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[TOC]

# 解决思路

面向对象设计问题要求求职者设计出类和方法，以实现技术问题或描述真实生活中的对象。可以按照以下步骤来进行解决：

## 1. 处理不明确的地方

面向对象设计问题往往会故意放些烟幕弹，意在检验你是武断臆测，还是提出问题以厘清问题。毕竟，开发人员要是没弄清楚自己要开发什么，就直接挽起袖子开始编码，只会浪费公司的财力物力，还可能造成更严重的后果。

碰到面向对象设计问题时，你应该先问清楚，谁是使用者、他们将如何使用。对某些问题，你甚至还要问清楚“5W1H”，也就是 Who（谁）、What（什么）、Where（哪里）、When（何时）Why（为什么）、How（如何）。举个例子，假设面试官让你描述咖啡机的面向对象设计。这个问题看似简单明了，其实不然。这台咖啡机可能是一款工业型机器，设计用来放在大餐厅里，每小时要服务几百位顾客，还要能制作 10 种不同口味的咖啡。又或者，它可能是设计给老年人使用的简易咖啡机，只要能制作简单的黑咖啡就行。这些用例将大大影响你的设计。

## 2. 定义核心对象

比如，假设要为一家餐馆进行面向对象设计。那么，核心对象可能包括员工、服务员、厨师、餐桌、顾客、订单、菜。

## 3. 分析对象关系

可以利用 UML 类图来分析。其中，

- 服务员和厨师都继承自员工类；
- 一个服务员要为多个餐桌的顾客提供服务；
- 一个餐桌可以有很多顾客；
- 一个餐桌可以有一个订单；
- 一个订单有多个菜。
- 一个厨师要处理多个订单；

![](index_files/97c1d566-ae3a-4ddd-ba86-e8378e26d49b.png)

## 4. 研究对象的动作

可以用时序图来找出对象的动作。

多个顾客坐到一个餐桌，服务员来到餐桌前提供服务，并等待顾客填写订单。订单填写完成后，交给厨师处理订单，并等待厨师处理完成，完成之后服务员将上菜。

![](index_files/4f901988-481c-48bf-a313-35778e2211bc.png)

# 示例

## 1. 聊天服务器

题目描述：请描述该如何设计一个聊天服务器。要求给出各种后台组件、类和方法的细节，并说明其中最难解决的问题会是什么。

设计聊天服务器是项大工程，绝非一次面试就能完成。毕竟，就算一整个团队，也要花费数月乃至好几年才能打造出一个聊天服务器。作为求职者，你的工作是专注解决该问题的某个方面，涉及范围要够广，又要够集中，这样才能在一轮面试中搞定。它不一定要与真实情况一模一样，但也应该忠实反映出实际的实现。

这里我们会把注意力放在用户管理和对话等核心功能：添加用户、创建对话、更新状态，等等。考虑到时间和空间有限，我们不会探讨这个问题的联网部分，也不描述数据是怎么真正推送到客户端的。

另外，我们假设“好友关系”是双向的，如果你是我的联系人之一，那就表示我也是你的联系人之一。我们的聊天系统将支持群组聊天和一对一（私密）聊天，但并不考虑语音聊天、视频聊天或文件传输。

### 1.1 需要支持的特定动作

这也有待你跟面试官探讨，下面列出几点想法。

- 显示在线和离线状态。
- 添加请求（发送、接受、拒绝）。
- 更新状态信息。
- 发起私聊和群聊。
- 在私聊和群聊中添加新信息。

这只是一部分列表，如果时间有富余，还可以多加一些动作。

### 1.2 核心组件

这个系统可能由一个数据库、一组客户端和一组服务器组成。我们的面向对象设计不会包含这些部分，不过可以讨论一下系统的整体概览。

数据库将用来存放更持久的数据，比如用户列表或聊天对话的备份。 SQL 数据库应该是不错的选择，或者，如果可扩展性要求更高，可以选用 BigTable 或其他类似的系统。

对于客户端和服务器之间的通信，使用 XML 应该也不错。尽管这种格式不是最紧凑的（你也应该向面试官指出这一点），它仍是很不错的选择，因为不管是计算机还是人类都容易辨识。使用 XML 可以让程序调试起来更轻松，这一点非常重要。

服务器由一组机器组成，数据会分散到各台机器上，这样一来，我们可能就必须从一台机器跳到另一台机器。如果可能的话，我们会尽量在所有机器上复制部分数据，以减少查询操作的次数。在此，设计上有个重要的限制条件，就是必须防止出现单点故障。例如，如果一台机器控制所有用户的登录，那么，只要这一台机器断网，就会造成数以百万计的用户无法登录。

### 1.3 关键对象和方法

代码参考：[Github](https://github.com/careercup/ctci/tree/master/java/Chapter%208/Question8_7)

系统的关键对象包括用户、对话和状态消息等，我们已经实现了 UserManagement 类。要是更关注这个问题的联网方面或其他组件，我们就可能转而深入探究那些对象。

```java
public class UserManager {
    private static UserManager instance;
    private HashMap<Integer, User> usersById = new HashMap<Integer, User>();
    private HashMap<String, User> usersByAccountName = new HashMap<String, User>();
    private HashMap<Integer, User> onlineUsers = new HashMap<Integer, User>();
    
    public static UserManager getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new UserManager();
        }
        return instance;
    }
    
    public void addUser(User fromUser, String toAccountName) {
        User toUser = usersByAccountName.get(toAccountName);
        AddRequest req = new AddRequest(fromUser, toUser, new Date());
        toUser.receivedAddRequest(req);
        fromUser.sentAddRequest(req);
    }
    
    public void approveAddRequest(AddRequest req) {
        req.status = RequestStatus.Accepted;
        User from = req.getFromUser();
        User to = req.getToUser();
        from.addContact(to);
        to.addContact(from);
    }
    
    public void rejectAddRequest(AddRequest req) {
        req.status = RequestStatus.Rejected;
        User from = req.getFromUser();
        User to = req.getToUser();
        from.removeAddRequest(req);
        to.removeAddRequest(req);        
    }
    
    public void userSignedOn(String accountName) {
        User user = usersByAccountName.get(accountName);
        if (user != null) {
            user.setStatus(new UserStatus(UserStatusType.Available, ""));            
            onlineUsers.put(user.getId(), user);
        }
    }
    
    public void userSignedOff(String accountName) {
        User user = usersByAccountName.get(accountName);
        if (user != null) {
            user.setStatus(new UserStatus(UserStatusType.Offline, ""));
            onlineUsers.remove(user.getId());
        }
    }    
}
```

在 User 类中， receivedAddRequest 方法会通知用户 B（User B），用户 A（User A）请求加他 为 好 友 。 用 户 B 会 接 受 或 拒 绝 该 请 求 （ 通 过 UserManager.approveAddRequest 或 rejectAddRequest）， UserManager 则负责将用户互相添加到对方的通讯录中。

当 UserManager 要将 AddRequest 加入用户 A 的请求列表时，会调用 User 类的 sentAddRequest 方法。综上，整个流程如下。

1. 用户 A 点击客户端软件上的“添加用户”，发送给服务器。
2. 用户 A 调用 requestAddUser(User B)。
3. 步骤 2 的方法会调用 UserManager.addUser。
4. UserManager 会调用 User A.sentAddRequest 和 User B.receivedAddRequest。

```java
public class User {
    private int id;
    private UserStatus status = null;
    private HashMap<Integer, PrivateChat> privateChats = new HashMap<Integer, PrivateChat>();
    private ArrayList<GroupChat> groupChats = new ArrayList<GroupChat>();
    private HashMap<Integer, AddRequest> receivedAddRequests = new HashMap<Integer, AddRequest>();
    private HashMap<Integer, AddRequest> sentAddRequests = new HashMap<Integer, AddRequest>();
    
    private HashMap<Integer, User> contacts = new HashMap<Integer, User>();
    private String accountName;
    private String fullName;
    
    public User(int id, String accountName, String fullName) {
        this.accountName = accountName;
        this.fullName = fullName;
        this.id = id;
    }
    
    public boolean sendMessageToUser(User toUser, String content) {
        PrivateChat chat = privateChats.get(toUser.getId());
        if (chat == null) {
            chat = new PrivateChat(this, toUser);
            privateChats.put(toUser.getId(), chat);
        }
        Message message = new Message(content, new Date());
        return chat.addMessage(message);
    }
    
    public boolean sendMessageToGroupChat(int groupId, String content) {
        GroupChat chat = groupChats.get(groupId);
        if (chat != null) {
            Message message = new Message(content, new Date());
            return chat.addMessage(message);
        }
        return false;
    }
    
    public void setStatus(UserStatus status) {
        this.status = status;
    }
    
    public UserStatus getStatus() {
        return status;
    }
    
    public boolean addContact(User user) {
        if (contacts.containsKey(user.getId())) {
            return false;
        } else {
            contacts.put(user.getId(), user);
            return true;
        }
    }
    
    public void receivedAddRequest(AddRequest req) {
        int senderId = req.getFromUser().getId();
        if (!receivedAddRequests.containsKey(senderId)) {
            receivedAddRequests.put(senderId, req);
        }        
    }
    
    public void sentAddRequest(AddRequest req) {
        int receiverId = req.getFromUser().getId();
        if (!sentAddRequests.containsKey(receiverId)) {
            sentAddRequests.put(receiverId, req);
        }        
    }
    
    public void removeAddRequest(AddRequest req) {
        if (req.getToUser() == this) {
            receivedAddRequests.remove(req);
        } else if (req.getFromUser() == this) {
            sentAddRequests.remove(req);
        }
    }
    
    public void requestAddUser(String accountName) {
        UserManager.getInstance().addUser(this, accountName);
    }
    
    public void addConversation(PrivateChat conversation) {
        User otherUser = conversation.getOtherParticipant(this);
        privateChats.put(otherUser.getId(), conversation);
    }

    public void addConversation(GroupChat conversation) {
        groupChats.add(conversation);
    }    
    
    public int getId() {
        return id;
    }
    
    public String getAccountName() {
        return accountName;
    }
    
    public String getFullName() {
        return fullName;
    }
}
```

Conversation 类实现为一个抽象类，因为所有 Conversation 不是 GroupChat 就是 PrivateChat，同时每个类各有自己的功能。

```java
public abstract class Conversation {
    protected ArrayList<User> participants = new ArrayList<User>();
    protected int id;
    protected ArrayList<Message> messages = new ArrayList<Message>();
    
    public ArrayList<Message> getMessages() {
        return messages;
    }
    
    public boolean addMessage(Message m) {
        messages.add(m);
        return true;
    }
    
    public int getId() {
        return id;
    }
}
```

```java
public class GroupChat extends Conversation {
    public void removeParticipant(User user) {
        participants.remove(user);
    }
    
    public void addParticipant(User user) {
        participants.add(user);
    }
}
```

```java
public class PrivateChat extends Conversation {
    public PrivateChat(User user1, User user2) {
        participants.add(user1);
        participants.add(user2);
    }
    
    public User getOtherParticipant(User primary) {
        if (participants.get(0) == primary) {
            return participants.get(1);
        } else if (participants.get(1) == primary) {
            return participants.get(0);
        }
        return null;
    }
}
```

```java
public class Message {
    private String content;
    private Date date;
    public Message(String content, Date date) {
        this.content = content;
        this.date = date;
    }
    
    public String getContent() {
        return content;
    }
    
    public Date getDate() {
        return date;
    }
}
```

AddRequest 和 UserStatus 两个类比较简单，功能不多，主要用来将数据聚合在一起，方便其他类使用。

```java
public class AddRequest {
    private User fromUser;
    private User toUser;
    private Date date;
    RequestStatus status;
    
    public AddRequest(User from, User to, Date date) {
        fromUser = from;
        toUser = to;
        this.date = date;
        status = RequestStatus.Unread;
    }
    
    public RequestStatus getStatus() {
        return status;
    }
    
    public User getFromUser() {
        return fromUser;
    }
    
    public User getToUser() {
        return toUser;
    }
    
    public Date getDate() {
        return date;
    }
}
```

```java
public class UserStatus {
     private String message;
     private UserStatusType type;
     public UserStatus(UserStatusType type, String message) {
         this.type = type;
         this.message = message;
     }
     
     public UserStatusType getStatusType() {
         return type;
     }
     
     public String getMessage() {
         return message;
     }
}
```

```java
public enum UserStatusType {
    Offline, Away, Idle, Available, Busy
}
```

```java
public enum RequestStatus {
    Unread, Read, Accepted, Rejected
}
```

### 4. 最难解决或最有意思的问题

**问题 1：如何确定某人在线**

虽然希望用户在退出时通知我们，但即便如此也无法确切知道状态。例如，用户的网络连接可能断开了。为了确定用户何时退出，或许可以试着定期询问客户端，以确保它仍然在线。

**问题 2：如何处理冲突的信息**

部分信息存储在计算机内存中，部分则存储在数据库里。如果两者不同步有冲突，那会出什么问题？哪一部分是“正确的”？

**问题 3：如何才能让服务器在任何负载下都能应付自如**

前面我们设计聊天服务器时并没怎么考虑可扩展性，但在实际场景中必须予以关注。我们需要将数据分散到多台服务器上，而这又要求我们更关注数据的不同步。

**问题 4：如何预防拒绝服务攻击**

客户端可以向我们推送数据——若它们试图向服务器发起拒绝服务（DOS）攻击，怎么办？该如何预防？

# 参考资料

- GAYLELEAKMANNMCDOWELL. 程序员面试金典 [M]. 人民邮电出版社 , 2013.