     6   tax = 70 + 0.15 * (income - 2700)
     7 else if income <= 3700
     8   tax = 145 + 0.16 * (income - 3200)
     9 ......
    10 else
    11   tax = 53090 + 0.7 * (income - 102200)

对于上面的代码,其实只需将税金的计算公式提取出来,将每一档的标准提取到一个表格,在加上一个循环即可。具体重构之后的代码不给出,大家自己思考。

方法二:职责链模式

介绍

当 if…else
中的条件表达式灵活多变,无法将条件中的数据抽象为表格并用统一的方式进行判断时,这时应将对条件的判断权交给每个功能组件。并用链的形式将这些组件串联起来,形成完整的功能。

适用场景

条件表达式灵活多变,没有统一的形式。

实现与示例

职责链的模式在开源框架的 Filter、Interceptor 功能的实现中可以见到很多。下面看一下通用的使用模式:

重构前:

    1 public void handle(request) {
    2     if (handlerA.canHandle(request)) {
    3         handlerA.handleRequest(request);
    4     } else if (handlerB.canHandle(request)) {
    5         handlerB.handleRequest(request);
    6     } else if (handlerC.canHandle(request)) {
    7         handlerC.handleRequest(request);
    8     }
    9 }

重构后:

     1 public void handle(request) {
     2   handlerA.handleRequest(request);
     3 }
     4 
     5 public abstract class Handler {
     6   protected Handler next;
     7   public abstract void handleRequest(Request request);
     8   public void setNext(Handler next) this.next = next; }
     9 }
    10 
    11 public class HandlerA extends Handler {
    12   public void handleRequest(Request request) {
    13     if (canHandle(request)) doHandle(request);
    14     else if (next != null) next.handleRequest(request);
    15   }
    16 }

当然,示例中的重构前的代码为了表达清楚,做了一些类和方法的抽取重构。现实中,更多的是平铺式的代码实现。

注:职责链的控制模式

职责链模式在具体实现过程中,会有一些不同的形式。从链的调用控制角度看,可分为外部控制和内部控制两种。

外部控制不灵活,但是减少了实现难度。职责链上某一环上的具体实现不用考虑对下一环的调用,因为外部统一控制了。但是一般的外部控制也不能实现嵌套调用。如果有嵌套调用,并且希望由外部控制职责链的调用,实现起来会稍微复杂。具体可以参考
Spring Web Interceptor 机制的实现方法。

内部控制就比较灵活,可以由具体的实现来决定是否需要调用链上的下一环。但如果调用控制模式是固定的,那这样的实现对于使用者来说是不便的。

设计模式在具体使用中会有很多变种,大家需要灵活掌握

方法三:注解驱动

介绍

通过 Java
注解(或其它语言的类似机制)定义执行某个方法的条件。在程序执行时,通过对比入参与注解中定义的条件是否匹配,再决定是否调用此方法。具体实现时,可以采用表驱动或职责链的方式实现。

适用场景

适合条件分支很多多,对程序扩展性和易用性均有较高要求的场景。通常是某个系统中经常遇到新需求的核心功能。

实现与示例

很多框架中都能看到这种模式的使用,比如常见的 Spring MVC。因为这些框架很常用,demo 随处可见,所以这里不再上具体的演示代码了。

这个模式的重点在于实现。现有的框架都是用于实现某一特定领域的功能,例如
MVC。故业务系统如采用此模式需自行实现相关核心功能。主要会涉及反射、职责链等技术。具体的实现这里就不做演示了。

方法四:事件驱动

介绍

通过关联不同的事件类型和对应的处理机制,来实现复杂的逻辑,同时达到解耦的目的。

适用场景

从理论角度讲,事件驱动可以看做是表驱动的一种,但从实践角度讲,事件驱动和前面提到的表驱动有多处不同。具体来说:

  1. 表驱动通常是一对一的关系;事件驱动通常是一对多; 

  2. 表驱动中,触发和执行通常是强依赖;事件驱动中,触发和执行是弱依赖 

正是上述两者不同,导致了两者适用场景的不同。具体来说,事件驱动可用于如订单支付完成触发库存、物流、积分等功能。

实现与示例

实现方式上,单机的实践驱动可以使用 Guava、Spring 等框架实现。分布式的则一般通过各种消息队列方式实现。但是因为这里主要讨论的是消除
if…else,所以主要是面向单机问题域。因为涉及具体技术,所以此模式代码不做演示。

方法五:有限状态机

介绍

有限状态机通常被称为状态机(无限状态机这个概念可以忽略)。先引用维基百科上的定义:

有限状态机 (英语:finite-state machine,缩写:FSM),简称 状态机 ,是表示 有限 个 状态
以及在这些 状态 之间的转移和动作等行为的数学模型。

其实,状态机也可以看做是表驱动的一种,其实就是当前状态和事件两者组合与处理函数的一种对应关系。当然,处理成功之后还会有一个状态转移处理。

适用场景

虽然现在互联网后端服务都在强调无状态,但这并不意味着不能使用状态机这种设计。其实,在很多场景中,如协议栈、订单处理等功能中,状态机有这其天然的优势。因为这些场景中天然存在着状态和状态的流转。

实现与示例

实现状态机设计首先需要有相应的框架,这个框架需要实现至少一种状态机定义功能,以及对于的调用路由功能。状态机定义可以使用 DSL
或者注解的方式。原理不复杂,掌握了注解、反射等功能的同学应该可以很容易实现。

参考技术:

  • Apache Mina State Machine   
    Apache Mina 框架,虽然在 IO 框架领域不及 Netty,但它却提供了一个状态机的功能。

https://mina.apache.org/mina-project/userguide/ch14-state-machine/ch14-state-machine.html

有自己实现状态机功能的同学可以参考其源码。

  • Spring State Machine   
    Spring 子项目众多,其中有个不显山不露水的状态机框架

Spring State Machine https://projects.spring.io/spring-statemachine/

可以通过 DSL 和注解两种方式定义。

上述框架只是起到一个参考的作用,如果涉及到具体项目,需要根据业务特点自行实现状态机的核心功能。

方法六:Optional

介绍

Java 代码中的一部分 if…else 是由非空检查导致的。因此,降低这部分带来的 if…else 也就能降低整体的 if…else 的个数。

Java 从 8 开始引入了 Optional 类,用于表示可能为空的对象。这个类提供了很多方法,用于相关的操作,可以用于消除 if…else。开源框架
Guava 和 Scala 语言也提供了类似的功能。

使用场景

有较多用于非空判断的 if…else。

实现与示例

传统写法:

    1 String str = "Hello World!";
    2 if (str != null) {
    3     System.out.println(str);
    4 } else {
    5     System.out.println("Null");
    6 }

使用 Optional 之后:

    1 Optional<String> strOptional = Optional.of("Hello World!");
    2 strOptional.ifPresentOrElse(System.out::println, () -> System.out.println("Null"));

Optional 还有很多方法,这里不一一介绍了。但请注意,不要使用 get() 和 isPresent() 方法,否则和传统的
if…else 无异。

扩展:Kotlin Null Safety

Kotlin 带有一个被称为 Null Safety 的特性:

    bob?.department?.head?.name

对于一个链式调用,在 Kotlin 语言中可以通过 ?. 避免空指针异常。如果某一环为 null,那整个链式表达式的值便为 null。

方法七:Assert 模式

介绍

上一个方法适用于解决非空检查场景所导致的 if…else,类似的场景还有各种参数验证,比如还有字符串不为空等等。很多框架类库,例如
Spring、Apache Commons 都提供了工具里,用于实现这种通用的功能。这样大家就不必自行编写 if…else 了。

  • Apache Commons Lang 中的 Validate 类:https://commons.apache.org/proper/commons-lang/javadocs/api-3.1/org/apache/commons/lang3/Validate.html

  • Spring 的 Assert 类:https://docs.spring.io/spring-framework/docs/current/javadoc-api/org/springframework/util/Assert.html

使用场景

通常用于各种参数校验

扩展:Bean Validation

类似上一个方法,介绍 Assert 模式顺便介绍一个有类似作用的技术 —— Bean Validation。Bean Validation 是 Java
EE 规范中的一个。Bean Validation 通过在 Java Bean 上用注解的方式定义验证标准,然后通过框架统一进行验证。也可以起到了减少
if…else 的作用。

方法八:多态

介绍

使用面向对象的多态,也可以起到消除 if…else 的作用。在代码重构这本书中,对此也有介绍:https://refactoring.com/catalog/replaceConditionalWithPolymorphism.html

使用场景

链接中给出的示例比较简单,无法体现适合使用多态消除 if…else 的具体场景。一般来说,当一个类中的多个方法都有类似于示例中的 if…else
判断,且条件相同,那就可以考虑使用多态的方式消除 if…else。

同时,使用多态也不是彻底消除 if…else。而是将 if…else 合并转移到了对象的创建阶段。在创建阶段的
if..,我们可以使用前面介绍的方法处理。

小结

上面这节介绍了 if…else 过多所带来的问题,以及相应的解决方法。除了本节介绍的方法,还有一些其它的方法。比如,在《重构与模式》一书中就介绍了“用
Strategy 替换条件逻辑”、“用 State 替换状态改变条件语句”和“用 Command 替换条件调度程序”这三个方法。其中的“Command
模式”,其思想同本文的“表驱动”方法大体一致。另两种方法,因为在《重构与模式》一书中已做详细讲解,这里就不再重复。

何时使用何种方法,取决于面对的问题的类型。上面介绍的一些适用场景,只是一些建议,更多的需要开发人员自己的思考。

问题二:if…else 嵌套过深

问题表现

if…else 多通常并不是最严重的的问题。有的代码 if…else 不仅个数多,而且 if…else
之间嵌套的很深,也很复杂,导致代码可读性很差,自然也就难以维护。

     1 if (condition1) {
     2     action1();
     3     if (condition2) {
     4         action2();
     5         if (condition3) {
     6             action3();
     7             if (condition4) {
     8                 action4();
     9             }
    10         }
    11     }
    12 }

if…else 嵌套过深会严重地影响代码的可读性。当然,也会有上一节提到的两个问题。

如何解决

上一节介绍的方法也可用用来解决本节的问题,所以对于上面的方法,此节不做重复介绍。这一节重点一些方法,这些方法并不会降低 if…else
的个数,但是会提高代码的可读性:

  1. 抽取方法 

  2. 卫语句 

方法一:抽取方法

介绍

抽取方法是代码重构的一种手段。定义很容易理解,就是将一段代码抽取出来,放入另一个单独定义的方法。借用 https://refactoring.com/catalog/extractMethod.html
中的定义:

适用场景

if…else 嵌套严重的代码,通常可读性很差。故在进行大型重构前,需先进行小幅调整,提高其代码可读性。抽取方法便是最常用的一种调整手段。

实现与示例

重构前:

     1 public void add(Object element) {
     2   if (!readOnly) {
     3     int newSize = size + 1;
     4     if (newSize > elements.length) {
     5       Object[] newElements = new Object[elements.length + 10];
     6       for (int i = 0; i < size; i++) {
     7         newElements[i] = elements[i];
     8       }
     9       
    10       elements = newElements
    11     }
    12     elements[size++] = element;
    13   }
    14 }

重构后:

     1 public void add(Object element) {
     2   if (readOnly) {
     3     return;
     4   }
     5   
     6   if (overCapacity()) {
     7     grow();
     8   }
     9   
    10   addElement(element);
    11 }

方法二:卫语句

介绍

在代码重构中,有一个方法被称为“使用卫语句替代嵌套条件语句” https://refactoring.com/catalog/replaceNestedConditionalWithGuardClauses.html
。直接看代码:

     1 double getPayAmount() {
     2     double result;
     3     if (_isDead) result = deadAmount();
     4     else {
     5         if (_isSeparated) result = separatedAmount();
     6         else {
     7             if (_isRetired) result = retiredAmount();
     8             else result = normalPayAmount();
     9         };
    10     }
    11     return result;
    12 }

重构之后

    1 double getPayAmount() {
    2     if (_isDead) return deadAmount();
    3     if (_isSeparated) return separatedAmount();
    4     if (_isRetired) return retiredAmount();
    5     return normalPayAmount();
    6 }

使用场景

当看到一个方法中,某一层代码块都被一个 if…else 完整控制时,通常可以采用卫语句。

问题三:if…else 表达式过于复杂

问题表现

if…else 所导致的第三个问题来自过于复杂的条件表达式。下面给个简单的例子,当 condition 1、2、3、4 分别为
true、false,请大家排列组合一下下面表达式的结果。

    1 if ((condition1 && condition2 ) || ((condition2 || condition3) && condition4)) {
    2   
    3 }

我想没人愿意干上面的事情。关键是,这一大坨表达式的含义是什么?关键便在于,当不知道表达式的含义时,没人愿意推断它的结果。

所以,表达式复杂,并不一定是错。但是表达式难以让人理解就不好了。

如何解决

对于 if…else 表达式复杂的问题,主要用代码重构中的抽取方法、移动方法等手段解决。因为这些方法在《代码重构》一书中都有介绍,所以这里不再重复。

总结

本文一个介绍了10种(算上扩展有12种)用于消除、简化 if…else 的方法。还有一些方法,如通过策略模式、状态模式等手段消除 if…else
在《重构与模式》一书中也有介绍。

正如前言所说,if…else 是代码中的重要组成部分,但是过度、不必要地使用
if…else,会对代码的可读性、可扩展性造成负面影响,进而影响到整个软件系统。

“干掉”if…else
的能力高低反映的是程序员对软件重构、设计模式、面向对象设计、架构模式、数据结构等多方面技术的综合运用能力,反映的是程序员的内功。要合理使用
if…else,不能没有设计,也不能过度设计。这些对技术的综合、合理地运用都需要程序员在工作中不断的摸索总结。

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