层次结构：管理复杂性的一种方法

在抽象之后，次重要的概念是层次结构的概念。层次结构是一种管理复杂性的方法，几乎在每个软件应用中都存在。

"层次结构"是什么意思？

广义来说，层次结构的概念是将事物分组并形成抽象的树形结构；这个“抽象的树形结构”被称为“层次结构”。

这是一个非常抽象的定义，让我们来看一个例子。

假设你是一名大学生，你有以下课程作业、幻灯片等文件：

introduction-to-ai.pdf
calculus-assignment-1.pdf
programming-assignment-2.py
literature-textbook.epub
introduction-to-ai-lecture-2.pdf
calculus-assignment-2.pdf
programming-assignment-3.py
literature-review-article.epub
introduction-to-ai-project-outline.docx
calculus-final-exam-review.pdf
programming-code-snippets.txt
literature-essay-draft.docx
introduction-to-ai-research-paper.pdf
calculus-quiz-answers.docx
programming-tutorial-slides.pptx
literature-poetry-analysis.pdf

哇，这么多文件。看起来乱七八糟的，不是吗？

一个自然的想法是将它们分组到文件夹中，例如：

course-files/
  AI/
    introduction-to-ai.pdf
    introduction-to-ai-lecture-2.pdf
    introduction-to-ai-project-outline.docx
    introduction-to-ai-research-paper.pdf
  Calculus/
    calculus-assignment-1.pdf
    calculus-assignment-2.pdf
    calculus-final-exam-review.pdf
    calculus-quiz-answers.docx
  Programming/
    programming-assignment-2.py
    programming-assignment-3.py
    programming-code-snippets.txt
    programming-tutorial-slides.pptx
  Literature/
    literature-textbook.epub
    literature-review-article.epub
    literature-essay-draft.docx
    literature-poetry-analysis.pdf

看起来好多了，对吧？文件按科目分组在一起，这样你就可以更容易找到你需要的东西。

这就是层次结构的概念。回顾一下层次结构的定义： 层次结构的概念是将事物分组并形成抽象的树形结构。在这里，我们根据它们所属的科目将文件分组在一起。你可能会问：“那里的‘抽象的树形结构’在哪里？” 那么，上面的目录结构也可以用以下图表示：

mindmap
  root((course-files))
    AI
      introduction-to-ai.pdf
      introduction-to-ai-lecture-2.pdf
      introduction-to-ai-project-outline.docx
      introduction-to-ai-research-paper.pdf

    Calculus
      calculus-assignment-1.pdf
      calculus-assignment-2.pdf
      calculus-final-exam-review.pdf
      calculus-quiz-answers.docx

    Programming
      programming-assignment-2.py
      programming-assignment-3.py
      programming-code-snippets.txt
      programming-tutorial-slides.pptx

    Literature
      literature-textbook.epub
      literature-review-article.epub
      literature-essay-draft.docx
      literature-poetry-analysis.pdf

这看起来就像一棵树的分支。树中的每个节点代表一个抽象，子节点的抽象与其父节点相关。例如，“course-files”文件夹的抽象可能是“所有大学课程的文件”；它的子节点是“AI”、“Calculus”、“Programming”和“Literature”，而每个文件夹都抽象出了“某门课程的所有文件”，这是“所有课程的文件”的一部分。

现在你已经大致了解了层次结构，让我们来看一些常见的层次结构类型，以更好地理解这个概念。

常见的层次结构类型

合成

合成可能是最常见的层次结构类型。合成层次结构是指在抽象的树形结构中，父节点包含子节点。

前面的课程文件示例是一个合成层次结构。在这个示例中，“course-files”文件夹是“AI”、“Calculus”、“Programming”和“Literature”文件夹的父节点；每个课程文件夹都是该课程的文件的父节点。 “course-files”包含课程文件夹；每个课程文件夹都包含其文件。也就是说，父节点包含子节点。

另一个例子是一辆汽车。在最高级别上，汽车由车身、发动机、底盘和车轮组成。然后，车身包含门和窗户，发动机包含变速器和汽缸等等。

graph TD

A([Car]) --> B([Car-Body])
A --> E([chassis])
A --> F([Wheels])
A --> C([Engine])

B --> G([Doors])
B --> H([Windows])

C --> I([Gears])
C --> J([Cylinders])

由一般到特殊的层次结构

另一种常见的层次结构类型是由一般到特殊的层次结构。在这种层次结构中，父节点泛化了其子节点，它的抽象是子节点的性质的交集。

例如，考虑以下层次结构：

graph TD

A([Creatures]) --> B([Plants])

B --> G([Trees])

B --> H([Grass])

A --> C([Animals])

C --> D([Insects])

C --> E([Mammals])

E --> F([Humans])

在这个层次结构中，“Animals”是“Creatures”的一种类型； “Mammals”是“Animals”的一种类型； “Humans”是“Mammals”的一种类型，等等。也就是说，每个子节点都是父节点的一种类型，除了具体子节点特有的特性以外；父节点的特性适用于所有子节点。

为什么层次结构很重要？

层次结构很重要，因为它允许系统在不同层级上以不同方式进行抽象，这使得设计、理解和维护变得更加容易。

假设我们想设计一辆汽车。如果没有层次结构，我们需要一起设计每个零件，从方向盘上的每颗螺钉到发动机中的每个齿轮。由于汽车可能有成千上万个零件，要追踪它们中的每一个并确保它们可以共同运作将非常困难。

当汽车发生故障时，我们需要检查每个零件，找到有问题的零件并替换它；如果我们想解释汽车的工作原理，我们需要解释每个零件的功能，而所有零件协同工作构成一个功能完整的汽车可能看起来像魔法。

有了层次结构的概念，我们可以将汽车拆分成更容易处理的部分。例如，我们可以让一个工程团队负责发动机的工作，另一个团队负责底盘等等。而负责发动机的团队可能会进一步将发动机拆分成更小的部分，以确保它们可以共同工作。负责发动机的团队不需要知道底盘如何工作（通常）；反之亦然。

当汽车发生故障时，我们首先检查每个高级组件，看它们是否正常工作，识别有问题的组件，检查它的所有子组件，直到最后找到有问题的部分；虽然这也是很多工作，但比检查每个螺栓和齿轮要容易得多。如果我们想解释汽车的工作原理，我们首先解释每个顶级组件的功能，然后解释子组件如何共同工作并构成一个功能完整的顶级组件。显然，用这种方式解释汽车要容易得多比先描述每个螺丝钉的功能，再“突然，零件就神奇地成为一个工作的汽车”。

在软件开发中，“替换有问题的零件”大致对应于修复有问题的代码块； “解释汽车的工作原理”大致对应于理解软件是如何组成的，以便知道如何编写代码。

正如你所看到的，通过分解复杂系统并将事物分组在一起，层次结构的概念允许人们管理复杂性，并有效地设计和理解复杂系统。

恭喜！你已经学会了层次结构的概念。接下来，我们将讨论本模块的最后一个概念：标准。