设计模式-Python

类之间的关系

泛化关系(generalization)

类的继承结构表现在UML中为：泛化(generalize)与实现(realize)：

继承关系为 is-a的关系；两个对象之间如果可以用 is-a 来表示，就是继承关系：（..是..)

eg：自行车是车、猫是动物

泛化关系用一条带空心箭头的直接表示；如下图表示（A继承自B）；

eg：汽车在现实中有实现，可用汽车定义具体的对象；汽车与SUV之间为泛化关系；

注：最终代码中，泛化关系表现为继承非抽象类；

实现关系(realize)

实现关系用一条带空心箭头的虚线表示；

eg：”车”为一个抽象概念，在现实中并无法直接用来定义对象；只有指明具体的子类(汽车还是自行车)，才 可以用来定义对象（”车”这个类在C++中用抽象类表示，在JAVA中有接口这个概念，更容易理解）

注：最终代码中，实现关系表现为继承抽象类；

聚合关系(aggregation)

聚合关系用一条带空心菱形箭头的直线表示，如下图表示A聚合到B上，或者说B由A组成；

聚合关系用于表示实体对象之间的关系，表示整体由部分构成的语义；例如一个部门由多个员工组成；

与组合关系不同的是，整体和部分不是强依赖的，即使整体不存在了，部分仍然存在；例如， 部门撤销了，人员不会消失，他们依然存在；

组合关系(composition)

组合关系用一条带实心菱形箭头直线表示，如下图表示A组成B，或者B由A组成；

与聚合关系一样，组合关系同样表示整体由部分构成的语义；比如公司由多个部门组成；

但组合关系是一种强依赖的特殊聚合关系，如果整体不存在了，则部分也不存在了；例如， 公司不存在了，部门也将不存在了；

关联关系(association)

关联关系是用一条直线表示的；它描述不同类的对象之间的结构关系；它是一种静态关系， 通常与运行状态无关，一般由常识等因素决定的；它一般用来定义对象之间静态的、天然的结构； 所以，关联关系是一种“强关联”的关系；

比如，乘车人和车票之间就是一种关联关系；学生和学校就是一种关联关系；

关联关系默认不强调方向，表示对象间相互知道；如果特别强调方向，如下图，表示A知道B，但 B不知道A；

注：在最终代码中，关联对象通常是以成员变量的形式实现的；

依赖关系(dependency)

依赖关系是用一套带箭头的虚线表示的；如下图表示A依赖于B；他描述一个对象在运行期间会用到另一个对象的关系；

与关联关系不同的是，它是一种临时性的关系，通常在运行期间产生，并且随着运行时的变化； 依赖关系也可能发生变化；

显然，依赖也有方向，双向依赖是一种非常糟糕的结构，我们总是应该保持单向依赖，杜绝双向依赖的产生；

注：在最终代码中，依赖关系体现为类构造方法及类方法的传入参数，箭头的指向为调用关系；依赖关系除了临时知道对方外，还是“使用”对方的方法和属性；

创建型模式

创建型模式(Creational Pattern)对类的实例化过程进行了抽象，能够将软件模块中对象的创建和对象的使用分离。为了使软件的结构更加清晰，外界对于这些对象只需要知道它们共同的接口，而不清楚其具体的实现细节，使整个系统的设计更加符合单一职责原则。

创建型模式在创建什么(What)，由谁创建(Who)，何时创建(When)等方面都为软件设计者提供了尽可能大的灵活性。创建型模式隐藏了类的实例的创建细节，通过隐藏对象如何被创建和组合在一起达到使整个系统独立的目的。

包含模式

• • 简单工厂模式（Simple Factory）

    重要程度：4 （5为满分）

• • 工厂方法模式（Factory Method）

    重要程度：5

• • 抽象工厂模式（Abstract Factory）

    重要程度：5

• • 建造者模式（Builder）

    重要程度：2

• • 原型模式（Prototype）

    重要程度：3

• • 单例模式（Singleton）

    重要程度：4

结构型模式

结构型模式(Structural Pattern)描述如何将类或者对 象结合在一起形成更大的结构，就像搭积木，可以通过 简单积木的组合形成复杂的、功能更为强大的结构。

结构型模式可以分为类结构型模式和对象结构型模式：

• 类结构型模式关心类的组合，由多个类可以组合成一个更大的

系统，在类结构型模式中一般只存在继承关系和实现关系。 - 对象结构型模式关心类与对象的组合，通过关联关系使得在一 个类中定义另一个类的实例对象，然后通过该对象调用其方法。 根据“合成复用原则”，在系统中尽量使用关联关系来替代继 承关系，因此大部分结构型模式都是对象结构型模式。

包含模式

• • 适配器模式(Adapter)

    重要程度：4

• • 桥接模式(Bridge)

    重要程度：3

• • 组合模式(Composite)

    重要程度：4

• • 装饰模式(Decorator)

    重要程度：3

• • 外观模式(Facade)

    重要程度：5

• • 享元模式(Flyweight)

    重要程度：1

• • 代理模式(Proxy)

    重要程度：4

行为型模式

行为型模式(Behavioral Pattern)是对在不同的对象之间划分责任和算法的抽象化。

行为型模式不仅仅关注类和对象的结构，而且重点关注它们之间的相互作用。

通过行为型模式，可以更加清晰地划分类与对象的职责，并研究系统在运行时实例对象 之间的交互。在系统运行时，对象并不是孤立的，它们可以通过相互通信与协作完成某些复杂功能，一个对象在运行时也将影响到其他对象的运行。

行为型模式分为类行为型模式和对象行为型模式两种：

• 类行为型模式：类的行为型模式使用继承关系在几个类之间分配行为，类行为型模式主要通过多态等方式来分配父类与子类的职责。
• 对象行为型模式：对象的行为型模式则使用对象的聚合关联关系来分配行为，对象行为型模式主要是通过对象关联等方式来分配两个或多个类的职责。根据“合成复用原则”，系统中要尽量使用关联关系来取代继承关系，因此大部分行为型设计模式都属于对象行为型设计模式。

包含模式

• • 职责链模式(Chain of Responsibility)

    重要程度：3

• • 命令模式(Command)

    重要程度：4

• • 解释器模式(Interpreter)

    重要程度：1

• • 迭代器模式(Iterator)

    重要程度：5

• • 中介者模式(Mediator)

    重要程度：2

• • 备忘录模式(Memento)

    重要程度：2

• • 观察者模式(Observer)

    重要程度：5

• • 状态模式(State)

    重要程度：3

• • 策略模式(Strategy)

    重要程度：4

• • 模板方法模式(Template Method)

    重要程度：3

• • 访问者模式(Visitor)

    重要程度：1

1. 简单工厂模式( Simple Factory Pattern )

1.1. 模式动机

考虑一个简单的软件应用场景，一个软件系统可以提供多个外观不同的按钮（如圆形按钮、矩形按钮、菱形按钮等）， 这些按钮都源自同一个基类，不过在继承基类后不同的子类修改了部分属性从而使得它们可以呈现不同的外观，如果我们希望在使用这些按钮时，不需要知道这些具体按钮类的名字，只需要知道表示该按钮类的一个参数，并提供一个调用方便的方法，把该参数传入方法即可返回一个相应的按钮对象，此时，就可以使用简单工厂模式。

1.2. 模式定义

简单工厂模式(Simple Factory Pattern)：又称为静态工厂方法(Static Factory Method)模式，它属于类创建型模式。在简单工厂模式中，可以根据参数的不同返回不同类的实例。简单工厂模式专门定义一个类来负责创建其他类的实例，被创建的实例通常都具有共同的父类。

1.3. 模式结构

简单工厂模式包含如下角色：

• • Factory：工厂角色

    工厂角色负责实现创建所有实例的内部逻辑

• • Product：抽象产品角色

    抽象产品角色是所创建的所有对象的父类，负责描述所有实例所共有的公共接口

• • ConcreteProduct：具体产品角色

    具体产品角色是创建目标，所有创建的对象都充当这个角色的某个具体类的实例。

1.4. 时序图

1.5. 代码分析

from abc import ABC, abstractmethod

# 抽象产品角色
class Product(ABC):
    @abstractmethod
    def use(self):
        pass

# 具体产品角色A
class ConcreteProductA(Product):
    def use(self):
        print("使用具体产品A")

# 具体产品角色B
class ConcreteProductB(Product):
    def use(self):
        print("使用具体产品B")

# 工厂角色
class Factory:
    @staticmethod
    def create_product(arg):
        if arg == "A":
            return ConcreteProductA()
        elif arg == "B":
            return ConcreteProductB()
        else:
            return None

# 客户端调用
if __name__ == "__main__":
    product = Factory.create_product("A")
    if product:
        product.use()
    
    product_b = Factory.create_product("B")
    if product_b:
        product_b.use()

1.6. 模式分析

• 将对象的创建和对象本身业务处理分离可以降低系统的耦合度，使得两者修改起来都相对容易。
• 在调用工厂类的工厂方法时，由于工厂方法是静态方法，使用起来很方便，可通过类名直接调用，而且只需要传入一个简单的参数即可，在实际开发中，还可以在调用时将所传入的参数保存在XML等格式的配置文件中，修改参数时无须修改任何源代码。
• 简单工厂模式最大的问题在于工厂类的职责相对过重，增加新的产品需要修改工厂类的判断逻辑，这一点与开闭原则是相违背的。
• 简单工厂模式的要点在于：当你需要什么，只需要传入一个正确的参数，就可以获取你所需要的对象，而无须知道其创建细节。

1.7. 实例

(略）

1.8. 简单工厂模式的优点

• 工厂类含有必要的判断逻辑，可以决定在什么时候创建哪一个产品类的实例，客户端可以免除直接创建产品对象的责任，而仅仅“消费”产品；简单工厂模式通过这种做法实现了对责任的分割，它提供了专门的工厂类用于创建对象。
• 客户端无须知道所创建的具体产品类的类名，只需要知道具体产品类所对应的参数即可，对于一些复杂的类名，通过简单工厂模式可以减少使用者的记忆量。
• 通过引入配置文件，可以在不修改任何客户端代码的情况下更换和增加新的具体产品类，在一定程度上提高了系统的灵活性。

1.9. 简单工厂模式的缺点

• 由于工厂类集中了所有产品创建逻辑，一旦不能正常工作，整个系统都要受到影响。
• 使用简单工厂模式将会增加系统中类的个数，在一定程序上增加了系统的复杂度和理解难度。
• 系统扩展困难，一旦添加新产品就不得不修改工厂逻辑，在产品类型较多时，有可能造成工厂逻辑过于复杂，不利于系统的扩展和维护。
• 简单工厂模式由于使用了静态工厂方法，造成工厂角色无法形成基于继承的等级结构。

1.10. 适用环境

在以下情况下可以使用简单工厂模式：

• 工厂类负责创建的对象比较少：由于创建的对象较少，不会造成工厂方法中的业务逻辑太过复杂。
• 客户端只知道传入工厂类的参数，对于如何创建对象不关心：客户端既不需要关心创建细节，甚至连类名都不需要记住，只需要知道类型所对应的参数。

1.11. 模式应用

1. JDK类库中广泛使用了简单工厂模式，如工具类java.text.DateFormat，它用于格式化一个本地日期或者时间。

public final static DateFormat getDateInstance();
public final static DateFormat getDateInstance(int style);
public final static DateFormat getDateInstance(int style,Locale
locale);

1. Java加密技术

获取不同加密算法的密钥生成器:

KeyGenerator keyGen=KeyGenerator.getInstance("DESede");

创建密码器:

Cipher cp=Cipher.getInstance("DESede");

1.12. 总结

• 创建型模式对类的实例化过程进行了抽象，能够将对象的创建与对象的使用过程分离。
• 简单工厂模式又称为静态工厂方法模式，它属于类创建型模式。在简单工厂模式中，可以根据参数的不同返回不同类的实例。简单工厂模式专门定义一个类来负责创建其他类的实例，被创建的实例通常都具有共同的父类。
• 简单工厂模式包含三个角色：工厂角色负责实现创建所有实例的内部逻辑；抽象产品角色是所创建的所有对象的父类，负责描述所有实例所共有的公共接口；具体产品角色是创建目标，所有创建的对象都充当这个角色的某个具体类的实例。
• 简单工厂模式的要点在于：当你需要什么，只需要传入一个正确的参数，就可以获取你所需要的对象，而无须知道其创建细节。
• 简单工厂模式最大的优点在于实现对象的创建和对象的使用分离，将对象的创建交给专门的工厂类负责，但是其最大的缺点在于工厂类不够灵活，增加新的具体产品需要修改工厂类的判断逻辑代码，而且产品较多时，工厂方法代码将会非常复杂。
• 简单工厂模式适用情况包括：工厂类负责创建的对象比较少；客户端只知道传入工厂类的参数，对于如何创建对象不关心。

2. 工厂方法模式(Factory Method Pattern)

2.1. 模式动机

现在对该系统进行修改，不再设计一个按钮工厂类来统一负责所有产品的创建，而是将具体按钮的创建过程交给专门的工厂子类去完成，我们先定义一个抽象的按钮工厂类，再定义具体的工厂类来生成圆形按钮、矩形按钮、菱形按钮等，它们实现在抽象按钮工厂类中定义的方法。这种抽象化的结果使这种结构可以在不修改具体工厂类的情况下引进新的产品，如果出现新的按钮类型，只需要为这种新类型的按钮创建一个具体的工厂类就可以获得该新按钮的实例，这一特点无疑使得工厂方法模式具有超越简单工厂模式的优越性，更加符合“开闭原则”。

2.2. 模式定义

工厂方法模式(Factory Method Pattern)又称为工厂模式，也叫虚拟构造器(Virtual Constructor)模式或者多态工厂(Polymorphic Factory)模式，它属于类创建型模式。在工厂方法模式中，工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口，而工厂子类则负责生成具体的产品对象，这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成，即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。

2.3. 模式结构

工厂方法模式包含如下角色：

• Product：抽象产品
• ConcreteProduct：具体产品
• Factory：抽象工厂
• ConcreteFactory：具体工厂

2.4. 时序图

2.5. 代码分析

from abc import ABC, abstractmethod

# 抽象产品角色
class Product(ABC):
    @abstractmethod
    def use(self):
        pass

# 具体产品角色
class ConcreteProduct(Product):
    def use(self):
        print("使用具体产品")

# 抽象工厂角色
class Factory(ABC):
    @abstractmethod
    def factoryMethod(self) -> Product:
        pass

# 具体工厂角色
class ConcreteFactory(Factory):
    def factoryMethod(self) -> Product:
        return ConcreteProduct()

# 客户端调用
if __name__ == "__main__":
    # 创建具体工厂
    factory = ConcreteFactory()
    # 通过工厂方法获取产品对象
    product = factory.factoryMethod()
    # 使用产品
    product.use()

2.6. 模式分析

工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象和推广。由于使用了面向对象的多态性，工厂方法模式保持了简单工厂模式的优点，而且克服了它的缺点。在工厂方法模式中，核心的工厂类不再负责所有产品的创建，而是将具体创建工作交给子类去做。这个核心类仅仅负责给出具体工厂必须实现的接口，而不负责哪一个产品类被实例化这种细节，这使得工厂方法模式可以允许系统在不修改工厂角色的情况下引进新产品。

2.7. 实例

日志记录器

某系统日志记录器要求支持多种日志记录方式，如文件记录、数据库记录等，且用户可以根据要求动态选择日志记录方式， 现使用工厂方法模式设计该系统。

结构图：

时序图：

2.7.1. 代码实现

from abc import ABC, abstractmethod

class Log(ABC):
    """抽象产品：日志记录器接口"""
    def __init__(self):
        print("初始化日志系统...")

    @abstractmethod
    def write_log(self):
        """记录日志的抽象方法"""
        pass

    def __del__(self):
        """析构方法，对应类图中的 ~Log()"""
        print("关闭日志资源...")


class FileLog(Log):
    """具体产品：文件日志记录器"""
    def __init__(self):
        # 必须显式调用父类构造函数以确保基础初始化完成
        super().__init__()
        print("初始化文件日志记录器...")

    def write_log(self):
        print("文件日志记录：将日志信息写入本地文件。")

    def __del__(self):
        # 先执行子类的清理逻辑
        print("清理文件句柄...")
        # 再调用父类的析构方法
        super().__del__()


class DatabaseLog(Log):
    """具体产品：数据库日志记录器"""
    def write_log(self):
        # 此处复用了父类的 __init__ 和 __del__，因为没有额外的特殊资源需要管理
        print("数据库日志记录：将日志信息保存到数据库。")


class LogFactory(ABC):
    """抽象工厂：日志工厂接口"""
    def __init__(self):
        print("初始化日志工厂...")

    @abstractmethod
    def create_log(self) -> Log:
        """工厂方法，返回一个 Log 对象"""
        pass

    def __del__(self):
        """对应类图中的 ~LogFactory()"""
        print("销毁工厂实例...")


class FileLogFactory(LogFactory):
    """具体工厂：专门生产文件日志记录器"""
    def create_log(self) -> Log:
        return FileLog()


class DatabaseLogFactory(LogFactory):
    """具体工厂：专门生产数据库日志记录器"""
    def create_log(self) -> Log:
        return DatabaseLog()


if __name__ == "__main__":
    # 场景1：需要使用文件日志功能
    print("--- 场景1：使用文件日志 ---")
    file_factory = FileLogFactory()
    file_logger = file_factory.create_log()
    file_logger.write_log()
    
    # 显式触发销毁（模拟对象超出作用域）
    del file_logger
    del file_factory

    print("\n--- 场景2：需要切换到数据库日志 ---")
    # 只需要更换工厂类，后续使用代码完全一致
    db_factory = DatabaseLogFactory()
    db_logger = db_factory.create_log()
    db_logger.write_log()
    
    # 程序结束时会自动调用剩余对象的 __del__

2.8. 工厂方法模式的优点

• 在工厂方法模式中，工厂方法用来创建客户所需要的产品，同时还向客户隐藏了哪种具体产品类将被实例化这一细节，用户只需要关心所需产品对应的工厂，无须关心创建细节，甚至无须知道具体产品类的类名。
• 基于工厂角色和产品角色的多态性设计是工厂方法模式的关键。它能够使工厂可以自主确定创建何种产品对象，而如何创建这个对象的细节则完全封装在具体工厂内部。工厂方法模式之所以又被称为多态工厂模式，是因为所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。
• 使用工厂方法模式的另一个优点是在系统中加入新产品时，无须修改抽象工厂和抽象产品提供的接口，无须修改客户端，也无须修改其他的具体工厂和具体产品，而只要添加一个具体工厂和具体产品就可以了。这样，系统的可扩展性也就变得非常好，完全符合“开闭原则”。

2.9. 工厂方法模式的缺点

• 在添加新产品时，需要编写新的具体产品类，而且还要提供与之对应的具体工厂类，系统中类的个数将成对增加，在一定程度上增加了系统的复杂度，有更多的类需要编译和运行，会给系统带来一些额外的开销。
• 由于考虑到系统的可扩展性，需要引入抽象层，在客户端代码中均使用抽象层进行定义，增加了系统的抽象性和理解难度，且在实现时可能需要用到DOM、反射等技术，增加了系统的实现难度。

2.10. 适用环境

在以下情况下可以使用工厂方法模式：

• 一个类不知道它所需要的对象的类：在工厂方法模式中，客户端不需要知道具体产品类的类名，只需要知道所对应的工厂即可，具体的产品对象由具体工厂类创建；客户端需要知道创建具体产品的工厂类。
• 一个类通过其子类来指定创建哪个对象：在工厂方法模式中，对于抽象工厂类只需要提供一个创建产品的接口，而由其子类来确定具体要创建的对象，利用面向对象的多态性和里氏代换原则，在程序运行时，子类对象将覆盖父类对象，从而使得系统更容易扩展。
• 将创建对象的任务委托给多个工厂子类中的某一个，客户端在使用时可以无须关心是哪一个工厂子类创建产品子类，需要时再动态指定，可将具体工厂类的类名存储在配置文件或数据库中。

2.11. 模式应用

JDBC中的工厂方法:

Connection conn=DriverManager.getConnection("jdbc:microsoft:sqlserver://loc
alhost:1433; DatabaseName=DB;user=sa;password=");
Statement statement=conn.createStatement();
ResultSet rs=statement.executeQuery("select * from UserInfo");

2.12. 模式扩展

• 使用多个工厂方法：在抽象工厂角色中可以定义多个工厂方法，从而使具体工厂角色实现这些不同的工厂方法，这些方法可以包含不同的业务逻辑，以满足对不同的产品对象的需求。
• 产品对象的重复使用：工厂对象将已经创建过的产品保存到一个集合（如数组、List等）中，然后根据客户对产品的请求，对集合进行查询。如果有满足要求的产品对象，就直接将该产品返回客户端；如果集合中没有这样的产品对象，那么就创建一个新的满足要求的产品对象，然后将这个对象在增加到集合中，再返回给客户端。
• 多态性的丧失和模式的退化：如果工厂仅仅返回一个具体产品对象，便违背了工厂方法的用意，发生退化，此时就不再是工厂方法模式了。一般来说，工厂对象应当有一个抽象的父类型，如果工厂等级结构中只有一个具体工厂类的话，抽象工厂就可以省略，也将发生了退化。当只有一个具体工厂，在具体工厂中可以创建所有的产品对象，并且工厂方法设计为静态方法时，工厂方法模式就退化成简单工厂模式。

2.13. 总结

• 工厂方法模式又称为工厂模式，它属于类创建型模式。在工厂方法模式中，工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口，而工厂子类则负责生成具体的产品对象，这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成，即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。
• 工厂方法模式包含四个角色：抽象产品是定义产品的接口，是工厂方法模式所创建对象的超类型，即产品对象的共同父类或接口；具体产品实现了抽象产品接口，某种类型的具体产品由专门的具体工厂创建，它们之间往往一一对应；抽象工厂中声明了工厂方法，用于返回一个产品，它是工厂方法模式的核心，任何在模式中创建对象的工厂类都必须实现该接口；具体工厂是抽象工厂类的子类，实现了抽象工厂中定义的工厂方法，并可由客户调用，返回一个具体产品类的实例。
• 工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象和推广。由于使用了面向对象的多态性，工厂方法模式保持了简单工厂模式的优点，而且克服了它的缺点。在工厂方法模式中，核心的工厂类不再负责所有产品的创建，而是将具体创建工作交给子类去做。这个核心类仅仅负责给出具体工厂必须实现的接口，而不负责产品类被实例化这种细节，这使得工厂方法模式可以允许系统在不修改工厂角色的情况下引进新产品。
• 工厂方法模式的主要优点是增加新的产品类时无须修改现有系统，并封装了产品对象的创建细节，系统具有良好的灵活性和可扩展性；其缺点在于增加新产品的同时需要增加新的工厂，导致系统类的个数成对增加，在一定程度上增加了系统的复杂性。
• 工厂方法模式适用情况包括：一个类不知道它所需要的对象的类；一个类通过其子类来指定创建哪个对象；将创建对象的任务委托给多个工厂子类中的某一个，客户端在使用时可以无须关心是哪一个工厂子类创建产品子类，需要时再动态指定。