设计模式

问题：有一个糖果公司需要设计一个糖果售卖机，控制流程如下图，需要怎么实现？ 这是一个状态图，每个圆圈都是一种状态。很明显，有有25分钱、 没有25分钱、 售出糖果、 糖果售罄四个状态，同时也对应四个动作：投入25分钱，退回25分钱，转动曲柄和发放糖果。 那如何从状态图得到真正的代码呢？ 简单代码实现如下： #! -*- coding: utf-8 -*- class GumballMachine: # 找出所有状态，并创建实例变量来持有当前状态，然后定义状态的值 STATE_SOLD_OUT = 0 STATE_NO_QUARTER = 1 STATE_HAS_QUARTER = 2 STATE_SOLD = 3 state = STATE_SOLD_OUT def __init__(self, count=0): self.count = count if count > 0: self.state = self.STATE_NO_QUARTER def __str__(self): return "Gumball machine current state: %s" % self.state def insert_quarter(self): # 投入25分钱 if self.state == self.STATE_HAS_QUARTER: # 如果已经投过 print("You can't insert another quarter") elif self.state == self.STATE_NO_QUARTER: # 如果没有投过 self.state = self.STATE_HAS_QUARTER print("You inserted a quarter") elif self.state == self.STATE_SOLD_OUT: # 如果已经售罄 print("You can't insert a quarter, the machine is sold out") elif self.state == self.STATE_SOLD: # 如果刚刚买了糖果 print("Please wait, we're already giving you a gumball") def eject_quarter(self): # 退回25分 if self.state == self.STATE_HAS_QUARTER: print("Quarter returned") self.state = self.STATE_NO_QUARTER elif self.state == self.STATE_NO_QUARTER: print("You haven't inserted a quarter") elif self.state == self.STATE_SOLD: print("Sorry, you alread turned the crank") elif self.state == self.SOLD_OUT: print("You can't eject, you haven't inserted") def turn_crank(self): # 转动曲柄 if self.state == self.STATE_SOLD: print("Turning twice doesn't get you another gumball") elif self.state == self.STATE_NO_QUARTER: print("You turned but there's no quarter") elif self.state == self.STATE_SOLD_OUT: print("You turned, but there are no gumballs") elif self.state == self.STATE_HAS_QUARTER: print("You turned...") self.state = self.STATE_SOLD self.dispense() def dispense(self): # 发放糖果 if self.state == self.STATE_SOLD: print("A gumball comes rolling out the slot") self.count -= 1 if self.count == 0: self.state = self.STATE_SOLD_OUT else: self.state = self.STATE_NO_QUARTER elif self.state == self.STATE_NO_QUARTER: print("You need to pay first") elif self.state == self.STATE_SOLD_OUT: print("No gumball dispensed") elif self.state == self.STATE_HAS_QUARTER: print("No gumball dispensed") if __name__ == "__main__": # 以下是代码测试 gumball_machine = GumballMachine(5) # 装入5 个糖果 print(gumball_machine) gumball_machine.insert_quarter() # 投入25分钱 gumball_machine.turn_crank() # 转动曲柄 print(gumball_machine) gumball_machine.insert_quarter() #投入25分钱 gumball_machine.eject_quarter() # 退钱 gumball_machine.turn_crank() # 转动曲柄 print(gumball_machine) gumball_machine.insert_quarter() # 投入25分钱 gumball_machine.turn_crank() # 转动曲柄 gumball_machine.insert_quarter() # 投入25分钱 gumball_machine.turn_crank() # 转动曲柄 gumball_machine.eject_quarter() # 退钱 print(gumball_machine) 这段代码有几个问题： ...

首先先介绍一下咖啡和茶的冲泡方法： 茶 1. 把水煮沸 2. 用沸水浸泡茶叶 3. 把茶放到杯子里 咖啡 1. 把水煮沸 2. 用沸水冲泡咖啡 3. 把咖啡倒进杯子 4. 加糖和牛奶 用python代码实现冲泡方法大概是这个样子： # 茶的制作方法 class Tea: def prepare_recipe(self): # 在下边实现具体步骤 self.boil_water() self.brew_tea_bag() self.pour_in_cup() def boil_water(self): print("Boiling water") def brew_tea_bag(self): print("Steeping the tea") def pour_in_cup(self): print("Pouring into cup") # 咖啡的制作方法 class Coffee: def prepare_recipe(self): # 在下边实现具体步骤 self.boil_water() self.brew_coffee_grinds() self.pour_in_cup() self.add_sugar_and_milk() def boil_water(self): print("Boiling water") def brew_coffee_grinds(self): print("Dripping Coffee through filter") def pour_in_cup(self): print("Pouring into cup") def add_sugar_and_milk(self): print("Adding Sugar and Milk") 仔细看上边两端代码会发现，茶和咖啡的实现方式基本类似，都有prepare_recipe，boil_water，pour_in_cup 这三个方法。 ...

上一篇《python设计模式-适配器模式》介绍了如何将一个类的接口转换成另一个符合期望的接口。这一篇将要介绍需要一个为了简化接口而改变接口的新模式-外观模式（Facade-Pattern）。 问题 问题：如果你组装了一套家庭影院，内含播放器、投影机、自动屏幕、立体声音响、爆米花机等。如何设计一个遥控器，可以简单的操作这个系统中的各个组件呢？ 首先来看一下最笨方式观赏电影的步骤： 打开爆米花机 开始爆米花 将灯光调暗 放下屏幕 打开投影仪 将投影机的输入切换到播放器 将投影及设置在宽屏模式 打开功放 将功放的输入设置为播放器 将攻防设置为环绕立体声 将攻防音量调到适中 打开播放器 播放电影 写成类和方法的调用大概是以下的样子： # 打开爆米花机，开始爆米花 poper.on() poper.pop() # 灯光调暗 lights.dim(10) # 放下屏幕 screen.down() # 打开投影仪，设置为宽屏模式 projector.on() projector.setInput(dvd) projector.wideScreenMode() # 打开功放 设置为DVD 调整成环绕立体声模式，音量调到5 amp.on() amp.setDvd(dvd) amp.setSurroundSound() amp.setVolume(5) # 打开dvd 播放器 dvd.on() dvd.play(movie) 可以看到代码中涉及到6个不同的类，而且电影看完后还需要回退，一切都要再反着重来一遍。怎样简化一下操作呢？ 现在，外观模式就可以大展身手了。 使用外观模式，可以通过实现一个提供更合理的接口的外观类，将子系统变得更容易使用。当然，原来的接口还在。 解决方法 先来看一下外观模式如何运作 这里为家庭影院系统创建了一个新的外观类HomeTheaterFacade，这个类暴露出来几个简单的方法，比如watchMovie，endMovie。 这个外观类将家庭影院的多个组件看作一个子系统，通过调用这个子系统来实现watchMovie方法。 外观只提供了一个更直接的操作方式，并没有将原来的子系统隔离，子系统的功能还可以使用 注意： 可以有多个外观 外观提供简化的接口，但不隔离子系统 外观将实现从子系统中解耦，比如：现在有个子系统的组件需要升级换代，只需要把外观代码做相应的修改就可以实现 外观和适配器都可以包装多个类，但是外观的意图时简化接口的调用，而适配器的意图是将接口转换成不同的接口。 示例 class HomeTheaterFacade(object): #先声明需要用的子组件 amp = Amplifier() tuner = Tuner() dvd = DvdPlayer() cd = CdPlayer() projector = Projector() lights = TheaterLights() screen = Screen() popper = PopcornPopper() def watchMovie(self, movie): # watchMovie 将之前需要手动处理的任务批量处理 print("Get ready to watch a movie...") # 打开爆米花机，开始爆米花 self.poper.on() self.poper.pop() # 灯光调暗 self.lights.dim(10) # 放下屏幕 self.screen.down() # 打开投影仪，设置为宽屏模式 self.projector.on() self.projector.setInput(dvd) self.projector.wideScreenMode() # 打开功放 设置为DVD 调整成环绕立体声模式，音量调到5 self.amp.on() self.amp.setDvd(dvd) self.amp.setSurroundSound() self.amp.setVolume(5) # 打开dvd 播放器 self.dvd.on() self.dvd.play(movie) def endMovie(self): # endMovie 负责关闭一切，由子系统中的组件完成 print("Shutting movie theater down...") self.popper.off() self.lights.on() self.screen.up() self.projector.off() self.amp.off() self.dvd.stop() self.dvd.eject() self.dvd.off() 代码使用 def main(): home_theater = HomeTheaterFacade() # 实例化外观 home_theater.watchMovice() # 使用简化方法开启 关闭电影ß home_theater.endMovice() 定义 定义：外观模式提供了一个统一的接口，用来访问子系统中的一群接口。外观定义了一个高层接口，让子系统更容易使用。 ...

问题：假设有一个软件系统，你希望它能在不改变现有代码的前提下和一个新的厂商类库搭配使用，但是这个新厂商所设计出来的接口不同于旧厂商的接口 这个问题和下图的问题类似 美国标准的插头🔌无法在欧洲标准的插座上使用，通常的做法是什么呢？ 添加一个插头适配器，适配器的作用是将欧式插头转换成美式插座，以便于让美式插头可以使用。 解决方案 所以，面对一个有全新接口的类库而又不能改变现有代码时，最先想到的做法是，在这两个系统之间添加一个适配器。 简单的例子 有一个系统，需要一个鸭子🦆对象，但是现在只有一个火鸡🦃对象。鸭子和火鸡对象的功能简单描述如下： # 鸭子的简单描述 class Duck: def quack(self): # 会呱呱叫 print("Quack") def fly(self): # 飞的能力 print("I'm flying") # 火鸡的简单描述 class Turkey: def gobble(self): # 不会呱呱叫，只会咯咯叫 print("Gobble gobble") def fly(self): # 飞的能力 但是飞不远 print("I'm flying a short distance") 因为现在没有鸭子对象，只能那火鸡对象冒充。由于鸭子对象和火鸡对象功能不同，不能直接拿来用，现在就需要使用适配器来完成这个功能： class TurkeyAdapter(Duck): turkey = Turkey() # 这里实际使用的是火鸡对象 # 实现鸭子对象拥有的quack方法 def quack(self): self.turkey.gobble() def fly(self): # 假设火鸡比鸭子飞的短，为了模拟鸭子的动作，多飞几次 for i in range(5): turkey.fly() 接下来调用就可以像使用鸭子对象一样使用火鸡适配后的对象。 ...

命令模式 题目： 现在要做一个智能家居控制遥控器，功能如下图所示。 下图是家电厂商提供的类，接口各有差异，并且以后这种类可能会越来越多。 观察厂商提供的类，你会发现，好多类提供了 on()、off() 方法，除此之外，还有一些方法像 dim()、setTemperature()、setVolumn()、setDirection()。由此我们可以想象，之后还会有更多的厂商类，每个类还会有各式各样的方法。 如果我们把这些类都用到遥控器代码中，代码就会多一大堆的 if 语句，例如 if slot1 == Light: light.on() elif slot1 == Hottub: hottob.jetsOn() 并且更严重的是，每次有新的厂商类加进来，遥控器的代码都要做相应的改动。 这个时候我们就要把动作的请求者（遥控器）从动作的执行者（厂商类）对象中解耦。 如何实现解耦呢？ 我们可以使用命令对象。利用命令对象，把请求（比如打开电灯）封装成一个特定对象。所以，如果对每个按钮都存储一个命令对象，那么当按钮按下的时候，就可以请求命令对象做相关的工作。此时，遥控器并不需要知道工作的内容是什么，只要有个命令对象能和正确的对象沟通，把事情做好就可以了。 下面我们拿餐厅点餐的操作来介绍下命令模式。 餐厅通常是这样工作的： 顾客点餐，把订单交给服务员 服务员拿了订单，把订单交给厨师。 厨师拿到订单后根据订单准备餐点。 这里我们把订单想象成一个用来请求准备餐点的对象， 和一般对象一样，订单对象可以被传递：从服务员传递到订单柜台，订单的接口只包含一个方法 orderUp()。这个方法封装了准备餐点所需的动作。 服务员的工作就是接受订单，然后调用订单的 orderUp() 方法，她不需要知道订单内容是什么。 厨师是一个对象，他知道如何准备准备餐点，是任务真正的执行者。 如果我们把餐厅想象成OO 设计模式的一种模型，这个模型允许将”发出请求的对象“和”接受与执行这些请求的对象“分隔开来。比如对于遥控器 API，我们要分隔开”发出请求的按钮代码“和”执行请求的厂商特定对象”。 回到命令模式我们把餐厅的工作流程图转换为命令模式的流程图：这里 client 对应上一张图的顾客，command 对应订单，Invoker 对应服务员，Receiver 对应的是厨师。 命令模式 先来看下命令模式的定义： 命令模式将”请求“封装成对象，以便使用不同的请求、队列或者日志来参数化其他对象。命令模式也支持可撤销的操作。 通过上边的定义我们知道，一个命令对象通过在特定接收者上绑定一组动作来封装一个请求。要达到这一点，命令对象将动作和接收者包进对象中。这个对象只暴露一个 execute() 方法，当此方法被调用时，接收者就会进行这些动作。 命令模式类图如下： 回到遥控器的设计：我们打算将遥控器的每个插槽，对应到一个命令，这样就让遥控器变成了调用者。当按下按钮，相应命令对象的 execute() 方法就会被调用，其结果就是接收者(例如：电灯、风扇、音响)的动作被调用。 命令模式还支持撤销，该命令提供和 execute() 方法相反的 undo() 方法。不管 execute() 做了什么，undo() 都会倒转过来。 ...

问题：现代化的巧克力工厂具备计算机控制的巧克力锅炉。锅炉做的事情就是把巧克力和牛奶融在一起，然后送到下一个阶段，以制成巧克力棒。下边是一个巧克力公司锅炉控制器的代码，仔细观察一下，这段代码有什么问题？ class ChocolateBoiler(object): def __init__(self): self.empty = True self.boiled = False def fill(self): # 向锅炉填充巧克力和牛奶混合物 # 在锅炉内填充原料时，锅炉必须是空的。 # 一旦填入原料，就要把empty 和 boiled 标志设置好 if self.empty: self.empty = False self.boiled = False def drain(self): # 排出煮沸的巧克力和牛奶 # 锅炉排出时，必须是满的且煮沸的。 # 排出完毕empty 设置为 true if not self.empty and self.boiled: self.empty = True def boil(self): # 将颅内物煮沸 # 煮混合物时，锅炉内必须是满的且没有煮沸过 # 一旦煮沸，就把 boiled 设置为 true if not self.empty and not self.boiled: self.boiled = True 从代码可以看出，他们加入了多种判断，以防止不好的事情发生。如果同时存在两个ChocolateBoiler实例，那这么多判断岂不是失去作用了。那我们改如何实现这个需求呢？这个问题的核心是，我们要先判断实例是不是已经存在，如果存在就不再创建。 _chocolate_boiler_instance = None # 声明实例 def chocolate_boiler(): global _chocolate_boiler_instance # 使用全局变量 if _chocolate_boiler_instance is not None: # 判断是否存在，如果存在，直接返回 return _chocolate_boiler_instance else: # 如果不存在，创建一个新的 _chocolate_boiler_instance = ChocolateBoiler() return _chocolate_boiler_instance 现在我们需要获取 ChocolateBoiler 实例的时候只需要调用 chocolate_boiler 方法获取实例即可保证同时只有一个 ChocolateBoiler实例。 ...

问题：在上一篇python设计模式：抽象工厂模式中，我们尝试用抽象工厂模式规范化了 Pizza 原材料的供应以及 Pizza 的创建。但是我们忽略了一个问题，那就是每种 Pizza 的烘焙时间依赖于生面团的厚度和使用的配料，它们所需的时间是不一样的。那这时我们改如何处理呢？ Pizza 的制作流程包括：准备（擀面皮、加佐料），然后烘烤、切片、装盒。这些有特定的顺序，不能错乱。 为了保证 生产 Pizza 的步骤不会出错，我们打算指派一个创建者，创建者用于控制 Pizza 的制作流程。 创建 Pizza 创建者 首先我们定义一个 Pizza class Pizza: def __init__(self, name): self.name = name self.dough = None self.sauce = None self.toppings = [] def prepare_dough(self, dough): self.dough = dough print(self.dough) print('preparing the {} dough of your {}...'.format(self.dough, self)) time.sleep(STEP_DELAY) print('Done with the {} dough'.format(self.dough)) def __str__(self): return self.name 然后我们抽象出一个创建者： class PizzaBuilder(object): name = None def __init__(self): self.progress = PIZZA_PROGRESS self.baking_time = 5 def prepare_dough(self): raise NotImplementedError() def add_sauce(self): raise NotImplementedError() def add_topping(self): raise NotImplementedError() def bake(self): raise NotImplementedError() def cut(self): raise NotImplementedError() def box(self): raise NotImplementedError() @property def pizza(self): return Pizza(self.name) 创建具体建造者 class NYStyleCheeseBuilder(PizzaBuilder): name = 'NY Style Sauce and Cheese Pizza' def prepare_dough(self): self.progress = PIZZA_PROGRESS[0] self.pizza.prepare_dough('thin') def add_sauce(self): print('adding the tomato sauce to your pizza..') self.pizza.sauce = 'tomato' time.sleep(STEP_DELAY) print('done with the tomato sauce') def add_topping(self): print('adding the topping (grated reggiano cheese) to your pizza') self.pizza.toppings.append(["Grated", "Reggiano", "Cheese"]) time.sleep(STEP_DELAY) print('done with the topping (grated reggiano cheese)') def bake(self): self.progress = PIZZA_PROGRESS[1] print('baking your pizza for {} seconds'.format(self.baking_time)) time.sleep(self.baking_time) def cut(self): self.progress = PIZZA_PROGRESS[2] print("Cutting the pizza into diagonal slices") def box(self): self.progress = PIZZA_PROGRESS[3] print("Place pizza in official PizzaStore box") 创建指挥者 class Waiter: # 指挥者 def __init__(self): self.builder = None def construct_pizza(self, builder): self.builder = builder # 一旦我们有了一个 pizza，需要做一些准备（擀面皮、加佐料），然后烘烤、切片、装盒 [step() for step in (builder.prepare_dough, builder.add_sauce, builder.add_topping, builder.bake, builder.cut, builder.box)] @property def pizza(self): return self.builder.pizza 完整代码参考：python-design-patter-builder ...

问题：在上一篇 python设计模式：工厂方法模式我们尝试使用工厂方法创建了披萨店，现在为了保证披萨加盟店也能有良好的声誉，我们需要统一原材料，这个该如何做呢？ 为了确保每家加盟店都是用高质量的原材料，我们打算建造一加原材料工厂，并将原材料运送到各个加盟店。每个加盟店会对原材料有不同的需求，这里我们就可以用上上一篇介绍的工厂方法模式了。 首先，建造原料工厂 然后建造区域的原料工厂（继承自原料工厂） 在区域的原料工厂中实现原料的创建方法。 将原料工厂组合起来，加入到 PizzaStore（上一篇中由工厂方法实现）代码中。 按照这个思路，我们先创建原料工厂 创建原料工厂 创建原料工厂的实现代码如下： # 原料 class FreshClams: def __str__(self): return 'Fresh Clams' class MarinaraSauce: def __str__(self): return "Marinara Sauce" class ThickCrustDough: def __str__(self): return "Thick Crust Dough" class ReggianoCheese: def __str__(self): return "Reggiano Cheese" class SlicedPepperoni: def __str__(self): return "Sliced Pepperoni" class Garlic: def __str__(self): return "Garlic" class Onion: def __str__(self): return "Onion" class RedPepper: def __str__(self): return "Red Pepper" # 披萨店原料工厂 class PizzaIngredientFactory: ''' 定义原料工厂 ''' def create_dough(self): raise NotImplementedError() def create_sauce(self): raise NotImplementedError() def create_cheese(self): raise NotImplementedError() def create_pepperoni(self): raise NotImplementedError() def create_clam(self): raise NotImplementedError() def create_veggies(self): raise NotImplementedError() 在这个工厂中，每个原料都是一个方法，原料的实现需要在具体的原料工厂中实现。 这里每个原料方法没有做任何工作，只是抛出了NotImplementedError 这样做是为了强制子类重新实现相应的方法，如果不重新实现用到时就会抛出 NotImplementedError。 ...

题目：假设你有一个 pizza 店，功能包括下订单、做 pizza，你的代码会如何写呢？ def order_pizza(): pizza = Pizza() pizza.prepare() pizza.bake() pizza.cut() pizza.box() return pizza 但是现在你遇到了一个问题，你的 pizza 店需要更多的 pizza，所以现在你需要增加一些代码，来决定适合的 pizza 类型，然后再制造这个 pizza： def order_pizza(pizza_type): # 现在把 pizza 的类型传入 order_pizza() # 根据 pizza 类型，我们实例化正确的具体类，然后将其赋值给 pizza 实例变量 if pizza_type == 'cheese': pizza = CheesePizza() elif pizza_type == 'greek': pizza = GreekPizza() elif pizza_type == 'pepperoni': pizza = PepperoniPizza() # 一旦我们有了一个 pizza，需要做一些准备（擀面皮、加佐料），然后烘烤、切片、装盒 pizza.prepare() pizza.bake() pizza.cut() pizza.box() return pizza 但是经过几天的实践，你发现顾客喜欢点的 ClamPizza、Veggie Pizza 而 Greek pizza 并没有什么人喜欢，这个时候需要修改代码： ...

题目：现在你有一个数字，默认格式化程序是以十进制格式展示此数值，但需要提供一个功能，这个程序要支持添加/注册更多的格式化程序（比如：添加一个十六进制格式化程序和一个二进制格式化程序）。每次数值更新时，已注册的程序就会收到通知，并显示更新后的值。 我们看下需求： NumberFormatter 有一个 number 属性 当 number 值修改时，相关的格式化方式展示结果要改变 此系统必须可扩展已适应其他格式化方式的使用。 一个错误的实现可能是这样的： class NumberFormatter(object): def __init__(self, number): self.number = number def show_data(self): self.default_formatter() self.hex_formatter() self.binary_formatter() def default_formatter(self): pass def hex_formatter(self): pass def binary_formatter(self): pass 我们可以这么使用： number = NumberFormatter(10) number.show_data() 但是这样会有一个问题：这种针对实现的编程会导致我们在增加或者删除需要格式化方式时必须修改代码。比如我们现在不再需要十六进制数字格式的显示，就需要把 hex_formatter 相关的代码删除或者注释掉。 要解决这个问题，就可以用到我们这次要介绍的观察者模式了。 什么是观察者模式 认识观察者模式 我们先看看报纸和杂志的订阅是怎么回事： 报社的业务就是出版报纸 向某家报社订阅报纸，只要他们有新报纸，就会给你送来，只要你是他们的订户，你就会一直受到新报纸。 当你不再想看的时候，取消订阅，他们就不会在送新报纸给你 只要报社还在运营，就会一直有人向他们订阅报纸或取消订阅。 我们用图表示一下，这里出版者 改称为主题(Subject)，订阅者改称为观察者(Observer)： 1. 开始的时候，鸭子对象不是观察者 2. 鸭子对象过来告诉主题，它想当一个观察者（鸭子其实想说的是：我对你的数据改变感兴趣，一有变化请通知我） 3. 鸭子对象已经是观察者了（鸭子静候通知，一旦接到通知，就会得到一个整数）。 4. 主题有了新的数据（现在鸭子和其他所有观察者都会受到通知：主题已经改变） 5. 老鼠对象要求从观察者中把自己除名（老鼠已经观察次主题太久，决定不再当观察者了）。 6. 老鼠离开了（主题知道老鼠的请求后，把它从观察者中移除了）。 7. 主题有了一个新的整数（除了老鼠之外，每个观察者都会收到通知，如果老鼠又想当观察者了，它还可以再回来） 定义观察者模式 当你试图勾勒观察者模式时，可以利用报纸订阅服务，以及出版这和订阅者比你这一切。在程序设计中，观察者模式通常被定义为： 观察者模式定义了对象之间的一对多依赖，这样一来，当一个对象改变状态是，它的所有依赖者都会收到通知并自动更新。 我们和之前的例子做个对比： ...