Python設(shè)計模式-用模式改變軟件設(shè)計

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。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，當你要擴展一個應(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；◆用戶界面的修改或移植不會影響軟件的核心功能代碼。.專業(yè).專注. 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個視圖，這樣對于視圖而言，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行更新。鼠標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，不需要對模型進行修改，而添加一個對新的輸入設(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)；.專業(yè).專注..word可編輯.3.控制器負責改變模型的狀態(tài)；4.當模型的狀態(tài)發(fā)生改變時，模型會通知與之相關(guān)的視圖進行更新。UML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Python中都無法用到，原因是Python采了與C++完全不同的對象模式。.專業(yè).專注. 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蠼嵌葋砜矗琍ython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Python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GuidovanRossum所認為的那樣："豐富的語法帶來的負擔多于幫助"。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，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)的大家推崇為"下一代編程語言"中的典型代表。隨著應(yīng)用范.專業(yè).專注. 圍的不斷擴展，如何在用Python開發(fā)軟件時充分利用已有的經(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識。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：1.class<name>(superclass,...):#定義類datavalue的類變量defmethodself法selfmembervalue#實例的數(shù)據(jù)類類定義從關(guān)鍵字class開始，并包含整個縮進代碼塊，類中定義的方法和屬性構(gòu)成了類的名字空間(namespace)。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相當于C++中的關(guān)鍵字this，其作用是傳Python共.專業(yè).專注..word可編輯.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.>>>classFriend:defaultage3.>>>Friend.default_age.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?，類是對?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：finitselfnamee4.self.students=[]fstudentsappendstudent要創(chuàng)建School類的一個實例，可以執(zhí)行下面的語句：nstituteofTechnology.專業(yè).專注. 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性：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，必須先在類中進行聲明，因為這些都是可以動態(tài)創(chuàng)建的。作為一門動態(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：bjectclassobject例如：1.>>>classTest:3.>>>inst=Test()4.>>>isinstance(inst,Test)1.專業(yè).專注..word可編輯.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：classobj例如：1.>>>classTestA:3.>>>classTestB(TestA):pass5.>>>issubclass(TestA,TestB)7.>>>issubclass(TestB,TestA)8.1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象模型所提供的。表2列出了這些屬性：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,...)例如，對于下面這個類：.專業(yè).專注. definitselfnamesalary=0):eself.salary=salaryelfpercentlfselfsalaryselfsalarypercentkselfselfnamewritescomputercode可以為其定義如下的子類可以為其定義如下的子類：eefinitselfnameployeeinitselfnamedefwork(self):ritesdesigndocument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Java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：passsDBC4.多態(tài).專業(yè).專注. 嚴格說來，像C++和Java這些強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 (runtimebinding)。Python解析器內(nèi)部雖然也對變量進行類型分配，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都沒有意義，此時變量num事實上就進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。ealintselfargntdisanintegerargdefdeal_str(self,arg):sastringargselfargtypeargtypeintargeliftypeargtype'):10.self.deal_str(arg)11.else:12.print'%sisnotanintegerorastring'%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：.專業(yè).專注. 2.>>>p.deal(100)r4.>>>p.deal("HelloWorld!")ring可見性ava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，你可以在任何地方對它們進行任意的修改。能夠?qū)梢娦赃M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行約束的機制，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Python1.5，Guido才引入了名字壓縮(namemangling)的概念，使得類中的一些屬性得以局部化。在進行定義類時，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：2.__data="HelloWorld!"elfstrGreeting.__data=str5.>>>g=Greeting("HelloGary!")6.>>>dir(g)Greetingdata'__doc__','__init__','__module__'].專業(yè).專注. 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了類中的數(shù)據(jù)不被外界破壞。在Python中應(yīng)用設(shè)計模式◆創(chuàng)建型模式描述怎樣創(chuàng)建一個對象，以及如何隱藏對象創(chuàng)建的細節(jié)，從而使得程序代碼不依賴于具體的對象，這樣在增加一個新的對象時對代碼的改動非常小。◆結(jié)構(gòu)型模式描述類