设计模式（Design Patterns）——可复用面向对象软件的基础
设计模式（Design pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 毫无疑问，设计模式于己于他人于系统都是多赢的，设计模式使代码编制真正工程化，设计模式是软件工程的基石，如同大厦的一块块砖石一样。
项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题，每种模式在现在中都有相应的原理来与之对应，每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是它能被广泛应用的原因。
经典的《设计模式》一书归纳出23种设计模式，这23种模式又可归为，创建型、结构型和行为型3大类
设计模式6大原则
1、开闭原则（Open Close Principle）
开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是：为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类，后面的具体设计中我们会提到这点。
2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）
里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。—— From Baidu 百科
3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）
这个是开闭原则的基础，具体内容：是对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。
4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）
这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。
5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）
为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。
6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）
原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。
1.创建型模式
前面讲过，社会化的分工越来越细，自然在软件设计方面也是如此，因此对象的创建和对象的使用分开也就成为了必然趋势。因为对象的创建会消耗掉系统的很多资源，所以单独对对象的创建进行研究，从而能够高效地创建对象就是创建型模式要探讨的问题。这里有6个具体的创建型模式可供研究，它们分别是：
单例模式
单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，该模式的主要目的是确保某一个类只有一个实例存在。当你希望在整个系统中，某个类只能出现一个实例时，单例对象就能派上用场。
比如，某个服务器程序的配置信息存放在一个文件中，客户端通过一个 AppConfig 的类来读取配置文件的信息。如果在程序运行期间，有很多地方都需要使用配置文件的内容，也就是说，很多地方都需要创建 AppConfig 对象的实例，这就导致系统中存在多个 AppConfig 的实例对象，而这样会严重浪费内存资源，尤其是在配置文件内容很多的情况下。事实上，类似 AppConfig 这样的类，我们希望在程序运行期间只存在一个实例对象
1 class Singleton(object):
2 def __init__(self):
3 pass
4
5 def __new__(cls, *args, **kwargs):
6 if not hasattr(Singleton, "_instance"): # 反射
7 Singleton._instance = object.__new__(cls)
8 return Singleton._instance
9
10 obj1 = Singleton()
11 obj2 = Singleton()
12 print(obj1, obj2) #<__main__.Singleton object at 0x004415F0> <__main__.Singleton object at 0x004415F0>
工厂模式
工厂模式是一个在软件开发中用来创建对象的设计模式。
工厂模式包涵一个超类。这个超类提供一个抽象化的接口来创建一个特定类型的对象，而不是决定哪个对象可以被创建。
为了实现此方法，需要创建一个工厂类创建并返回。
当程序运行输入一个“类型”的时候，需要创建于此相应的对象。这就用到了工厂模式。在如此情形中，实现代码基于工厂模式，可以达到可扩展，可维护的代码。当增加一个新的类型，不在需要修改已存在的类，只增加能够产生新类型的子类。
简短的说，当以下情形可以使用工厂模式：
1.不知道用户想要创建什么样的对象
2.当你想要创建一个可扩展的关联在创建类与支持创建对象的类之间。
一个例子更能很好的理解以上的内容：
- 我们有一个基类Person ，包涵获取名字，性别的方法 。有两个子类male 和female，可以打招呼。还有一个工厂类。
- 工厂类有一个方法名getPerson有两个输入参数，名字和性别。
- 用户使用工厂类，通过调用getPerson方法。
在程序运行期间，用户传递性别给工厂，工厂创建一个与性别有关的对象。因此工厂类在运行期，决定了哪个对象应该被创建
class Person:
def __init__(self):
self.name = None
self.gender = None
def getName(self):
return self.name
def getGender(self):
return self.gender
class Male(Person):
def __init__(self, name):
print "Hello Mr." + name
class Female(Person):
def __init__(self, name):
print "Hello Miss." + name
class Factory:
def getPerson(self, name, gender):
if gender == ‘M':
return Male(name)
if gender == 'F':
return Female(name)
if __name__ == '__main__':
factory = Factory()
person = factory.getPerson("Chetan", "M")
建造者模式
将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
相关模式：思路和模板方法模式很像，模板方法是封装算法流程，对某些细节，提供接口由子类修改，建造者模式更为高层一点，将所有细节都交由子类实现
一个例子更能很好的理解以上的内容：
- 有一个接口类，定义创建对象的方法。一个指挥员类，接受创造者对象为参数。两个创造者类，创建对象方法相同，内部创建可自定义
- 一个指挥员，两个创造者(瘦子 胖子)，指挥员可以指定由哪个创造者来创造
from abc import ABCMeta, abstractmethod
class Builder():
__metaclass__ = ABCMeta
@abstractmethod
def draw_left_arm(self):
pass
@abstractmethod
def draw_right_arm(self):
pass
@abstractmethod
def draw_left_foot(self):
pass
@abstractmethod
def draw_right_foot(self):
pass
@abstractmethod
def draw_head(self):
pass
@abstractmethod
def draw_body(self):
pass
class Thin(Builder):
def draw_left_arm(self):
print '画左手'
def draw_right_arm(self):
print '画右手'
def draw_left_foot(self):
print '画左脚'
def draw_right_foot(self):
print '画右脚'
def draw_head(self):
print '画头'
def draw_body(self):
print '画瘦身体'
class Fat(Builder):
def draw_left_arm(self):
print '画左手'
def draw_right_arm(self):
print '画右手'
def draw_left_foot(self):
print '画左脚'
def draw_right_foot(self):
print '画右脚'
def draw_head(self):
print '画头'
def draw_body(self):
print '画胖身体'
class Director():
def __init__(self, person):
self.person=person
def draw(self):
self.person.draw_left_arm()
self.person.draw_right_arm()
self.person.draw_left_foot()
self.person.draw_right_foot()
self.person.draw_head()
self.person.draw_body()
if __name__=='__main__':
thin=Thin()
fat=Fat()
director_thin=Director(thin)
director_thin.draw()
director_fat=Director(fat)
director_fat.draw()
原型模式
用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。
原型模式本质就是克隆对象，所以在对象初始化操作比较复杂的情况下，很实用，能大大降低耗时，提高性能，因为“不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态”。
浅拷贝（Shallow Copy）:指对象的字段被拷贝，而字段引用的对象不会被拷贝，拷贝的对象和源对象只是名称相同，但是他们共用一个实体。
深拷贝（deep copy）:对对象实例中字段引用的对象也进行拷贝。
import copy
from collections import OrderedDict
class Book:
def __init__(self, name, authors, price, **rest):
'''rest的例子有：出版商、长度、标签、出版日期'''
self.name = name
self.authors = authors
self.price = price # 单位为美元
self.__dict__.update(rest)
def __str__(self):
mylist = []
ordered = OrderedDict(sorted(self.__dict__.items()))
for i in ordered.keys():
mylist.append('{}: {}'.format(i, ordered[i]))
if i == 'price':
mylist.append('$')
mylist.append('\n')
return ''.join(mylist)
class Prototype:
def __init__(self):
self.objects = dict()
def register(self, identifier, obj):
self.objects[identifier] = obj
def unregister(self, identifier):
del self.objects[identifier]
def clone(self, identifier, **attr):
found = self.objects.get(identifier)
if not found:
raise ValueError('Incorrect object identifier: {}'.format(identifier))
obj = copy.deepcopy(found)
obj.__dict__.update(attr)
return obj
def main():
b1 = Book('The C Programming Language', ('Brian W. Kernighan', 'Dennis M.Ritchie'),
price=118, publisher='Prentice Hall', length=228, publication_date='1978-02-22',
tags=('C', 'programming', 'algorithms', 'data structures'))
prototype = Prototype()
cid = 'k&r-first'
prototype.register(cid, b1)
b2 = prototype.clone(cid, name='The C Programming Language(ANSI)', price=48.99,
length=274, publication_date='1988-04-01', edition=2)
for i in (b1, b2):
print(i)
print("ID b1 : {} != ID b2 : {}".format(id(b1), id(b2)))
if __name__ == '__main__':
main()
2.结构型模式
在解决了对象的创建问题之后，对象的组成以及对象之间的依赖关系就成了开发人员关注的焦点，因为如何设计对象的结构、继承和依赖关系会影响到后续程序的维护性、代码的健壮性、耦合性等。对象结构的设计很容易体现出设计人员水平的高低，这里有7个具体的结构型模式可供研究，它们分别是：
适配器模式
所谓适配器模式是指是一种接口适配技术，它可通过某个类来使用另一个接口与之不兼容的类，运用此模式，两个类的接口都无需改动。
适配器模式主要应用于希望复用一些现存的类，但是接口又与复用环境要求不一致的情况，比如在需要对早期代码复用一些功能等应用上很有实际价值。
解释二:
适配器模式(Adapter Pattern):将一个类的接口转换成为客户希望的另外一个接口.Adapter Pattern使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作.
应用场景:系统数据和行为都正确,但接口不符合时,目的是使控制范围之外的一个原有对象与某个接口匹配,适配器模式主要应用于希望复用一些现存的类,但接口又与复用环境不一致的情况
class Target(object):
def request(self):
print "普通请求"
class Adaptee(object):
def specific_request(self):
print "特殊请求"
class Adapter(Target):
def __init__(self):
self.adaptee = Adaptee()
def request(self):
self.adaptee.specific_request()
if __name__ == "__main__":
target = Adapter()
target.request()
修饰器模式
在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责
该模式虽名为修饰器，但这并不意味着它应该只用于让产品看起来更漂亮。修饰器模式通常用于扩展一个对象的功能。这类扩展的实际例子有，给枪加一个消音器、使用不同的照相机镜头
__author__ = "Burgess Zheng"
#!/usr/bin/env python
#-*- coding:utf-8 -*-
'''
Decorator
'''
class foo(object):
def f1(self):
print("original f1")
def f2(self):
print("original f2")
class foo_decorator(object):
def __init__(self, decoratee):
self._decoratee = decoratee
def f1(self):
print("decorated f1")
self._decoratee.f1()
def __getattr__(self, name):
return getattr(self._decoratee, name)
u = foo()
v = foo_decorator(u)
v.f1()
v.f2()
外观模式
外观模式又叫做门面模式。在面向对象程序设计中，解耦是一种推崇的理念。但事实上由于某些系统中过于复杂，从而增加了客户端与子系统之间的耦合度。例如：在家观看多媒体影院时，更希望按下一个按钮就能实现影碟机，电视，音响的协同工作，而不是说每个机器都要操作一遍。这种情况下可以采用外观模式，即引入一个类对子系统进行包装，让客户端与其进行交互。
外观模式(Facade Pattern)：外部与一个子系统的通信必须通过一个统一的外观对象进行，为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，外观模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。外观模式又称为门面模式，它是一种对象结构型模式。
假设有一组火警报警系统，由三个子元件构成：一个警报器，一个喷水器，一个自动拨打电话的装置。
class AlarmSensor:
def run(self):
print("Alarm Ring...")
class WaterSprinker:
def run(self):
print("Spray Water...")
class EmergencyDialer:
def run(self):
print("Dial 119...")
class EmergencyFacade:
"""
外观类中封装了对子系统的操作
"""
def __init__(self):
self.alarm_sensor=AlarmSensor()
self.water_sprinker=WaterSprinker()
self.emergency_dialer=EmergencyDialer()
def runAll(self):
self.alarm_sensor.run()
self.water_sprinker.run()
self.emergency_dialer.run()
if __name__=="__main__":
emergency_facade=EmergencyFacade()
emergency_facade.runAll()
根据“单一职责原则”，在软件中将一个系统划分为若干个子系统有利于降低整个系统的复杂性，一个常见的设计目标是使子系统间的通信和相互依赖关系达到最小，而达到该目标的途径之一就是引入一个外观对象，它为子系统的访问提供了一个简单而单一的入口。 外观模式也是“迪米特法则”的体现，通过引入一个新的外观类可以降低原有系统的复杂度，同时降低客户类与子系统类的耦合度。
外观模式要求一个子系统的外部与其内部的通信通过一个统一的外观对象进行，外观类将客户端与子系统的内部复杂性分隔开，使得客户端只需要与外观对象打交道，而不需要与子系统内部的很多对象打交道。 外观模式的目的在于降低系统的复杂程度。 外观模式从很大程度上提高了客户端使用的便捷性，使得客户端无须关心子系统的工作细节，通过外观角色即可调用相关功能。
优点：
主要优点在于对客户屏蔽子系统组件，减少了客户处理的对象数目并使得子系统使用起来更加容易，它实现了子系统与客户之间的松耦合关系，并降低了大型软件系统中的编译依赖性，简化了系统在不同平台之间的移植过程；
缺点：
其缺点在于不能很好地限制客户使用子系统类，而且在不引入抽象外观类的情况下，增加新的子系统可能需要修改外观类或客户端的源代码，违背了“开闭原则”。
享元模式
运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
内部状态：享元对象中不会随环境改变而改变的共享部分。比如围棋棋子的颜色。
外部状态：随环境改变而改变、不可以共享的状态就是外部状态。比如围棋棋子的位置。
应用场景：程序中使用了大量的对象，如果删除对象的外部状态，可以用相对较少的共享对象取代很多组对象，就可以考虑使用享元模式。
1 import random
2 from enum import Enum
3 TreeType = Enum('TreeType', 'apple_tree cherry_tree peach_tree')
4
5 class Tree:
6 pool = dict()
7 def __new__(cls, tree_type):
8 obj = cls.pool.get(tree_type, None)
9 if not obj:
10 obj = object.__new__(cls)
11 cls.pool[tree_type] = obj
12 obj.tree_type = tree_type
13 return obj
14
15 def render(self, age, x, y):
16 print('render a tree of type {} and age {} at ({}, {})'.format(self.tree_type, age, x, y))
17
18
19 def main():
20 rnd = random.Random()
21 age_min, age_max = 1, 30 # 单位为年
22 min_point, max_point = 0, 100
23 tree_counter = 0
24 for _ in range(10):
25 t1 = Tree(TreeType.apple_tree)
26 t1.render(rnd.randint(age_min, age_max),
27 rnd.randint(min_point, max_point),
28 rnd.randint(min_point, max_point))
29 tree_counter += 1
30 for _ in range(3):
31 t2 = Tree(TreeType.cherry_tree)
32 t2.render(rnd.randint(age_min, age_max),
33 rnd.randint(min_point, max_point),
34 rnd.randint(min_point, max_point))
35 tree_counter += 1
36 for _ in range(5):
37 t3 = Tree(TreeType.peach_tree)
38 t3.render(rnd.randint(age_min, age_max),
39 rnd.randint(min_point, max_point),
40 rnd.randint(min_point, max_point))
41 tree_counter += 1
42
43 print('trees rendered: {}'.format(tree_counter))
44 print('trees actually created: {}'.format(len(Tree.pool)))
45 t4 = Tree(TreeType.cherry_tree)
46 t5 = Tree(TreeType.cherry_tree)
47 t6 = Tree(TreeType.apple_tree)
48 print('{} == {}? {}'.format(id(t4), id(t5), id(t4) == id(t5)))
49 print('{} == {}? {}'.format(id(t5), id(t6), id(t5) == id(t6)))
50
51 main()
代理模式
在直接访问对象时带来的问题，比如说：要访问的对象在远程的机器上。在面向对象系统中，有些对象由于某些原因（比如对象创建开销很大，或者某些操作需要安全控制，或者需要进程外的访问），直接访问会给使用者或者系统结构带来很多麻烦，我们可以在访问此对象时加上一个对此对象的访问层。
__author__ = "Burgess Zheng"
#!/usr/bin/env python
#-*- coding:utf-8 -*-
'''
Proxy
'''
# 代理模式
# 应用特性：需要在通信双方中间需要一些特殊的中间操作时引用，多加一个中间控制层。
# 结构特性：建立一个中间类，创建一个对象，接收一个对象，然后把两者联通起来
class sender_base:
def __init__(self):
pass
def send_something(self, something):
pass
class send_class(sender_base):
def __init__(self, receiver):
self.receiver = receiver
def send_something(self, something):
print("SEND " + something + ' TO ' + self.receiver.name)
class agent_class(sender_base):
def __init__(self, receiver):
self.send_obj = send_class(receiver)
def send_something(self, something):
self.send_obj.send_something(something)
class receive_class:
def __init__(self, someone):
self.name = someone
if '__main__' == __name__:
receiver = receive_class('Burgess')
agent = agent_class(receiver)
agent.send_something('agentinfo')
print(receiver.__class__)
print(agent.__class__)
3.行为型模式
在对象的结构和对象的创建问题都解决了之后，就剩下对象的行为问题了，如果对象的行为设计的好，那么对象的行为就会更清晰，它们之间的协作效率就会提高，这里有11个具体的行为型模式可供研究，它们分别是：