Python設(shè)計(jì)模式：用模式改變軟件設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，每一個(gè)設(shè)計(jì)模式都系統(tǒng)地命名、解釋和評(píng)價(jià)了面向?qū)ο笙到y(tǒng)中的一個(gè)重要的和可復(fù)用的設(shè)計(jì)。這樣，我們只要搞清楚這些設(shè)計(jì)模式，就可以完全或者說很大程度上吸收了那些蘊(yùn)含在模式中的寶貴經(jīng)驗(yàn)，從而對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)有了比較全面的了解。
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更加重要的是，這些模式都可以直接用來指導(dǎo)面向?qū)ο笙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的對(duì)象建模問題，實(shí)際工作中一旦遇到具有相同背景的場合，只需要簡單地套用這些模式就可以了，從而省去了很多摸索工作。
經(jīng)典的設(shè)計(jì)模式MVC
在長期的軟件實(shí)踐過程中，人們逐漸總結(jié)出了一些實(shí)用的設(shè)計(jì)模式，并將它們應(yīng)用于具體的軟件系統(tǒng)中，出色地解決了很多設(shè)計(jì)上的難題。源于Smalltalk，并在Java中得到廣泛應(yīng)用的模型-視圖-控制器（Model-View-Controller，MVC）模式，是非常經(jīng)典的一個(gè)設(shè)計(jì)模式，通過它你可以更好地理解"模式"這一概念。
MVC模式通常用在開發(fā)人機(jī)交互軟件的時(shí)候，這類軟件的最大特點(diǎn)就是用戶界面容易改變，例如，當(dāng)你要擴(kuò)展一個(gè)應(yīng)用程序的功能時(shí)，通常需要修改菜單來反映這種變化。如果用戶界面和核心功能緊緊交織在一起，要建立這樣一個(gè)靈活的系統(tǒng)通常是非常困難的，因?yàn)楹苋菀桩a(chǎn)生錯(cuò)誤。為了更好地開發(fā)這樣的軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須考慮下面兩個(gè)因素：
◆用戶界面應(yīng)該是易于改變的，甚至在運(yùn)行期間也是有可能改變的；
◆用戶界面的修改或移植不會(huì)影響軟件的核心功能代碼。
為了解決這個(gè)問題，可以采用將模型（Model）、視圖（View）和控制器（Controller）相分離的思想。在這種設(shè)計(jì)模式中，模型用來封裝核心數(shù)據(jù)和功能，它獨(dú)立于特定的輸出表示和輸入行為，是執(zhí)行某些任務(wù)的代碼，至于這些任務(wù)以什么形式顯示給用戶，并不是模型所關(guān)注的問題。模型只有純粹的功能性接口，也就是一系列的公開方法，這些方法有的是取值方法，讓系統(tǒng)其它部分可以得到模型的內(nèi)部狀態(tài)，有的則是置值方法，允許系統(tǒng)的其它部分修改模型的內(nèi)部狀態(tài)。
視圖用來向用戶顯示信息，它獲得來自模型的數(shù)據(jù)，決定模型以什么樣的方式展示給用戶。同一個(gè)模型可以對(duì)應(yīng)于多個(gè)視圖，這樣對(duì)于視圖而言，模型就是可重用的代碼。一般來說，模型內(nèi)部必須保留所有對(duì)應(yīng)視圖的相關(guān)信息，以便在模型的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，可以通知所有的視圖進(jìn)行更新。
控制器是和視圖聯(lián)合使用的，它捕捉鼠標(biāo)移動(dòng)、鼠標(biāo)點(diǎn)擊和鍵盤輸入等事件，將其轉(zhuǎn)化成服務(wù)請求，然后再傳給模型或者視圖。整個(gè)軟件的用戶是通過控制器來與系統(tǒng)交互的，他通過控制器來操縱模型，從而向模型傳遞數(shù)據(jù)，改變模型的狀態(tài)，并最后導(dǎo)致視圖的更新。
MVC設(shè)計(jì)模式將模型、視圖與控制器三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分分隔開來，這樣可以改變軟件的一個(gè)子系統(tǒng)而不至于對(duì)其它子系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。例如，在將一個(gè)非圖形化用戶界面軟件修改為圖形化用戶界面軟件時(shí)，不需要對(duì)模型進(jìn)行修改，而添加一個(gè)對(duì)新的輸入設(shè)備的支持，則通常不會(huì)對(duì)視圖產(chǎn)生任何影響。應(yīng)用了MVC設(shè)計(jì)模式的軟件系統(tǒng)，其基本的實(shí)現(xiàn)過程是：
1.控制器創(chuàng)建模型；
2.控制器創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)視圖，并將它們與模型相關(guān)聯(lián)；
3.控制器負(fù)責(zé)改變模型的狀態(tài)；
4.當(dāng)模型的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，模型會(huì)通知與之相關(guān)的視圖進(jìn)行更新。
如果用UML來表示MVC設(shè)計(jì)模式，則如圖1所示：
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Python與設(shè)計(jì)模式
盡管設(shè)計(jì)模式的目標(biāo)是努力做到與語言的無關(guān)性，但事實(shí)上許多模式在應(yīng)用時(shí)還是需要依賴于具體實(shí)現(xiàn)語言的某些特性，尤其是該語言的對(duì)象模型。由于《設(shè)計(jì)模式》一書采用的是C++和Smalltalk來講述設(shè)計(jì)模式，因此訪問控制符和靜態(tài)成員方法（類方法）等都可以直接使用，可惜的是這些特性在Python中都無法用到，原因是Python采了與C++完全不同的對(duì)象模式。
簡單說來，Python是一種優(yōu)秀的面向?qū)ο竽_本語言，它具有動(dòng)態(tài)語義和快速的原型開發(fā)能力，也許在短短的幾分鐘內(nèi)，你就可以開發(fā)出使用其它語言可能需要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)的原型系統(tǒng)。Python豐富的工具集使得它位于傳統(tǒng)腳本語言（如Tcl、Perl和Scheme）和系統(tǒng)編程語言（如C、C++和Java）之間，既具備了腳本語言的簡單易用性，同時(shí)又能夠提供只有系統(tǒng)語言才可能擁有的某些高級(jí)特性。
從面向?qū)ο蠼嵌葋砜矗琍ython和Smalltalk一樣都采用了完全的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想，其對(duì)象模型能夠支持諸如運(yùn)算符重載、多重繼承等高級(jí)概念。但Python在設(shè)計(jì)時(shí)似乎忽略了面向?qū)ο蟮囊豁?xiàng)基本原則，那就是數(shù)據(jù)隱藏。與C++和Java不同，Python沒有為類定義提供public、protected和private等關(guān)鍵字，這就意味著任何人都可以直接修改對(duì)象的屬性。Python之所以這么做，也許是為了保證語法上的簡潔性，就像Python的發(fā)明人Guido van Rossum所認(rèn)為的那樣："豐富的語法帶來的負(fù)擔(dān)多于幫助"。但在某些設(shè)計(jì)模式中，向外界隱藏?cái)?shù)據(jù)和方法都是非常必要的，為此我們不得不利用Python對(duì)象模型提供的某些高級(jí)特性，來實(shí)現(xiàn)某種程度上的隱藏性。
在Python中應(yīng)用設(shè)計(jì)模式的一個(gè)有利因素是它的動(dòng)態(tài)類型綁定，也就是說一個(gè)對(duì)象很少只是一個(gè)類的實(shí)例，而是可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)改變。在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中，接口是一個(gè)基本的組成部分，對(duì)象只有通過它們的接口才能與外界進(jìn)行交互。
對(duì)象的接口與其功能是完全分離的，支持相同請求的不同對(duì)象針對(duì)同一請求所觸發(fā)的操作可能完全不同，這就是動(dòng)態(tài)綁定的概念。動(dòng)態(tài)綁定雖然看起來在一定程度上使得代碼不同那么容易理解和維護(hù)，但它的確可以使整個(gè)軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)顯得更加清晰和合理。
作為一門優(yōu)秀的腳本語言，Python正在被越來越多的人所接受，使用Python開發(fā)的項(xiàng)目也越來越多，這也難怪會(huì)被大家推崇為"下一代編程語言"中的典型代表。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，如何在用Python開發(fā)軟件時(shí)充分利用已有的經(jīng)驗(yàn)和成果將成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而設(shè)計(jì)模式作為軟件復(fù)用的一個(gè)重要方面，其價(jià)值自然是不言而喻。
可問題是目前所使用的設(shè)計(jì)模式大都是人們在用Smalltalk、C++和Java開發(fā)軟件時(shí)所總結(jié)出來的，因此或多或少地帶有這些語言的影子，而要想在Python中使用這些設(shè)計(jì)模式，必須根據(jù)Python的自身特點(diǎn)和實(shí)際需要，靈活地加以運(yùn)用。
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Python對(duì)象模型
對(duì)一門具體的編程語言來說，在應(yīng)用設(shè)計(jì)模式時(shí)影響最大的莫過于它的對(duì)象模型了，這是因?yàn)榇蟛糠衷O(shè)計(jì)模式都源自于C++和Java這類面向?qū)ο缶幊陶Z言。要想在Python中復(fù)用這些設(shè)計(jì)模式，首先需要對(duì)Python的對(duì)象模型有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)。
1.類
同其它面向?qū)ο缶幊陶Z言一樣，Python中的類也是一種用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，其基本的語法格式是：
- class <name>(superclass, ...): # 定義類
- data = value # 共享的類變量
- def method(self, ...): # 類中的方法
- self.member = value # 實(shí)例的數(shù)據(jù)
類定義從關(guān)鍵字class開始，并包含整個(gè)縮進(jìn)代碼塊，類中定義的方法和屬性構(gòu)成了類的名字空間（name space）。一個(gè)類通常會(huì)有多個(gè)方法，它們都以關(guān)鍵字def開頭，并且第一個(gè)參數(shù)通常都是self，Python中的變量self相當(dāng)于C++中的關(guān)鍵字this，其作用是傳遞一個(gè)對(duì)象的引用。Python中的類屬性位于類的名字空間中，可以被所有的類實(shí)例所共享，這一點(diǎn)同C++和Java相同。訪問類屬性時(shí)不需要事先創(chuàng)建類的實(shí)例，直接使用類名就可以了。例如：
- >>> class Friend:
- default_age = 20
- >>> Friend.default_age
- 20
除了自定義的類屬性外，Python中的每個(gè)類其實(shí)都具有一些特殊的類屬性，它們都是由Python的對(duì)象模型所提供的。表1列出了這些類屬性：
2.實(shí)例
定義類的目的是為了創(chuàng)建它的實(shí)例，從面向?qū)ο蟮慕嵌瓤矗愂菍?duì)數(shù)據(jù)及其相關(guān)操作的封裝，而類實(shí)例則是對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中某個(gè)實(shí)體的抽象。假設(shè)定義了如下一個(gè)類：
- class School:
- def __init__(self, name):
- self.name = name
- self.students = []
- def addStudent(self, student):
- self.students.append(student)
要?jiǎng)?chuàng)建School類的一個(gè)實(shí)例，可以執(zhí)行下面的語句：
- bit = School("Beijing Institute of Technology")
在C++和Java中創(chuàng)建類實(shí)例時(shí)，與類具有相同名稱的構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用，而在Python中創(chuàng)建一個(gè)類的實(shí)例時(shí)，將調(diào)用名為__init__的特殊方法。Python中的類實(shí)例繼承了類的所有方法和屬性，并且有自己獨(dú)立的名字空間，使用下面的方法可以訪問類實(shí)例的方法和屬性：
- bit.addStudent("gary")
- bit.students
Python中的對(duì)象屬性有一個(gè)非常有趣的地方，那就是使用它們之前不用像C++和Java那樣，必須先在類中進(jìn)行聲明，因?yàn)檫@些都是可以動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的。作為一門動(dòng)態(tài)類型語言，Python的這一特性的確非常靈活，但有時(shí)也難免產(chǎn)生問題。
例如在許多針對(duì)接口的設(shè)計(jì)模式中，通常都需要知道對(duì)象所屬的類，以便能夠調(diào)用不同的實(shí)現(xiàn)方法，這些在C++和Java這些強(qiáng)類型語言的對(duì)象模型中不難實(shí)現(xiàn)，但對(duì)Python來講可就不那么簡單了，因?yàn)镻ython中的每個(gè)變量事實(shí)上都沒有固定的類型。
為了解決這一問題，Python的__builtin__模塊提供了兩個(gè)非常實(shí)用的內(nèi)建函數(shù)：isinstance()和issubclass()。其中函數(shù)isinstance()用于測試一個(gè)對(duì)象是否是某個(gè)類的實(shí)例，如果是的話則返回1否則返回0。其基本的語法格式是：
- isinstance (instance_object, class_object)
例如：
- >>> class Test:
- pass
- >>> inst = Test()
- >>> isinstance(inst, Test)
- 1
而函數(shù)issubclass()則用于測試一個(gè)類是否是另一個(gè)類的子類，如果是的話則返回1，否則返回0。其基本的語法格式是：
- issubclass(classobj1, classobj2)
例如：
- >>> class TestA:
- pass
- >>> class TestB(TestA):
- pass
- >>> issubclass(TestA, TestB)
- 0
- >>> issubclass(TestB, TestA)
- 1
和類一樣，Python中的每個(gè)類實(shí)例也具有一些特殊的屬性，它們都是由Python的對(duì)象模型所提供的。表2列出了這些屬性：
3.繼承
在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中，繼承（Inheritance）允許子類從父類那里獲得屬性和方法，同時(shí)子類可以添加或者重載其父類中的任何方法。在Python中定義繼承類的語法格式是：
- class <name>(superclass, superclass, ...)
- suit
例如，對(duì)于下面這個(gè)類：
- class Employee:
- def __init__(self, name, salary = 0):
- self.name = name
- self.salary = salary
- def raisesalary(self, percent):
- selfself.salary = self.salary * (1 + percent)
- def work(self):
- print self.name, "writes computer code"
可以為其定義如下的子類：
- class Designer(Employee):
- def __init__(self, name):
- Employee.__init__(self, name, 5000)
- def work(self):
- print self.name, "writes design document"
在C++和Java的對(duì)象模型中，子類的構(gòu)造函數(shù)會(huì)自動(dòng)調(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)，但在Python中卻不是這樣，你必須在子類中顯示調(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)，這就是為什么在Designer. __init__方法中必須調(diào)用Employee.__init__方法的原因。
人們對(duì)多重繼承的看法一直褒貶不一，C++對(duì)象模型允許多重繼承，而Java對(duì)象模型則是通過接口（Interface）來間接實(shí)現(xiàn)多重繼承的。在對(duì)多重繼承的處理上，Python采用了和C++類似的方法，即允許多重繼承，例如：
- class A:
- pass
- class B(A):
- pass
- class C:
- pass
- class D(B, C):
- pass
4.多態(tài)
嚴(yán)格說來，像C++和Java這些強(qiáng)類型語言對(duì)象模型中的多態(tài)概念并不適用于Python，因?yàn)镻ython沒有提供類型聲明機(jī)制。但由于Python本身是一種動(dòng)態(tài)類型語言，允許將任意值賦給任何一個(gè)變量，如果我們對(duì)多態(tài)的概念稍加擴(kuò)充，將其理解為具有能同時(shí)處理多種數(shù)據(jù)類型的函數(shù)或方法，那么Python對(duì)象模型實(shí)際上也支持經(jīng)過弱化后的多態(tài)。
Python直到代碼運(yùn)行之時(shí)才去決定一個(gè)變量所屬的類型，這一特性稱為運(yùn)行時(shí)綁定（runtime binding）。Python解析器內(nèi)部雖然也對(duì)變量進(jìn)行類型分配，但卻十分模糊，并且只有在真正使用它們時(shí)才隱式地分配類型。例如，如果程序調(diào)用abs(num)，則除數(shù)字之外的任何類型對(duì)變量num都沒有意義，此時(shí)變量num事實(shí)上就進(jìn)行了非正式的類型分配。
能夠處理不同抽象層次的對(duì)象，是面向?qū)ο缶幊套钪匾奶匦灾唬彩荘ython的一個(gè)非常重要的組成部分。下面的例子示范了如何讓Python中的一個(gè)函數(shù)能夠同時(shí)處理多種類型的數(shù)據(jù)，在C++的對(duì)象模型中，這種多態(tài)被稱為方法重載。
- class Polymorph:
- def deal_int(self, arg):
- print '%d is an integer' % arg
- def deal_str(self, arg):
- print '%s is a string' % arg
- def deal(self, arg):
- if type(arg) == type(1):
- self.deal_int(arg)
- elif type(arg) == type(' '):
- self.deal_str(arg)
- else:
- print '%s is not an integer or a string' % arg
這樣，Polymorph類中的方法deal就可以同時(shí)處理數(shù)字和字符串了：
- >>> p = Polymorph()
- >>> p.deal(100)
- 100 is an integer
- >>> p.deal("Hello World!")
- Hello World! is a string
#p#
可見性
Python對(duì)象模型對(duì)可見性的處理與C++和Java完全不同。在C++和Java中，如果屬性或者方法被聲明為private，那就意味著它們只能在類中被訪問，而如果被聲明為protected，則只有該類或者其子類中的代碼能夠訪問這些屬性和方法。但在Python對(duì)象模型中，所有屬性和方法都是public的，也就是說數(shù)據(jù)沒有做相應(yīng)的保護(hù)，你可以在任何地方對(duì)它們進(jìn)行任意的修改。
能夠?qū)梢娦赃M(jìn)行約束是面向?qū)ο缶幊痰囊粋€(gè)重要特點(diǎn)，其目的是使對(duì)象具有優(yōu)良的封裝性：對(duì)象僅僅向外界提供訪問接口，而內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)則被很好地隱藏起來。奇怪的是作為一門面向?qū)ο竽_本語言，Python并沒有提供對(duì)可見性進(jìn)行約束的機(jī)制，所有屬性和方法對(duì)任何人都是可見的，任何人想知道對(duì)象的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)都是可能的。雖然這樣做能夠帶來部分效率上的優(yōu)化，但卻無法阻止其它程序員對(duì)已經(jīng)封裝好的類進(jìn)行破壞，從某種程度上這不得不說是Python帶給我們的一絲的缺憾。
直到Python 1.5，Guido才引入了名字壓縮（name mangling）的概念，使得類中的一些屬性得以局部化。在進(jìn)行定義類時(shí)，如果一個(gè)屬性的名稱是以兩個(gè)下劃線開始，同時(shí)又不是以下劃線結(jié)束的，那么它在編譯時(shí)將自動(dòng)地被改寫為類名加上屬性名。例如：
- class Greeting:
- __data = "Hello World!"
- def __init__(self, str):
- Greeting.__data = str
- >>> g = Greeting("Hello Gary!")
- >>> dir (g)
- ['_Greeting__data', '__doc__', '__init__', '__module__']
從上面的顯示結(jié)果可以看出，Greeting類的屬性__data變成了_Greeting__data。雖然這樣仍然無法阻止外界對(duì)它的訪問，但的確使得訪問變得不再那么直接了，從而在一定程序上保護(hù)了類中的數(shù)據(jù)不被外界破壞。
在Python中應(yīng)用設(shè)計(jì)模式
◆創(chuàng)建型模式描述怎樣創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，以及如何隱藏對(duì)象創(chuàng)建的細(xì)節(jié)，從而使得程序代碼不依賴于具體的對(duì)象，這樣在增加一個(gè)新的對(duì)象時(shí)對(duì)代碼的改動(dòng)非常小。
◆結(jié)構(gòu)型模式描述類和對(duì)象之間如何進(jìn)行有效的組織，形成良好的軟件體系結(jié)構(gòu)，主要的方法是使用繼承關(guān)系來組織各個(gè)類。
◆行為型模式描述類或?qū)ο笾g如何交互以及如何分配職責(zé)，實(shí)際上它所牽涉的不僅僅是類或?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式，還有它們之間的通訊模式。
這些設(shè)計(jì)模式如果能夠在Python中直接應(yīng)用的話，對(duì)所有Python程序員來講毫無疑問將是一筆非常寶貴的財(cái)富，因?yàn)樗鼈兊恼_性和有效性已經(jīng)被無數(shù)次的實(shí)踐所驗(yàn)證過了。如果想在Python中靈活地運(yùn)行這些設(shè)計(jì)模式，可以遵循下面的幾個(gè)步驟：
（1）接受設(shè)計(jì)模式
（2）識(shí)別設(shè)計(jì)模式
（3）運(yùn)用設(shè)計(jì)模式
首先，你應(yīng)該認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)模式的確能夠改善你所設(shè)計(jì)的軟件。其次，你必須仔細(xì)研究每一種設(shè)計(jì)模式，學(xué)習(xí)如何在Python中應(yīng)用這些模式，以便在今后需要時(shí)能夠用到它們。最后，你要努力做到對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)模式都有非常清晰的認(rèn)識(shí)，最好能夠形成自己的獨(dú)到見解，清楚哪個(gè)模式能夠解決哪個(gè)設(shè)計(jì)上的問題，并將它們真正應(yīng)用到你用Python開發(fā)的軟件中去。所有的設(shè)計(jì)模式都來源于實(shí)踐，最終也將付諸于實(shí)踐，只有通過實(shí)踐中你才可能掌握每個(gè)模式的精髓所在。
小結(jié)
設(shè)計(jì)模式就是解決軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中某個(gè)特定問題的特定方法，它最初起源于建筑設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在軟件開發(fā)領(lǐng)域中。設(shè)計(jì)模式是軟件復(fù)用的一種特定形式，理論上它與具體的語言無關(guān)，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常會(huì)依賴于語言所提供的某些特性。
Python是一門優(yōu)秀的面向?qū)ο竽_本語言，它的對(duì)象模型會(huì)影響到部分設(shè)計(jì)模式的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)模式按其目的可以被劃分成不同的種類，分別用于解決不同方面的實(shí)際問題。
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