Python設(shè)計模式：用模式改變軟件設(shè)計

1、在軟件設(shè)計領(lǐng)域中，每一個設(shè)計模式都系統(tǒng)地命名、解釋和評價了面向?qū)ο笙到y(tǒng)中的一個重要的和可復(fù)用的設(shè)計。這樣，我們只要搞清楚這些設(shè)計模式，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，從而對軟件體系結(jié)構(gòu)有了比較全面的了解。51CTO推薦閱讀：Python閉包的概念、形式與應(yīng)用更加重要的是，這些模式都可以直接用來指導(dǎo)面向?qū)ο笙到y(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要的對象建模問題，實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)計模式MVC在長期的軟件實踐過程中，人們逐漸總結(jié)出了一些實用的設(shè)計模式，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)計上的

2、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)典的一個設(shè)計模式，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)交互軟件的時候，這類軟件的最大特點就是用戶界面容易改變，例如，當(dāng)你要擴(kuò)展一個應(yīng)用程序的功能時，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，要建立這樣一個靈活的系統(tǒng)通常是非常困難的，因為很容易產(chǎn)生錯誤。為了更好地開發(fā)這樣的軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計師必須考慮下面兩個因素：用戶界面應(yīng)該是易于改變的，甚至在運行期間也是有可能改變的；用戶界

3、面的修改或移植不會影響軟件的核心功能代碼。為了解決這個問題，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)計模式中，模型用來封裝核心數(shù)據(jù)和功能，它獨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。同一個模型可以對應(yīng)于多個視圖，這樣對于視

4、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，可以通知所有的視圖進(jìn)行更新?？刂破魇呛鸵晥D聯(lián)合使用的，它捕捉鼠標(biāo)移動、鼠標(biāo)點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)計模式將模型、視圖與控制器三個相對獨立的部分分隔開來，這樣可以改變軟件的一個子系統(tǒng)而不至于對其它子系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。例如，在將一個非圖形化用戶界面軟件修改為圖形化用戶界面軟件時，不需要對模型進(jìn)行修改，而添加一個對新的輸入

5、設(shè)備的支持，則通常不會對視圖產(chǎn)生任何影響。應(yīng)用了MVC設(shè)計模式的軟件系統(tǒng)，其基本的實現(xiàn)過程是：1.控制器創(chuàng)建模型；2.控制器創(chuàng)建一個或多個視圖，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，模型會通知與之相關(guān)的視圖進(jìn)行更新。如果用UML來表示MVC設(shè)計模式，則如圖1所示：Python與設(shè)計模式盡管設(shè)計模式的目標(biāo)是努力做到與語言的無關(guān)性，但事實上許多模式在應(yīng)用時還是需要依賴于具體實現(xiàn)語言的某些特性，尤其是該語言的對象模型。由于設(shè)計模式一書采用的是C+和Smalltalk來講述設(shè)計模式，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Py

6、thon中都無法用到，原因是Python采了與C+完全不同的對象模式。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幾個小時的原型系統(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，同時又能夠提供只有系統(tǒng)語言才可能擁有的某些高級特性。從面向?qū)ο蠼嵌葋砜?，Python和Smalltalk一樣都采用了完全的面向?qū)ο笤O(shè)計思想，其對象模型能夠支持諸如運算符重載、多重繼承等高級概念。但Pytho

7、n在設(shè)計時似乎忽略了面向?qū)ο蟮囊豁椈驹瓌t，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)計模式中，向外界隱藏數(shù)據(jù)和方法都是非常必要的，為此我們不得不利用Python對象模型提供的某些高級特性，來實現(xiàn)某種程度上的隱藏性。在Python中應(yīng)用設(shè)計模式的一個有利因素是它的動態(tài)類型綁定，也就是說

8、一個對象很少只是一個類的實例，而是可以在運行時動態(tài)改變。在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中，接口是一個基本的組成部分，對象只有通過它們的接口才能與外界進(jìn)行交互。對象的接口與其功能是完全分離的，支持相同請求的不同對象針對同一請求所觸發(fā)的操作可能完全不同，這就是動態(tài)綁定的概念。動態(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)的項目也越來越多，這也難怪會被大家推崇為"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)軟件時充

9、分利用已有的經(jīng)驗和成果將成為人們關(guān)注的焦點，而設(shè)計模式作為軟件復(fù)用的一個重要方面，其價值自然是不言而喻?？蓡栴}是目前所使用的設(shè)計模式大都是人們在用Smalltalk、C+和Java開發(fā)軟件時所總結(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)計模式，必須根據(jù)Python的自身特點和實際需要，靈活地加以運用。Python對象模型對一門具體的編程語言來說，在應(yīng)用設(shè)計模式時影響最大的莫過于它的對象模型了，這是因為大部分設(shè)計模式都源自于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)計模式，首先需要對Python的對象模型有一個比較清晰的認(rèn)識。1.類同其它

10、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：1. class <name>(superclass, .):  # 定義類  2.   data = value   # 共享的類變量  3.   def method(self, .):  # 類中的方法  4. self.member = v

11、alue  # 實例的數(shù)據(jù) 類定義從關(guān)鍵字class開始，并包含整個縮進(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）。一個類通常會有多個方法，它們都以關(guān)鍵字def開頭，并且第一個參數(shù)通常都是self，Python中的變量self相當(dāng)于C+中的關(guān)鍵字this，其作用是傳遞一個對象的引用。Python中的類屬性位于類的名字空間中，可以被所有的類實例所共享，這一點同C+和Java相同。訪問類屬性時不需要事先創(chuàng)建類的實例，直接使用類名就可以了。例如：1. >>> class Friend: 

12、0;2. default_age = 20 3. >>> Friend.default_age  4. 20 除了自定義的類屬性外，Python中的每個類其實都具有一些特殊的類屬性，它們都是由Python的對象模型所提供的。表1列出了這些類屬性：2.實例定義類的目的是為了創(chuàng)建它的實例，從面向?qū)ο蟮慕嵌瓤矗愂菍?shù)據(jù)及其相關(guān)操作的封裝，而類實例則是對現(xiàn)實生活中某個實體的抽象。假設(shè)定義了如下一個類：1. class School:  2.   def _init_(sel

13、f, name):  3.   = name  4.  self.students =   5.   def addStudent(self, student):  6.  self.students.append(student) 要創(chuàng)建School類的一個實例，可以執(zhí)行下面的語句：1. bit = School("Beijing Institute of&

14、#160;Technology") 2.  在C+和Java中創(chuàng)建類實例時，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)建一個類的實例時，將調(diào)用名為_init_的特殊方法。Python中的類實例繼承了類的所有方法和屬性，并且有自己獨立的名字空間，使用下面的方法可以訪問類實例的方法和屬性：1. bit.addStudent("gary")  2. bit.students Python中的對象屬性有一個非常有趣的地方，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，因為這些都是可以動態(tài)創(chuàng)建的。作為一

15、門動態(tài)類型語言，Python的這一特性的確非常靈活，但有時也難免產(chǎn)生問題。例如在許多針對接口的設(shè)計模式中，通常都需要知道對象所屬的類，以便能夠調(diào)用不同的實現(xiàn)方法，這些在C+和Java這些強(qiáng)類型語言的對象模型中不難實現(xiàn)，但對Python來講可就不那么簡單了，因為Python中的每個變量事實上都沒有固定的類型。為了解決這一問題，Python的_builtin_模塊提供了兩個非常實用的內(nèi)建函數(shù)：isinstance()和issubclass()。其中函數(shù)isinstance()用于測試一個對象是否是某個類的實例，如果是的話則返回1否則返回0。其基本的語法格式是：1. isinstance 

16、(instance_object, class_object)2.  例如：1. >>> class Test:  2. pass  3. >>> inst = Test()  4. >>> isinstance(inst, Test)  5. 1 而函數(shù)issubclass()則用于測試一個類是否是另一個類的子類，如果是的話則返回1，否則返回0。其基本的語法格式是：1. issubclass(clas

17、sobj1, classobj2)2.  例如：1. >>> class TestA:  2.  pass  3. >>> class TestB(TestA):  4.  pass  5. >>> issubclass(TestA, TestB)  6. 0  7. >>> issubclass(TestB, TestA)  8. 1

18、 和類一樣，Python中的每個類實例也具有一些特殊的屬性，它們都是由Python的對象模型所提供的。表2列出了這些屬性：3.繼承在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計中，繼承（Inheritance）允許子類從父類那里獲得屬性和方法，同時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：1. class <name>(superclass, superclass, .)  2. suit 例如，對于下面這個類：1. class Employee:  2.   def&#

19、160;_init_(self, name, salary = 0):  3.   = name  4.  self.salary = salary  5.   def raisesalary(self, percent):  6.  selfself.salary = self.salary  * (1 + perce

20、nt)  7.   def work(self):  8.   print , "writes computer code" 可以為其定義如下的子類：1. class Designer(Employee):  2.   def _init_(self, name):  3.   Employee._init_(self, name,

21、0;5000)  4.   def work(self):  5.   print , "writes design document" 在C+和Java的對象模型中，子類的構(gòu)造函數(shù)會自動調(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。人們對多重繼承的看法一直褒貶不一，C+對象模型允許多重繼承，而J

22、ava對象模型則是通過接口（Interface）來間接實現(xiàn)多重繼承的。在對多重繼承的處理上，Python采用了和C+類似的方法，即允許多重繼承，例如：1. class A:  2.   pass  3. class B(A):  4.   pass  5. class C:  6.   pass  7. class D(B, C):  8.   pass 4.多態(tài)嚴(yán)格說來，像C+和Jav

23、a這些強(qiáng)類型語言對象模型中的多態(tài)概念并不適用于Python，因為Python沒有提供類型聲明機(jī)制。但由于Python本身是一種動態(tài)類型語言，允許將任意值賦給任何一個變量，如果我們對多態(tài)的概念稍加擴(kuò)充，將其理解為具有能同時處理多種數(shù)據(jù)類型的函數(shù)或方法，那么Python對象模型實際上也支持經(jīng)過弱化后的多態(tài)。Python直到代碼運行之時才去決定一個變量所屬的類型，這一特性稱為運行時綁定（runtime binding）。Python解析器內(nèi)部雖然也對變量進(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變量num都沒有意

24、義，此時變量num事實上就進(jìn)行了非正式的類型分配。能夠處理不同抽象層次的對象，是面向?qū)ο缶幊套钪匾奶匦灾唬彩荘ython的一個非常重要的組成部分。下面的例子示范了如何讓Python中的一個函數(shù)能夠同時處理多種類型的數(shù)據(jù)，在C+的對象模型中，這種多態(tài)被稱為方法重載。1. class Polymorph:  2.   def deal_int(self, arg):  3.   print '%d is an integer' %

25、0;arg  4.   def deal_str(self, arg):  5.   print '%s is a string' % arg  6.   def deal(self, arg):  7.  if type(arg) = type(1):  8. self.deal_int(arg)  9.  e

26、lif type(arg) = type(' '):  10. self.deal_str(arg)  11.  else:  12. print '%s is not an integer or a string' % arg 這樣，Polymorph類中的方法deal就可以同時處理數(shù)字和字符串了：1. >>> p = Pol

27、ymorph()  2. >>> p.deal(100)  3. 100 is an integer  4. >>> p.deal("Hello World!")  5. Hello World! is a string 可見性Python對象模型對可見性的處理與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

28、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€重要特點，其目的是使對象具有優(yōu)良的封裝性：對象僅僅向外界提供訪問接口，而內(nèi)部實現(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并沒有提供對可見性進(jìn)行約束的機(jī)制，所有屬性和方法對任何人都是可見的，任何人想知道對象的內(nèi)部實現(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已經(jīng)封裝好的類進(jìn)行破壞，從某種程度上這

29、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，如果一個屬性的名稱是以兩個下劃線開始，同時又不是以下劃線結(jié)束的，那么它在編譯時將自動地被改寫為類名加上屬性名。例如：1. class Greeting:  2. _data = "Hello World!" 3. def _init_(self, str):  4. Greeting._data = str 5. >>> g = Greeting("Hello Gary!")  6. >>> dir (g) &#