常见设计模式 (python代码实现)

1.创建型模式

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

class Singleton(object):
    def __init__(self):
        pass

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"): # 反射
            Singleton._instance = object.__new__(cls)
        return Singleton._instance

obj1 = Singleton()
obj2 = Singleton()
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：

1. 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。
2.  工厂类有一个方法名getPerson有两个输入参数，名字和性别。
3.  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：

1. 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

2.一个指挥员，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('
')
            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()

"""
>>> python3 prototype.py
authors: ('Brian W. Kernighan', 'Dennis M. Ritchie')
length: 228
name: The C Programming Language
price: 118$
publication_date: 1978-02-22
publisher: Prentice Hall
tags: ('C', 'programming', 'algorithms', 'data structures')


authors: ('Brian W. Kernighan', 'Dennis M. Ritchie')
edition: 2
length: 274
name: The C Programming Language (ANSI)
price: 48.99$
publication_date: 1988-04-01
publisher: Prentice Hall
tags: ('C', 'programming', 'algorithms', 'data structures')

ID b1 : 140004970829304 != ID b2 : 140004970829472
"""

2.结构型模式

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

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

import functools
def memoize(fn):
    known = dict()
    @functools.wraps(fn)
    def memoizer(*args):
        if args not in known:
            known[args] = fn(*args)
        return known[args]
    return memoizer
@memoize
def nsum(n):
    '''返回前n个数字的和'''
    assert(n >= 0), 'n must be >= 0'
    return 0 if n == 0 else n + nsum(n-1)
@memoize
def fibonacci(n):
    '''返回斐波那契数列的第n个数'''
    assert(n >= 0), 'n must be >= 0'
    return n if n in (0, 1) else fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)
if __name__ == '__main__':
    from timeit import Timer
    measure = [ {'exec':'fibonacci(100)', 'import':'fibonacci',
    'func':fibonacci},{'exec':'nsum(200)', 'import':'nsum',
    'func':nsum} ]
    for m in measure:
        t = Timer('{}'.format(m['exec']), 'from __main__ import{}'.format(m['import']))
        print('name: {}, doc: {}, executing: {}, time:{}'.format(m['func'].__name__, m['func'].__doc__,m['exec'], t.timeit()))

"""
>>> python3 mymath.py
name: fibonacci, doc: Returns the nth number of the Fibonacci
sequence, executing: fibonacci(100), time: 0.4169441329995607
name: nsum, doc: Returns the sum of the first n numbers,
executing: nsum(200), time: 0.4160157349997462
"""

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。

from enum import Enum
from abc import ABCMeta, abstractmethod

State = Enum('State', 'new running sleeping restart zombie')


class User:
    pass


class Process:
    pass


class File:
    pass


class Server(metaclass=ABCMeta):
    @abstractmethod
    def __init__(self):
        pass

    def __str__(self):
        return self.name

    @abstractmethod
    def boot(self):
        pass

    @abstractmethod
    def kill(self, restart=True):
        pass


class FileServer(Server):
    def __init__(self):
        '''初始化文件服务进程要求的操作'''
        self.name = 'FileServer'
        self.state = State.new

    def boot(self):
        print('booting the {}'.format(self))
        '''启动文件服务进程要求的操作'''
        self.state = State.running

    def kill(self, restart=True):
        print('Killing {}'.format(self))
        '''终止文件服务进程要求的操作'''
        self.state = State.restart if restart else State.zombie

    def create_file(self, user, name, permissions):
        '''检查访问权限的有效性、用户权限等'''
        print("trying to create the file '{}' for user '{}' with permissions{}".format(name, user, permissions))


class ProcessServer(Server):
    def __init__(self):
        '''初始化进程服务进程要求的操作'''
        self.name = 'ProcessServer'
        self.state = State.new

    def boot(self):
        print('booting the {}'.format(self))
        '''启动进程服务进程要求的操作'''
        self.state = State.running

    def kill(self, restart=True):
        print('Killing {}'.format(self))
        '''终止进程服务进程要求的操作'''
        self.state = State.restart if restart else State.zombie

    def create_process(self, user, name):
        '''检查用户权限和生成PID等'''
        print("trying to create the process '{}' for user '{}'".format(name, user))


class WindowServer:
    pass


class NetworkServer:
    pass


class OperatingSystem:
    '''外观'''

    def __init__(self):
        self.fs = FileServer()
        self.ps = ProcessServer()

    def start(self):
        [i.boot() for i in (self.fs, self.ps)]

    def create_file(self, user, name, permissions):
        return self.fs.create_file(user, name, permissions)

    def create_process(self, user, name):
        return self.ps.create_process(user, name)


def main():
    os = OperatingSystem()
    os.start()
    os.create_file('foo', 'hello', '-rw-r-r')
    os.create_process('bar', 'ls /tmp')


if __name__ == '__main__':
    main()

"""
booting the FileServer
booting the ProcessServer
trying to create the file 'hello' for user 'foo' with permissions-rw-r-r
trying to create the process 'ls /tmp' for user 'bar'
"""

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。

import random
from enum import Enum
TreeType = Enum('TreeType', 'apple_tree cherry_tree peach_tree')

class Tree:
    pool = dict()
    def __new__(cls, tree_type):
        obj = cls.pool.get(tree_type, None)
        if not obj:
            obj = object.__new__(cls)
            cls.pool[tree_type] = obj
            obj.tree_type = tree_type
        return obj

    def render(self, age, x, y):
        print('render a tree of type {} and age {} at ({}, {})'.format(self.tree_type, age, x, y))


def main():
    rnd = random.Random()
    age_min, age_max = 1, 30 # 单位为年
    min_point, max_point = 0, 100
    tree_counter = 0
    for _ in range(10):
        t1 = Tree(TreeType.apple_tree)
        t1.render(rnd.randint(age_min, age_max),
                rnd.randint(min_point, max_point),
                rnd.randint(min_point, max_point))
        tree_counter += 1
    for _ in range(3):
        t2 = Tree(TreeType.cherry_tree)
        t2.render(rnd.randint(age_min, age_max),
                rnd.randint(min_point, max_point),
                rnd.randint(min_point, max_point))
        tree_counter += 1
    for _ in range(5):
        t3 = Tree(TreeType.peach_tree)
        t3.render(rnd.randint(age_min, age_max),
                    rnd.randint(min_point, max_point),
                    rnd.randint(min_point, max_point))
        tree_counter += 1

    print('trees rendered: {}'.format(tree_counter))
    print('trees actually created: {}'.format(len(Tree.pool)))
    t4 = Tree(TreeType.cherry_tree)
    t5 = Tree(TreeType.cherry_tree)
    t6 = Tree(TreeType.apple_tree)
    print('{} == {}? {}'.format(id(t4), id(t5), id(t4) == id(t5)))
    print('{} == {}? {}'.format(id(t5), id(t6), id(t5) == id(t6)))

main()

"""
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 28 at (29, 80)
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 28 at (38, 94)
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 16 at (82, 84)
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 18 at (43, 98)
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 2 at (84, 72)
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 16 at (89, 29)
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 30 at (91, 53)
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 12 at (92, 73)
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 3 at (11, 54)
render a tree of type TreeType.apple_tree and age 1 at (34, 59)
render a tree of type TreeType.cherry_tree and age 11 at (67, 72)
render a tree of type TreeType.cherry_tree and age 27 at (65, 81)
render a tree of type TreeType.cherry_tree and age 27 at (10, 48)
render a tree of type TreeType.peach_tree and age 11 at (35, 38)
render a tree of type TreeType.peach_tree and age 3 at (58, 83)
render a tree of type TreeType.peach_tree and age 18 at (73, 50)
render a tree of type TreeType.peach_tree and age 24 at (94, 3)
render a tree of type TreeType.peach_tree and age 4 at (2, 9)
trees rendered: 18
trees actually created: 3
4866032 == 4866032? True
4866032 == 4742704? False

"""

模型-视图-控制器模式

代理模式

3.行为型模式

责任链模式

命令模式

解释器模式

观察者模式

状态模式

策略模式

模板模式