关注点分离

在計算機科學中，關注點分離（Separation of concerns，SoC），是將計算機程序分隔為不同部份的設計原則。每一部份會有各自的關注焦點。關注焦點是影響計算機程式程式碼的一組資訊。關注焦點可以像是將程式碼優化過的硬件細節一般，或者像實例化類別的名稱一樣具體。展現關注點分離設計的程序被稱為模組化程序。模組化程度，也就是區分關注焦點，通過將資訊封装在具有明確界面的程序代碼段落中。封裝是一種資訊隱藏手段。資訊系統中的分層設計是關注點分離的另一個實施例（例如，表示層，業務邏輯層，數據訪問層，持久數據層）。 关注点分离，是對只与「特定概念、目标」（關注點（英语：Concern (computer science)））相关联的软件组成部分進行「标识、封装和操纵」的能力，即标识、封装和操纵关注点的能力。是处理复杂性的一个原则。由于关注点混杂在一起会导致复杂性大大增加，所以能够把不同的关注点分离开来，分别处理就是处理复杂性的一个原则，一种方法。分离关注点使得解决特定领域问题的程式碼从业务逻辑中独立出来，业务逻辑的程式碼中不再含有针对特定领域问题程式碼的调用（將针对特定领域问题程式碼抽象化成較少的程式碼，例如將程式碼封裝成function或是class），業務邏輯同特定领域问题的关系通过侧面来封装、维护，这样原本分散在整个应用程序中的变动就可以很好的管理起来。 關注點分離的價值在於簡化計算機程序的開發和維護。當關注點分開時，各部份可以重複使用，以及獨立開發和更新。具有特殊價值的是能夠稍後改進或修改一段代碼，而無需知道其他部分的細節必須對這些部分進行相應的更改。 編程語言提供的物件導向設計或模块化编程機制，就是允許開發人員提供SoC的機制。例如，C#，C++，Delphi和 Java等物件導向的編程語言可以將關注點分解為物件，像MVC或MVP這樣的架構設計模式，將內容從呈現和數據處理（模型）與內容分開（呈现与内容分离）。服務導向（英语：Service-orientation）的設計可將關注點分解為服務（英语：Service (systems architecture)）。諸如C和Pascal之類的程序式編程語言可將關注點分成過程或函数。面向切面編程語言可以將關注點分解為方面（英语：Aspect (computer programming)）和對象。 在許多其他領域，例如城市規劃、建築或信息设计，分離關注點也是一個重要的設計原則。目標是更有效地理解，設計和管理許多功能相互依存的複雜系統，以便功能可以重用，獨立於其他功能進行優化，並且避免其他功能的潛在故障。常見的例子包括將一個空間分隔成多個房間，這樣一個房間的活動不會影響其他房間的人；或是配電將爐子保持在一個電路，而燈光則保持在另一個電路上，這樣爐子的超載就不會影響燈光。房間分隔的例子顯示了封裝，其中一個房間內的資訊（無論有多混亂）不會用於其他房間，除非通過界面（門是接口）。電路的例子表明，一個模組內部的活動是一個電力消費者附加的電路，不會影響不同模塊中的活動，因此每個模組不會額外去關注另一個模塊發生的情況。 这个概念是1974年，艾茲赫爾·戴克斯特拉在他的文章《On the role of scientific thought》中提出的。 让我告诉你，对我来说所有聰明的思考的共通特性是什么。一个人要有系统地深入研究一门课题；必须將這們課題獨立出來，記住在任何時候都只能关注其中一个方面。 比如说，我们知道一个程式必须是正确的，因此我们可以只抓这个点来研究；我们同时也清楚它应当是高效率的，我们可以改天来研究它的效率，等等。我们也可以问自己，程式是否是可取的（desirable）？如果是，为什么？相反的，同时应对好幾個个方面不會得到任何結果！这就是我有时提到的「the separation of concerns（关注点分离）」。这个技巧就算不是完美可行的，也仍是我知道有效地组织思维的唯一可用技巧。这是就是我说的「将一个人的注意力集中在几个方面上」。这并不是说忽略其他方面，只是表明从这个方面来看，其他方面並无关紧要这一事实。这即是同时拥有单任务和多任务思维。 15年之后，这个概念已经被人们所接受。1989年，Chris Reade写的《Elements of Functional Programming》有这样的描述： 一个程式在執行的时候一定会同时做以下几件事情： 描述所要解决的问题 按照计算的顺序分成几个部分执行 同时处理内存管理 Reade 接着说, 理想情况下，程序员应该只关注第一个問題（所要解决的问题），因为这个问题是更应该被关注。很明显的，我们可以通过解決重要的問題來得到更可靠的结果。 分离关注还有其它的好处。比如，程式可以分離内存管理和执行顺序。然后我们只去一步步的解决问题，不管机器的物理架构。当我们用高速平行的机器或者分布式系統的时候，只需要改动很小的一部分。 这就意味着编程语言的实现者必须在不同的机器和机制下，实现相关的功能。 关注点分离是網路設計中的重點。在TCP/IP协议族的設計時，有許多心力用在关注点分离，因此有良好定義的OSI模型。這可以讓通訊協定的設計者專注在每一層的關注點，不考慮其他層的影響。例如應用層的協定，關注的是如何將郵件資料在可靠的傳送服務上傳輸的細節（一般會是传输控制协议），不會關注传输控制协议旳細節。TCP不會關注資料封包的路由，路由是由網路層處理的內容。 HTML、层叠样式表（CSS）和JavaScript（JS）是開發網頁及相關服務時會用到的語言，彼此的機能是互補的。HTML主要是用在網站內容的結構、CSS是用在內容呈現方式的定義、JS定義網頁和用戶互動的方式，以及網頁的行為。以往的設計不是如此，在導入CSS之前，HTML同時要定義網頁的內容以及顯示方式。 主題導向的編程（英语：Subject-oriented programming）可以用分開的軟體結構來處理關注點分離，每一個關注點之間都是平等的。每一個關注點會有自己的類別結構，這些類別結構組成物件、也會提供狀態和方法給複合各關注點的結果。相依性關係會描述這些不同關注點中類別和方法，彼此之間的關係，讓許多關注點可以聯合產生複合式的行為。多維度关注点分离（Multi-dimensional Separation of Concerns）可以用多維「矩陣」的方式來進行各關注點之間的分析及複合，每一個關注點提供一個維度，上面會列舉各個點，其中的矩陣元素會有適當的軟件工件（software artifacts）。 面向切面的程序设计可以將横切关注点視為主要关注点進行處理。例如，大部份旳軟體都需要某程度的安全性及数据记录。安全性及数据记录一般會視為次要關注點，主要關注點一般是實現業務目標。不過在設計程式時，其安全性需要在一開始就考慮進來，而不是視為次要關注點。若在程式開發後再考慮安全性，多半會有安全模型不足的問題，會有很多後續被攻擊的風險。這可以用面向切面的程序设计來解決。例如，有一個切面可以寫成強制呼叫特定API時一定要记录，或是在丟出例外時，一定要記錄錯誤，不論哪一段程式的程式碼丟出錯誤或是傳播錯誤，都不會遺漏。 在认知科学及人工智能中，常常會用到大卫·马尔的levels of analysis。研究者可以專注在 (1)需要計算人工智慧的哪一個層面 (2)使用的演算法 (3)演算法在硬體中實現的情形。关注点分离類似軟體工程及硬體工程中的介面/實現的差異。 在規範化系統（normalized system）中，关注点分离是四個指導原則之一。堅持此一原則可以減少組合性的效應。組合性的效應會在維護軟體時，漸漸的進入系統中。在規範化系統中，可以用工具積極的支持关注点分离。 关注点分离可以用部份類別（英语：partial class）的方式實現 bear_hunting.rb class Bear def hunt forest.select(&:food?) end end bear_eating.rb class Bear def eat(food) raise "#{food} is not edible!" unless food.respond_to? :nutrition_value food.nutrition_value end end bear_hunger.rb class Bear attr_accessor :hunger def monitor_hunger if hunger > 50 food = hunt hunger -= eat(food) end end end 抽象原則 (程式設計)（英语：Abstraction principle (programming)） 面向切面的程序设计 關注點（英语：Concern (computer science)） 主关注点 耦合性 (計算機科學) 横切关注点 整全觀 模組化設計 模块化编程 呈现与内容分离 单一功能原则 機制與策略分離（英语：Separation of mechanism and policy） 保護和安全分離（英语：Separation of protection and security） Laplante, Phillip. What Every Engineer Should Know About Software Engineering. CRC Press. 2007 [2020-12-16]. ISBN 978-0849372285. （原始内容存档于2021-05-29）.  Mitchell, Dr. R. J. Managing Complexity in Software Engineering. IEE. 1990: 5 [2020-12-16]. ISBN 0863411711. （原始内容存档于2021-05-31）.  Microsoft Application Architecture Guide. Microsoft Press. 2009 [2020-12-16]. ISBN 978-0-7356-2710-9. （原始内容存档于2021-05-29）.  Painter, Robert Richard. Software Plans: Multi-Dimensional Fine-Grained Separation of Concerns. Penn State. CiteSeerX 10.1.1.110.9227 .  Dijkstra, Edsger W. On the role of scientific thought. Selected writings on Computing: A Personal Perspective. New York, NY, USA: Springer-Verlag. 1982: 60–66. ISBN 0-387-90652-5.  Reade, Chris. Elements of Functional Programming. Boston, MA, USA: Addison-Wesley Longman. 1989. ISBN 0-201-12915-9.  含有內容需登入查看的頁面 (link) Jess Nielsen. Building Secure Applications (PDF). June 2006 [2012-02-08]. （原始内容存档 (PDF)于2016-04-16）.  Tiago Dias. Hyper/Net: MDSoC Support for .NET (PDF). 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