【读书笔记1】从零开始了解重构(一)

一、前言

近期,李先静李老师向我们推荐了《重构:改善既有代码的设计 》这本书,它是一本非常经典的著作,书中清晰揭示了重构的过程,解释了重构的原理和最佳实践方式,并给出了何时以及何地应该开始挖掘代码以求改善,可用来改善既有代码的设计、提升软件的可维护性,又可用于使既有代码更易理解、焕发出新的活力。

因此,往后每周会花费一些时间来阅读总结本书,希望自己能学习到中的精华,有所成长,并且后续大多数的博客内容将会围绕对该书的学习展开。

此处非常感谢李老师的推荐指导,李老师博客地址:http://blog.csdn.net/absurd

二、何为重构

书中提到所谓重构(refactoring)是这样一个过程:在不改变代码外在行为的前提下,对代码做出修改,以改进程序的内部结构。

2.1 重构的前提

这里需要重点注意的是重构的前提:不改变代码外在的行为,也就是说重构的出发点是改善现有的代码,而不是说直接将现有的代码推倒重写,当我们挖掘代码时,很快发现了一些值得修改的地方,于是越挖越深,找到值得被修改的地方越多,最后很容易跳进自己挖的大坑,却爬不出去,我们在重构的过程中时刻警惕这一点,记住重构的前提条件,避免自掘坟墓。

重构是一种经千锤百炼形成的有条不紊的程序整理方法,可以最大限度地减小整理过程中引入错误的概率。本质上说,重构就是在代码写好之后改进它的设计

2.2 设计与重构的关系

大部分人包括我自己都相信一个观点:程序实现的流程应该是现设计后编码,首先得有良好的设计架构,然后才能开始编码。

这个观点当然是正确的,但随着时间流失,代码被不断修改,原有设计所得的系统,整体结构逐渐衰弱,代码质量慢慢降低,编码工作从一开始严谨的工程逐渐变得随性行为。

重构的过程刚好与此相反。即使现在我们面前摆着一个糟糕的设计以及混乱的代码,我们也可以通过重构将它们加工成设计良好的代码。

非常重要的一点,重构的每个步骤都很简单,比如:

  • 把某个字段从一个类移到另一个类;
  • 把某些代码从一个函数拉出来构成另一个函数;
  • 在继承体系中把某些代码推上推下;
  • 等等......

但是不要小看这些细微的修改,它们积累起来,就可以慢慢改善代码质量,达到一定程度就可以实现系统设计的改善。

如果说随着项目代码的不断修改,软件会慢慢腐烂,那么重构就是减缓甚至是逆转这一过程的良药。在系统构建的过程中,通过"重构-设计"的反复互动,可以让一个程序在开发过程中持续保有良好的设计。

三、通过示例了解重构

在《重构:改善既有代码的设计 》中,作者选用了 JavaScript 来展示书中的重构手法,这里我自己将才用 C/C++ 进行总结记录,自己熟悉这些语言的同时也能加理解。当然,使用何种语言并不影响我们对重构的学习和理解,只是我自己更熟悉 C/C++ 而已。

备注:为了方便自己开发演示,我会使用开源 GUI 引擎 AWTK 提供的一些库函数,比如字符串、对象、动态数组、链表、读写缓冲区、JSON解析等功能,感兴趣的可以去 GitHub 上下载源码。

2.1 示例简介

设想有一个戏剧演出团,演员们经常要去各种场合表演戏剧。通常客户(customer)会指定几出剧目,而剧团则根据观众(audience)人数及剧目类型来向客户收费。该团目前出演两种戏剧:悲剧(tragedy)和喜剧(comedy)。

给客户发出账单时,剧团还会根据到场观众的数量给出“观众量积分”(volume credit)优惠,下次客户再请剧团表演时可以使用积分获得折扣——你可以把它看作一种提升客户忠诚度的方式。

2.2 数据存储

该剧团将剧目的数据存储在一个简单的JSON文件中。

/* plays.json */
{
    "hamlet": {
        "name": "Hamlet",
        "type": "tragedy"
    },
    "as_like": {
        "name": "As You Like It",
        "type": "comedy"
    },
    "othello": {
        "name": "Othello",
        "type": "tragedy"
    }
}

该剧团将剧目的数据存储在一个简单的JSON文件中。

/* invoices.json */
[
    {
        "customer": "BigCo",
        "performances": [
            {
                "playID": "hamlet",
                "audience": 55
            },
            {
                "playID": "as_like",
                "audience": 35
            },
            {
                "playID": "othello",
                "audience": 40
            }
        ]
    }
]

2.3 原始示例代码

下面这个简单的函数用于打印账单详情:

/* statement.c */
#define STATEMENT_SIZE 1024

str_t* statement(tk_object_t* invoice, tk_object_t* plays) {
  double_t total_amount = 0;
  uint32_t volume_credits = 0;
  str_t* result = TKMEM_ZALLOC(str_t);
  const char* customer = tk_object_get_prop_str(invoice, "[0].customer");
  tk_object_t* performances = tk_object_get_prop_object(invoice, "[0].performances");
  uint32_t perf_num = tk_object_get_prop_uint32(performances, TK_OBJECT_PROP_SIZE, 0);

  str_init(result, 0);
  str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "Statement for %s\n", customer);

  for (uint32_t i = 0; i < perf_num; i++) {
    value_t v;
    uint32_t audience = 0;
    double_t curr_amount = 0;
    tk_object_t* perf = NULL;
    tk_object_t* play = NULL;
    const char* play_id = NULL;
    const char* play_name = NULL;
    const char* play_type = NULL;

    object_array_get(performances, i, &v);
    perf = value_object(&v);
    play_id = tk_object_get_prop_str(perf, "playID");
    audience = tk_object_get_prop_uint32(perf, "audience", 0);

    play = tk_object_get_prop_object(plays, play_id);
    play_name = tk_object_get_prop_str(play, "name");
    play_type = tk_object_get_prop_str(play, "type");

    if (tk_str_eq(play_type, "tragedy")) {
      curr_amount = 40000;
      if (audience > 30) {
        curr_amount += 1000 * (audience - 30);
      }
    } else if (tk_str_eq(play_type, "comedy")) {
      curr_amount = 30000;
      if (audience > 20) {
        curr_amount += 10000 + 500 * (audience - 20);
      }
      curr_amount += 300 * audience;
    } else {
      log_info("unknow type: %s", play_type);
    }

    /* 增加观众量积分 */
    volume_credits += tk_max(audience - 30, 0);
    /* 每增加10名戏剧观众可以获得额外积分 */
    if (tk_str_eq(play_type, "comedy")) {
      volume_credits += floor(audience / 5);
    }

    total_amount += curr_amount;

    /* 格式化输出每个剧目的收费 */
    str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "  %s: $%0.2f (%d seats)\n", play_name,
                      curr_amount / 100, audience);
  }

  /* 格式化输出总收费和获得的积分 */
  str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "Amount owed is $%.2f\n", total_amount / 100);
  str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "You earned %d credits\n", volume_credits);

  return result;
}

将 plays.json 和 invoices.json 转化成两个 object_t 类型的对象,传入上面的 statement() 函数,将得到的 result 结果打印出来,输出如下:

Statement for BigCo
  Hamlet: $650.00 (55 seats)
  As You Like It: $580.00 (35 seats)
  Othello: $500.00 (40 seats)
Amount owed is $1730.00
You earned 47 credits

2.4 代码的缺陷以及为什么要重构它

上面的示例代码最大的问题就是结构不清晰,功能都耦合在一起,难以进行后续的扩展,这是一个非常小的程序,这么小的程序不做任何深入的设计,将所有功能都放在一个 statement() 函数里面也不会太难理解,但如果这段代码放在一个更大规模的系统中,阅读起来很难看,而且理解也比较困难。

备注:虽然示例代码的结构很难看,但这个程序还是能正常跑的,编译器也不会在乎代码好不好看(理解),这里所谓"难看"是指从"人"的角度,也就是程序员的角度来讲,一段代码难以阅读且难以修改,并且人是会犯错的,一旦修改,就可能会引入新的bug,这是没有办法避免的。

当我们自己修改某段程序代码时,我们肯定希望这段代码能有良好的结构,并且已经被拆分成一系列函数或其他的类型、对象等,这样我们能更容易看懂这段代码在干什么。

因此,如果程序杂乱无章,先为它整理出结构来,再做需要的修改,通常来说更加简单

针对上面的示例,我们可以试想以下情况:

  • 假如我们希望以 HTML 格式输出详情清单:必须在每处给 result 追加字符串时添加分支逻辑,并且如果后续一旦计费逻辑发生编码,就必须同时修改两个地方。
  • 假如演员们尝试表演更多类型的戏剧,比如历史剧、田园剧、歌剧、舞剧等,戏剧场次的计费方式、积分方式都可能需要修改,这会导致 statement() 函数的代码越来越臃肿且复杂。

可以看出,如果不对 statement() 函数进行重构,在其原有基础上新增需求,随着规则越来越复杂,整个函数会变得非常庞大,并且在修改过程中也很容易发生改漏、改错等问题。

备注:如果你要给程序添加一个特性,但发现代码因缺乏良好的结构而不易于进行更改,那就先重构那个程序,使其比较容易添加该特性,然后再添加该特性。

这里书中提到了一个重点,是需求的变化使重构变得必要。如果一段代码能正常工作,并且不会再被修改,那么完全可以不去重构它。

从此也可以看出,只有当这段代码存在这被人阅读、被人修改的需求时,我们才有必要去重构它

2.5 重构前的准备工作

在重构一段代码前有一个必须要作的准备工作,那就是确保即将被修改的代码拥有一组可靠的测试

即使我们的能力出类拔萃,但我们依旧是人,有犯错的可能性,并且程序越大出错的概率越高,为了避免在重构过程中引入新的bug,并且节省调试时间,提高开发效率,这些测试比不可少。

statement() 函数的返回值是一个字符串,因此只需弄几张新的账单,检查该函数输出的字符串是否与预期的一致即可,这里为了方便演示,仍采用上文中的 plays.json 和 invoices.json ,在实际应用中是没有这么简单的。我习惯使用 gTest 工具来进行单元测试,测试代码如下:

备注:gTest 是一个由google公司发布的跨平台(Liunx、Mac OS X、Windows、Cygwin、Windows CE and Symbian)的C++测试框架。可以在 GitHub 上下载,我这里直接借用了 AWTK 中内置的 gTest(awtk/3rd/gtest)。

/* demo.cc */
#include <string>
#include "tkc/str.h"
#include "tkc/mem.h"
#include "gtest/gtest.h"
#include "../src/statement.h"

using std::string;

TEST(Demo, statement) {
/* 期望的输出信息 */
  const char* text =
      "Statement for BigCo\n"
      "  Hamlet: $650.00 (55 seats)\n"
      "  As You Like It: $580.00 (35 seats)\n"
      "  Othello: $500.00 (40 seats)\n"
      "Amount owed is $1730.00\n"
      "You earned 47 credits\n";
  
  /* 将plays.json和invoice.json转化为obj对象 */
  ...
  
  str_t* result = statement(invoice, plays);

  /* statement()函数的输出结果是否与期望一致 */
  ASSERT_EQ(str_eq(result, text), TRUE);

  /* 释放相关资源 */
  str_reset(result);
  TKMEM_FREE(result);
}

运行单元测试的输出结果如下:

在这里插入图片描述

备注:测试程序对结果的报告方式是很重要的,它们要么变绿,表示测试通过,要么就变红,然后列出失败清单并提示失败的行号,这样能帮助我们快速了解程序的情况并针对问题进行修改,不必花大量时间来回对比代码,提高开发速度。

重构前,先检查自己是否有一套可靠的测试集。这些测试必须有自我检验能力。

2.6 拆解statement()函数

首先是 statement() 函数中的用来计算一场戏剧演出费用的 if...else... 语句,这段代码可以抽取成一个独立的函数,将其命名为 amount_for_perf。

2.6.1 提炼函数

书中介绍了将一块代码抽取成一个函数时的标准流程——提炼函数:

  1. 检查提炼函数时有哪些变量会离开原本的作用域。在此示例中,有perf 、play、curr_amount 。前两个变量会被提炼后的函数使用,但不会被修改,可以以参数的方式传递给提炼后的函数。curr_amount 是会被修改变量,因此可以作为函数返回值,代码如下:
/* statement.c */
static double_t amount_for_perf(tk_object_t* perf, tk_object_t* play) {
  double_t curr_amount = 0;
  uint32_t audience = tk_object_get_prop_uint32(perf, "audience", 0);
  const char* play_name = tk_object_get_prop_str(play, "name");
  const char* play_type = tk_object_get_prop_str(play, "type");

  if (tk_str_eq(play_type, "tragedy")) {
    curr_amount = 40000;
    if (audience > 30) {
      curr_amount += 1000 * (audience - 30);
    }
  } else if (tk_str_eq(play_type, "comedy")) {
    curr_amount = 30000;
    if (audience > 20) {
      curr_amount += 10000 + 500 * (audience - 20);
    }
    curr_amount += 300 * audience;
  } else {
    log_info("unknow type: %s", play_type);
  }

  return curr_amount;
}

此时,在原来的 statement() 函数里就可以直接调用这个新函数来初始化 curr_amount 变量了,修改后编译程序并运行一下测试程序,确保修改正确

备注:测试是重构中非常重要的步骤,重构技术就是以微小的步伐修改程序。如果你犯下错误,通过测试程序很容易就可以发现它。

  1. 完成提炼函数后,看看是否能进一步提升其表达能力,第一步一般是给变量改名,使它们更简洁,比如这里可以将 curr_amount 重命名为 result,方便我们一眼知道它的作用,修改后记得编译、测试、提交。

  2. 接着我们可以看看函数的参数是否有更清晰的命名方式,比如给函数参数加上类型,让代码更加容易理解,将这里的 perf参数重命名为 a_performance,然后编译、测试、提交。

为什么要在变量名上花这么多功夫?有必要吗?

当然有必要!!!好的代码应该能清楚地表明他在做什么,而变量命名时代码清晰的关键,只要改名能提升代码的可读性,那就应该去做。

2.6.2 查询取代临时变量

仔细观察 amount_for_perf 函数的参数:

  • a_performance 从循环变量中来,每次循环都会改变。
  • play 是由 performance 变量计算得到的,因此根本没必要将它作为参数传入,可以在 amount_for_perf () 函数中计算得到。

备注:分解一个长函数时,可以将 play 这样的变量移除掉,因为它们创建了很多具有局部作用域的临时变量,这会使提炼函数更加复杂。

首先,将计算 play 变量的过程提炼为一个函数,代码如下:

/* statement.c */
static tk_object_t* play_for_perf(tk_object_t* a_performance, tk_object_t* plays) {
  const char* play_id = tk_object_get_prop_str(a_performance, "playID");
  return tk_object_get_prop_object(plays, play_id);
}

然后,将 amount_for_perf() 函数和 statement() 中使用到 play 变量的地方改为调用以上函数,代码如下:

static double_t amount_for_perf(tk_object_t* a_performance, tk_object_t* plays) {
  double_t result = 0;
  uint32_t audience = tk_object_get_prop_uint32(a_performance, "audience", 0);
  const char* play_name = tk_object_get_prop_str(play_for_perf(a_performance, plays), "name");
  const char* play_type = tk_object_get_prop_str(play_for_perf(a_performance, plays), "type");

  if (tk_str_eq(play_type, "tragedy")) {
    result = 40000;
    if (audience > 30) {
      result += 1000 * (audience - 30);
    }
  } else if (tk_str_eq(play_type, "comedy")) {
    result = 30000;
    if (audience > 20) {
      result += 10000 + 500 * (audience - 20);
    }
    result += 300 * audience;
  } else {
    log_info("unknow type: %s", play_type);
  }

  return result;
}

str_t* statement(tk_object_t* invoice, tk_object_t* plays) {
  double_t total_amount = 0;
  uint32_t volume_credits = 0;
  str_t* result = TKMEM_ZALLOC(str_t);
  const char* customer = tk_object_get_prop_str(invoice, "[0].customer");
  tk_object_t* performances = tk_object_get_prop_object(invoice, "[0].performances");
  uint32_t perf_num = tk_object_get_prop_uint32(performances, TK_OBJECT_PROP_SIZE, 0);

  str_init(result, 0);
  str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "Statement for %s\n", customer);

  for (uint32_t i = 0; i < perf_num; i++) {
    value_t v;
    uint32_t audience = 0;
    double_t curr_amount = 0;
    tk_object_t* perf = NULL;
    const char* play_name = NULL;
    const char* play_type = NULL;

    object_array_get(performances, i, &v);
    perf = value_object(&v);
    audience = tk_object_get_prop_uint32(perf, "audience", 0);
    curr_amount = amount_for_perf(perf, plays);

    play_name = tk_object_get_prop_str(play_for_perf(perf, plays), "name");
    play_type = tk_object_get_prop_str(play_for_perf(perf, plays), "type");

    /* 增加观众量积分 */
    volume_credits += tk_max(audience - 30, 0);
    /* 每增加10名戏剧观众可以获得额外积分 */
    if (tk_str_eq(play_type, "comedy")) {
      volume_credits += floor(audience / 5);
    }

    total_amount += curr_amount;

    /* 格式化输出每个剧目的收费 */
    str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "  %s: $%0.2f (%d seats)\n", play_name,
                      curr_amount / 100, audience);
  }

  /* 格式化输出总收费和获得的积分 */
  str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "Amount owed is $%.2f\n", total_amount / 100);
  str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "You earned %d credits\n", volume_credits);

  return result;
}

需要注意的是,重构前 play 变量的代码在每次循环中只执行了1次,而重构后却执行了3次。书中提到会在后面探讨重构与性能之间的关系,但在这里为了改进代码的结构,就先这样写了,后续再对结构良好的代码进行性能优化也比之前容易得多。

备注:移除局部变量的好处就是做提炼时会简单得多,因为需要操心的局部作用域变少了。

2.6.3 内联变量手法

观察一下 amount_for_perf() 函数的调用,它的结果被赋值给一个临时变量,之后就不再被修改,因此可以采用内联变量手法内联它。

即在使用到 curr_amount 的地方直接调用该函数,然后把 curr_amount 这个临时变量删除,代码如下:

str_t* statement(tk_object_t* invoice, tk_object_t* plays) {
  double_t total_amount = 0;
  uint32_t volume_credits = 0;
  str_t* result = TKMEM_ZALLOC(str_t);
  const char* customer = tk_object_get_prop_str(invoice, "[0].customer");
  tk_object_t* performances = tk_object_get_prop_object(invoice, "[0].performances");
  uint32_t perf_num = tk_object_get_prop_uint32(performances, TK_OBJECT_PROP_SIZE, 0);

  str_init(result, 0);
  str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "Statement for %s\n", customer);

  for (uint32_t i = 0; i < perf_num; i++) {
    value_t v;
    uint32_t audience = 0;
    tk_object_t* perf = NULL;
    const char* play_name = NULL;
    const char* play_type = NULL;

    object_array_get(performances, i, &v);
    perf = value_object(&v);
    audience = tk_object_get_prop_uint32(perf, "audience", 0);

    play_name = tk_object_get_prop_str(play_for_perf(perf, plays), "name");
    play_type = tk_object_get_prop_str(play_for_perf(perf, plays), "type");

    /* 增加观众量积分 */
    volume_credits += tk_max(audience - 30, 0);
    /* 每增加10名戏剧观众可以获得额外积分 */
    if (tk_str_eq(play_type, "comedy")) {
      volume_credits += floor(audience / 5);
    }

    total_amount += amount_for_perf(perf, plays);

    /* 格式化输出每个剧目的收费 */
    str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "  %s: $%0.2f (%d seats)\n", play_name,
                      amount_for_perf(perf, plays) / 100, audience);
  }

  /* 格式化输出总收费和获得的积分 */
  str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "Amount owed is $%.2f\n", total_amount / 100);
  str_append_format(result, STATEMENT_SIZE, "You earned %d credits\n", volume_credits);

  return result;
}

四、总结

到此为止,书的第一章内容也看了大半了,以上是书中一开始简单介绍的最简单、最常用的三种重构手法,我自己读下来最大体会就是对重构有了一个初步的了解,惊叹于作者对重构步骤的拆分之细,粒度非常小。

重构在我这里不再是一种抽象的概念,变成了严谨的、具有条理性的行为,它不是偶尔的灵光一闪,而是日积月累的改善,并且作者让我再次认识到了程序单元测试的重要性,一个结构良好、运行稳定的程序离不开完善高效的测试代码。

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