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基于Python的设计模式之创建型模型

backend 2025/5/18 22:39:23

文章目录

- 设计模式概述
- 设计模式的基础
- 设计模式的六大原则
- 创建型模式
- - 单例模式
  - 简单工厂模式
  - 工厂方法模式
  - 抽象工厂模式
  - 建造者模式
  - 原型模式
- 创建型模式小结

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设计模式概述

设计模式（GOF，即 Gang of Four，四人组提出的经典设计模式）是面向对象系统中对重要且重复出现的设计进行系统化总结的方案。它包含模式名称、问题、解决方法和效果这四个基本要素，有助于开发者更高效地设计和构建软件系统。

设计模式的基础

对象/类：面向对象编程的三大特性——封装、继承和多态是设计模式的基石。封装将数据和操作封装在一起，继承允许子类继承父类的属性和方法，多态则使得不同的对象可以对同一消息做出不同的响应。
接口：接口是一种特殊的类，规定了继承它的类必须实现的方法。在 Python 中，有两种常见的实现方式：
- 使用 NotImplementedError：通过在基类方法中抛出 NotImplementedError 异常，强制子类实现该方法。
- 使用 abc 模块：利用 ABCMeta 元类和 @abstractmethod 装饰器，明确声明抽象方法，使类成为抽象基类。

设计模式的六大原则

开闭原则：软件实体应该对扩展开放，对修改关闭。这意味着在不修改现有代码的情况下，能够通过扩展来添加新的功能。
里氏替换原则：所有引用基类的方法必须能够透明地使用其子类的对象。即子类可以替换父类，而不会影响程序的正确性。
依赖倒置原则：高层模块不应依赖低层模块，二者都应依赖于抽象。通过依赖抽象，可以降低模块之间的耦合度。
接口隔离原则：使用多个专门的接口，而不是单一的总接口。这样可以避免类实现不必要的方法，提高代码的内聚性。
迪米特法则：软件实体应尽可能少地与其他实体发生相互作用，以降低耦合度。
单一职责原则：一个类应该只有一个导致其变更的原因。每个类应该只负责一项职责，提高代码的可维护性。

创建型模式

单例模式

定义：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
适用场景：当类只能有一个实例，并且需要全局访问时，如配置管理类、日志记录器等。
优点：对唯一实例的受控访问，避免命名空间污染。
示例代码：

class Singleton:_instance = Nonedef __new__(cls, *args, **kwargs):if cls._instance is None:cls._instance = super().__new__(cls)return cls._instance# 测试单例模式
obj1 = Singleton()
obj2 = Singleton()
print(obj1 is obj2)  # 输出: True

简单工厂模式

定义：通过一个工厂类负责创建产品类的实例，而不直接向客户端暴露对象创建的实现细节。
优点：隐藏了对象创建的实现细节，客户端无需修改代码。
缺点：违反单一职责原则，添加新产品时需修改工厂类代码。
示例代码：

from abc import abstractmethod, ABCMetaclass Payment(metaclass=ABCMeta):@abstractmethoddef pay(self, money):passclass Alipay(Payment):def pay(self, money):print(f'支付宝支付 {money} 元')class PaymentFactory:def create_payment(self, method):if method == 'alipay':return Alipay()else:raise ValueError(f'未知支付方式: {method}')factory = PaymentFactory()
payment = factory.create_payment('alipay')
payment.pay(100)

工厂方法模式

定义：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个产品类。
适用场景：需要生产多种复杂对象时，降低耦合度。
示例代码：

from abc import abstractmethod, ABCMetaclass Payment(metaclass=ABCMeta):@abstractmethoddef pay(self, money):passclass Alipay(Payment):def pay(self, money):print(f'支付宝支付 {money} 元')class PaymentFactory(metaclass=ABCMeta):@abstractmethoddef create_payment(self):passclass AlipayFactory(PaymentFactory):def create_payment(self):return Alipay()factory = AlipayFactory()
payment = factory.create_payment()
payment.pay(100)

抽象工厂模式

定义：定义一个工厂类接口，让工厂子类来创建一系列相关或相互依赖的对象。
适用场景：系统要独立于产品创建与组合时。
示例代码：

from abc import abstractmethod, ABCMetaclass PhoneShell(metaclass=ABCMeta):@abstractmethoddef get_shell_info(self):passclass MiPhoneShell(PhoneShell):def get_shell_info(self):return '小米手机壳'class PhoneFactory(metaclass=ABCMeta):@abstractmethoddef make_shell(self):passclass MiFactory(PhoneFactory):def make_shell(self):return MiPhoneShell()factory = MiFactory()
shell = factory.make_shell()
print(shell.get_shell_info())

建造者模式

定义：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。
适用场景：当创建复杂对象的算法应独立于该对象的组成部分时。
示例代码：

class Player:def __init__(self, face=None, body=None):self.face = faceself.body = bodydef __str__(self):return f'Player with {self.face} face and {self.body} body'class PlayerBuilder:def build_face(self):passdef build_body(self):passdef get_player(self):passclass BeautifulWomanBuilder(PlayerBuilder):def build_face(self):return '漂亮脸蛋'def build_body(self):return '苗条身材'def get_player(self):face = self.build_face()body = self.build_body()return Player(face, body)builder = BeautifulWomanBuilder()
player = builder.get_player()
print(player)

原型模式

定义：通过复制现有对象来创建新对象，而不是通过实例化类。
适用场景：当创建对象的成本较高，或者需要创建多个相似对象时。
示例代码：

import copyclass Prototype:def clone(self):return copy.deepcopy(self)class ConcretePrototype(Prototype):def __init__(self, value):self.value = valuedef __str__(self):return str(self.value)# 创建原型对象
prototype = ConcretePrototype(10)# 克隆对象
clone = prototype.clone()print(prototype)  # 输出: 10
print(clone)      # 输出: 10