Концепция рефакторинга (refactoring)

Концепция «рефакторинга» (refactoring) возникла в кругах, связанных со Smalltalk, но вскоре нашла себе дорогу и в лагеря приверженцев других языков программирования. Поскольку рефакторинг является составной частью разработки структуры приложений (framework development), этот термин сразу появляется, когда «структурщики» начинают обсуждать свои дела. Он возникает, когда они уточняют свои иерархии классов и восторгаются тем, на сколько строк им удалось сократить код. Структурщики знают, что хорошую структуру удается создать не сразу — она должна развиваться по мере накопления опыта. Им также известно, что чаще приходится читать и модифицировать код, а не писать новый. В основе поддержки читаемости и модифицируемости кода лежит рефакторинг — как в частном случае структур (frameworks), так и для программного обеспечения в целом.

Так в чем проблема? Только в том, что с рефакторингом связан известный риск. Он требует внести изменения в работающий код, что может привести к появлению трудно находимых ошибок в программе. Неправильно осуществляя рефакторинг, можно потерять дни и даже недели. Еще большим риском чреват рефакторинг, осуществляемый без формальностей или эпизодически. Вы начинаете копаться в коде. Вскоре обнаруживаются новые возможности модификации, и вы начинаете копать глубже. Чем больше вы копаете, тем больше вскрывается нового и тем больше изменений вы производите. В конце концов, получится яма, из которой вы не сможете выбраться. Чтобы не рыть самому себе могилу, следует производить рефакторинг на систематической основе. В книге «Design Patterns» сообщается, что проектные модели создают целевые объекты для рефакторинга. Однако указать цель — лишь одна часть задачи; преобразовать код так, чтобы достичь этой цели, — другая проблема.

Существует несколько методов рефакторинга. Каждый метод описывает мотивацию и технику испытанного на практике преобразования кода. Некоторые виды рефакторинга, такие как «Выделение метода» или «Перемещение поля», могут показаться очевидными, но пусть это не вводит вас в заблуждение. Понимание техники таких методов рефакторинга важно для организованного осуществления рефакторинга. С помощью методов рефакторинга можно поэтапно модифицировать код, внося каждый раз небольшие изменения, благодаря чему снижается риск, связанный с развитием проекта. Эти методы рефакторинга и их названия быстро займут место в вашем словаре разработчика.

Что такое рефакторинг?

Рефакторинг представляет собой процесс такого изменения программной системы, при котором не меняется внешнее поведение кода, но улучшается его внутренняя структура. Это способ систематического приведения кода в порядок, при котором шансы появления новых ошибок минимальны. В сущности, при проведении рефакторинга кода вы улучшаете его дизайн уже после того, как он написан.

«Улучшение кода после его написания» — непривычная фигура речи. В нашем сегодняшнем понимании разработки программного обеспечения мы сначала создаем дизайн системы, а потом пишем код. Сначала создается хороший дизайн, а затем происходит кодирование. Со временем код модифицируется, и целостность системы, соответствие ее структуры изначально созданному дизайну постепенно ухудшаются. Код медленно сползает от проектирования к хакерству.

Рефакторинг представляет собой противоположную практику. С ее помощью можно взять плохой проект, даже хаотический, и переделать его в хорошо спроектированный код. Каждый шаг этого процесса прост до чрезвычайности. Перемещается поле из одного класса в другой, изымается часть кода из метода и помещается в отдельный метод, какой-то код перемещается в иерархии в том или другом направлении. Однако суммарный эффект таких небольших изменений может радикально улучшить проект. Это прямо противоположно обычному явлению постепенного распада программы.

При проведении рефакторинга оказывается, что соотношение разных этапов работ изменяется. Проектирование непрерывно осуществляется во время разработки, а не выполняется целиком заранее. При реализации системы становится ясно, как можно улучшить ее проект. Происходящее взаимодействие приводит к созданию программы, качество проекта которой остается высоким по мере продолжения разработки.

Правила рефакторинга

• Обнаружив, что в программу необходимо добавить новую функциональность, но код программы не структурирован удобным для добавления этой функциональности образом, сначала произведите рефакторинг программы, чтобы упростить внесение необходимых изменений, а только потом добавьте функцию.
• Перед началом рефакторинга убедитесь, что располагаете надежным комплектом тестов. Эти тесты должны быть самопроверяющимися.
• При применении рефакторинга программа модифицируется небольшими шагами. Ошибку нетрудно обнаружить.
• Написать код, понятный компьютеру, может каждый, но только хорошие программисты пишут код, понятный людям.

Самый важный урок, который должен преподать данный пример, это ритм рефакторинга: тестирование, малые изменения, тестирование, малые изменения, тестирование, малые изменения. Именно такой ритм делает рефакторинг быстрым и надежным.

Принципы рефакторинга

Рефакторинг (Refactoring): изменение во внутренней структуре программного обеспечения, имеющее целью облегчить понимание его работы и упростить модификацию, не затрагивая наблюдаемого поведения.
Производить рефакторинг (Refactor): изменять структуру программного обеспечения, применяя ряд рефакторингов, не затрагивая его поведения.

Рефакторинг не меняет видимого поведения программного обеспечения. Оно продолжает выполнять прежние функции. Никто — ни конечный пользователь, ни программист — не сможет сказать по внешнему виду, что что-то изменилось.

Зачем нужно проводить рефакторинг?

• Рефакторинг улучшает композицию программного обеспечения
• Рефакторинг облегчает понимание программного обеспечения
• Рефакторинг помогает найти ошибки
• Рефакторинг позволяет быстрее писать программы

Когда следует проводить рефакторинг?

Рефакторингом следует заниматься постоянно понемногу. Надо не решать проводить рефакторинг, а проводить его, потому что необходимо сделать что-то еще, а поможет в этом рефакторинг.

• Правило трех ударов — Вот руководящий совет, который дал мне Дон Роберте (Don Roberts). Делая что-то в первый раз, вы просто это делаете. Делая что-то аналогичное во второй раз, вы морщитесь от необходимости повторения, но все-таки повторяете то же самое. Делая что-то похожее в третий раз, вы начинаете рефакторинг.
• Применяйте рефакторинг при добавлении новой функции
• Применяйте рефакторинг, если требуется исправить ошибку
• Применяйте рефакторинг при разборе кода

Почему рефакторинг приносит результаты

Из-за чего бывает трудно работать с программами? В данный момент мне приходят в голову четыре причины:

1. Программы, трудные для чтения, трудно модифицировать.
2. Программы, в логике которых есть дублирование, трудно модифицировать.
3. Программы, которым нужны дополнительные функции, что требует изменений в работающем коде, трудно модифицировать.
4. Программы, реализующие сложную логику условных операторов, трудно модифицировать.

Итак, нам нужны программы, которые легко читать, вся логика которых задана в одном и только одном месте, модификация которых не ставит под угрозу существующие функции и которые позволяют выражать условную логику возможно более простым способом.
Рефакторинг представляет собой процесс улучшения работающей программы не путем изменения ее функций, а путем усиления в ней указанных качеств, позволяющих продолжить разработку с высокой скоростью.

Когда рефакторинг не нужен?

В некоторых случаях рефакторинг вообще не нужен. Основной пример — необходимость переписать программу с нуля. Иногда имеющийся код настолько запутан, что подвергнуть его рефакторингу, конечно, можно, но проще начать все с самого начала.

Явный признак необходимости переписать код — его неработоспособность. Это обнаруживается только при его тестировании, когда ошибок оказывается так много, что сделать код устойчивым не удается. Помните, что перед началом рефакторинга код должен выполняться в основном корректно.

Другой случай, когда следует воздерживаться от рефакторинга, это близость даты завершения проекта. Рост производительности, достигаемый благодаря рефакторингу, проявит себя слишком поздно — после истечения срока. Правильна в этом смысле точка зрения Уорда Каннингема (Ward Cunningham). Незавершенный рефакторинг он сравнивает с залезанием в долги. Большинству компаний для нормальной работы нужны кредиты. Однако вместе с долгами появляются и проценты, то есть дополнительная стоимость обслуживания и расширения, обусловленная чрезмерной сложностью кода. Выплату каких-то процентов можно вытерпеть, но если платежи слишком велики, вы разоритесь. Важно управлять своими долгами, выплачивая их часть посредством рефакторинга.

Однако приближение срока окончания работ — единственный случай, когда можно отложить рефакторинг, ссылаясь на недостаток времени. Опыт работы над несколькими проектами показывает, что проведение рефакторинга приводит к росту производительности труда. Нехватка времени обычно сигнализирует о необходимости рефакторинга.

Рефакторинг и проектирование

Рефакторинг играет особую роль в качестве дополнения к проектированию. Если заранее подумать об архитектуре программы, то можно избежать последующей дорогостоящей переработки. Многие считают, что проектирование важнее всего, а программирование представляет собой механический процесс. Аналогией проекта служит технический чертеж, а аналогией кода — изготовление узла. Но программа весьма отличается от физического механизма. Она значительно более податлива и целиком связана с обдумыванием. Как говорит Элистер Кокберн (Alistair Cockburn):
«При наличии готового дизайна я думаю очень быстро, но в моем мышлении полно пробелов».

Существует утверждение, что рефакторинг может быть альтернативой предварительному проектированию. В таком сценарии проектирование вообще отсутствует. Первое решение, пришедшее в голову, воплощается в коде, доводится до рабочего состояния, а потом обретает требуемую форму с помощью рефакторинга. Такой подход фактически может действовать. Мне встречались люди, которые так работают и получают в итоге систему с очень хорошей архитектурой. Тех, кто поддерживает «экстремальное программирование» [ Beck , XP ], часто изображают пропагандистами такого подхода.
Подход, ограничивающийся только рефакторингом, применим, но не является самым эффективным. Даже «экстремальные» программисты сначала разрабатывают некую архитектуру будущей системы. Они пробуют разные идеи с помощью CRC-карт или чего-либо подобного, пока не получат внушающего доверия первоначального решения. Только после первого более или менее удачного «выстрела» приступают к кодированию, а затем к рефакторингу. Смысл в том, что при использовании рефакторинга изменяется роль предварительного проектирования. Если не рассчитывать на рефакторинг, то ощущается необходимость как можно лучше провести предварительное проектирование. Возникает чувство, что любые изменения проекта в будущем, если они потребуются, окажутся слишком дорогостоящими. Поэтому в предварительное проектирование вкладывается больше времени и усилий — во избежание таких изменений впоследствии.
С применением рефакторинга акценты смещаются. Предварительное проектирование сохраняется, но теперь оно не имеет целью найти единственно правильное решение. Все, что от него требуется, — это найти приемлемое решение. По мере реализации решения, с углублением понимания задачи становится ясно, что наилучшее решение отличается от того, которое было принято первоначально. Но в этом нет ничего страшного, если в процессе участвует рефакторинг, потому что модификация не обходится слишком дорого.
Рефакторинг предоставляет другой подход к рискам модификации. Возможные изменения все равно надо пытаться предвидеть, как и рассматривать гибкие решения. Но вместо реализации этих гибких решений следует задаться вопросом: «Насколько сложно будет с помощью рефакторинга преобразовать обычное решение в гибкое?» Если, как чаще всего случается, ответ будет «весьма несложно», то надо просто реализовать обычное решение.
Рефакторинг позволяет создавать более простые проекты, не жертвуя гибкостью, благодаря чему процесс проектирования становится более легким и менее напряженным. Научившись в целом распознавать то, что легко поддается рефакторингу, о гибкости решений даже перестаешь задумываться. Появляется уверенность в возможности применения рефакторинга, когда это понадобится. Создаются самые простые решения, которые могут работать, а гибкие и сложные решения по большей части не потребуются.

Рефакторинг и производительность

С рефакторингом обычно связан вопрос о его влиянии на производительность программы. С целью облегчить понимание работы программы часто осуществляется модификация, приводящая к замедлению выполнения программы. Рефакторинг, несомненно, заставляет программу выполняться медленнее, но при этом делает ее более податливой для настройки производительности. Секрет создания быстрых программ, если только они не предназначены для работы в жестком режиме реального времени, состоит в том, чтобы сначала написать программу, которую можно настраивать, а затем настроить ее так, чтобы достичь приемлемой скорости.

Второй подход предполагает постоянное внимание. В этом случае каждый программист в любой момент времени делает все от него зависящее, чтобы поддерживать высокую производительность программы. Это распространенный и интуитивно привлекательный подход, однако он не так хорош на деле. Модификация, повышающая производительность, обычно затрудняет работу с программой. Это замедляет создание программы. На это можно было бы пойти, если бы в результате получалось более быстрое программное обеспечение, но обычно этого не происходит. Повышающие скорость усовершенствования разбросаны по всей программе, и каждое из них касается только узкой функции, выполняемой программой.

С производительностью связано то интересное обстоятельство, что при анализе большинства программ обнаруживается, что большая часть времени расходуется небольшой частью кода. Если в равной мере оптимизировать весь код, то окажется, что 90% оптимизации произведено впустую, потому что оптимизировался код, который выполняется не слишком часто. Время, ушедшее на ускорение программы, и время, потерянное из-за ее непонятности — все это израсходовано напрасно.

Третий подход к повышению производительности программы основан как раз на этой статистике. Он предполагает создание программы с достаточным разложением ее на компоненты без оглядки на достигаемую производительность вплоть до этапа оптимизации производительности, который обычно наступает на довольно поздней стадии разработки и на котором осуществляется особая процедура настройки программы. Начинается все с запуска программы под профайлером, контролирующим программу и сообщающим, где расходуются время и память. Благодаря этому можно обнаружить тот небольшой участок программы, в котором находятся узкие места производительности. На этих узких местах сосредоточиваются усилия, и осуществляется та же самая оптимизация, которая была бы применена при подходе с постоянным вниманием. Но благодаря тому, что внимание сосредоточено на выявленных узких местах, удается достичь больших результатов при значительно меньших затратах труда. Но даже в этой ситуации необходима бдительность. Как и при проведении рефакторинга, изменения следует вносить небольшими порциями, каждый раз компилируя, тестируя и запуская профайлер. Если производительность не увеличилась, изменениям дается обратный ход. Процесс поиска и ликвидации узких мест продолжается до достижения производительности, которая удовлетворяет пользователей.

Разработка тестов

При проведении рефакторинга важным предварительным условием является наличие надежных тестов.

Правила разработки тестов

• Делайте все тесты полностью автоматическими, так чтобы они проверяли собственные результаты.
• Комплект тестов служит мощным детектором ошибок, резко сокращающим время их поиска.
• Чаще запускайте тесты. Запускайте тесты при каждой компиляции — каждый тест хотя бы раз в день.
• Получив сообщение об ошибке, начните с создания теста модуля, показывающего эту ошибку.
• Лучше написать и выполнить неполные тесты, чем не выполнить полные тесты.
• Подумайте о граничных условиях, которые могут быть неправильно обработаны, и сосредоточьте на них свои тесты.
• Не забывайте проверять, чтобы в случае возникновения проблем генерировались исключительные ситуации.
• Опасение по поводу того, что тестирование не выявит все ошибки, не должно помешать написанию тестов, которые выявят большинство ошибок.

Проблемы рефакторинга

• Потребность вносить изменения в существующий код
• Необходимость строго придерживаться поставленной задачи
• Покрывать код проверочными тестами

Признаки, что Вам нужен рефакторинга

• Ваш программный продукт работает, но внесение новой функциональности иногда затягивается на недели;
• В определенных местах Ваш код работает совершенно не так, как Вы того ожидали;
• Вы часто ошибаетесь в сроках реализации поставленной задачи;
• Вам приходится вносить однотипные изменения в разных местах.

Методы рефакторинга

• Инкапсуляция поля (Encapsulate Field);
• Выделение класса (Extract Class);
• Выделение интерфейса (Extract Interface);
• Выделение локальной переменной (Extract Local Variable);
• Выделение метода (Extract Method);
• Генерализация типа (Generalize Type);
• Встраивание (Inline);
• Введение фабрики (Introduce Factory);
• Введение параметра (Introduce Parameter);
• Подъём поля/метода (Pull Up);
• Спуск поля/метода (Push Down);
• Замена условного оператора полиморфизмом (Replace Conditional with Polymorphism);
• и так далее;