2003 年 7 月 03 日
軟件設計大師總是要比初學(xué)者更加清楚該如何設計軟件，因為他們手中掌握著(zhù)設計模式這一法寶。作為一種高級的軟件復用形式，設計模式是眾多優(yōu)秀軟件設計師集體智慧的結晶，能夠很好地指導軟件設計過(guò)程。本系列文章介紹如何在用Python開(kāi)發(fā)軟件時(shí)應用各種設計模式，Python是一種簡(jiǎn)單、靈活、高效的原型語(yǔ)言，特別適合于用來(lái)理解和掌握設計模式。
設計模式（design pattern）的提出，是面向對象程序設計演化過(guò)程中的一個(gè)重要里程碑。正如Gamma，Helm，Johnson和Vlissides在他們的經(jīng)典著(zhù)作《設計模式》一書(shū)中所說(shuō)的：設計模式使得人們可以更加簡(jiǎn)單和方便地去復用成功的軟件設計和體系結構，從而能夠幫助設計者更快更好地完成系統設計。
設計模式的概念最早起源于建筑設計大師Christopher Alexander關(guān)于城市規劃和建筑設計的著(zhù)作《建筑的永恒方法》，盡管Alexander的著(zhù)作是針對建筑領(lǐng)域的，但他的觀(guān)點(diǎn)實(shí)際上適用于所有的工程設計領(lǐng)域，其中就包括軟件設計領(lǐng)域。在《建筑的永恒方法》一書(shū)中，Alexander是這樣描述模式的：
模式是一條由三部分組成的規則，它表示了一個(gè)特定環(huán)境、一個(gè)問(wèn)題和一個(gè)解決方案之間的關(guān)系。每一個(gè)模式描述了一個(gè)在我們周?chē)粩嘀貜桶l(fā)生的問(wèn)題，以及該問(wèn)題的解決方案的核心。這樣，你就能一次又一次地使用該方案而不必做重復勞動(dòng)。
將設計模式引入軟件設計和開(kāi)發(fā)過(guò)程的目的在于充分利用已有的軟件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，這是因為設計模式通常是對于某一類(lèi)軟件設計問(wèn)題的可重用的解決方案。優(yōu)秀的軟件設計師都非常清楚，不是所有的問(wèn)題都需要從頭開(kāi)始解決，他們更愿意復用以前曾經(jīng)使用過(guò)的解決方案，每當他們找到一個(gè)好的解決方案，他們會(huì )一遍又一遍地使用，這些經(jīng)驗是他們成為專(zhuān)家的部分原因。設計模式的最終目標就是幫助人們利用熟練的軟件設計師的集體經(jīng)驗，來(lái)設計出更加優(yōu)秀的軟件。
在軟件設計領(lǐng)域中，每一個(gè)設計模式都系統地命名、解釋和評價(jià)了面向對象系統中的一個(gè)重要的和可復用的設計。這樣，我們只要搞清楚這些設計模式，就可以完全或者說(shuō)很大程度上吸收了那些蘊含在模式中的寶貴經(jīng)驗，從而對軟件體系結構有了比較全面的了解。更加重要的是，這些模式都可以直接用來(lái)指導面向對象系統設計中至關(guān)重要的對象建模問(wèn)題，實(shí)際工作中一旦遇到具有相同背景的場(chǎng)合，只需要簡(jiǎn)單地套用這些模式就可以了，從而省去了很多摸索工作。
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在長(cháng)期的軟件實(shí)踐過(guò)程中，人們逐漸總結出了一些實(shí)用的設計模式，并將它們應用于具體的軟件系統中，出色地解決了很多設計上的難題。源于Smalltalk，并在Java中得到廣泛應用的模型-視圖-控制器（Model-View-Controller，MVC）模式，是非常經(jīng)典的一個(gè)設計模式，通過(guò)它你可以更好地理解"模式"這一概念。
MVC模式通常用在開(kāi)發(fā)人機交互軟件的時(shí)候，這類(lèi)軟件的最大特點(diǎn)就是用戶(hù)界面容易改變，例如，當你要擴展一個(gè)應用程序的功能時(shí)，通常需要修改菜單來(lái)反映這種變化。如果用戶(hù)界面和核心功能緊緊交織在一起，要建立這樣一個(gè)靈活的系統通常是非常困難的，因為很容易產(chǎn)生錯誤。為了更好地開(kāi)發(fā)這樣的軟件系統，系統設計師必須考慮下面兩個(gè)因素：
為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用將模型（Model）、視圖（View）和控制器（Controller）相分離的思想。在這種設計模式中，模型用來(lái)封裝核心數據和功能，它獨立于特定的輸出表示和輸入行為，是執行某些任務(wù)的代碼，至于這些任務(wù)以什么形式顯示給用戶(hù)，并不是模型所關(guān)注的問(wèn)題。模型只有純粹的功能性接口，也就是一系列的公開(kāi)方法，這些方法有的是取值方法，讓系統其它部分可以得到模型的內部狀態(tài)，有的則是置值方法，允許系統的其它部分修改模型的內部狀態(tài)。
視圖用來(lái)向用戶(hù)顯示信息，它獲得來(lái)自模型的數據，決定模型以什么樣的方式展示給用戶(hù)。同一個(gè)模型可以對應于多個(gè)視圖，這樣對于視圖而言，模型就是可重用的代碼。一般來(lái)說(shuō)，模型內部必須保留所有對應視圖的相關(guān)信息，以便在模型的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，可以通知所有的視圖進(jìn)行更新。
控制器是和視圖聯(lián)合使用的，它捕捉鼠標移動(dòng)、鼠標點(diǎn)擊和鍵盤(pán)輸入等事件，將其轉化成服務(wù)請求，然后再傳給模型或者視圖。整個(gè)軟件的用戶(hù)是通過(guò)控制器來(lái)與系統交互的，他通過(guò)控制器來(lái)操縱模型，從而向模型傳遞數據，改變模型的狀態(tài)，并最后導致視圖的更新。
MVC設計模式將模型、視圖與控制器三個(gè)相對獨立的部分分隔開(kāi)來(lái)，這樣可以改變軟件的一個(gè)子系統而不至于對其它子系統產(chǎn)生重要影響。例如，在將一個(gè)非圖形化用戶(hù)界面軟件修改為圖形化用戶(hù)界面軟件時(shí)，不需要對模型進(jìn)行修改，而添加一個(gè)對新的輸入設備的支持，則通常不會(huì )對視圖產(chǎn)生任何影響。
應用了MVC設計模式的軟件系統，其基本的實(shí)現過(guò)程是：
如果用UML來(lái)表示MVC設計模式，則如圖1所示：
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盡管設計模式的目標是努力做到與語(yǔ)言的無(wú)關(guān)性，但事實(shí)上許多模式在應用時(shí)還是需要依賴(lài)于具體實(shí)現語(yǔ)言的某些特性，尤其是該語(yǔ)言的對象模型。由于《設計模式》一書(shū)采用的是C++和Smalltalk來(lái)講述設計模式，因此訪(fǎng)問(wèn)控制符和靜態(tài)成員方法（類(lèi)方法）等都可以直接使用，可惜的是這些特性在Python中都無(wú)法用到，原因是Python采了與C++完全不同的對象模式。
簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，Python是一種優(yōu)秀的面向對象腳本語(yǔ)言，它具有動(dòng)態(tài)語(yǔ)義和快速的原型開(kāi)發(fā)能力，也許在短短的幾分鐘內，你就可以開(kāi)發(fā)出使用其它語(yǔ)言可能需要花費幾個(gè)小時(shí)的原型系統。Python豐富的工具集使得它位于傳統腳本語(yǔ)言（如Tcl、Perl和Scheme）和系統編程語(yǔ)言（如C、C++和Java）之間，既具備了腳本語(yǔ)言的簡(jiǎn)單易用性，同時(shí)又能夠提供只有系統語(yǔ)言才可能擁有的某些高級特性。
從面向對象角度來(lái)看，Python和Smalltalk一樣都采用了完全的面向對象設計思想，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在設計時(shí)似乎忽略了面向對象的一項基本原則，那就是數據隱藏。與C++和Java不同，Python沒(méi)有為類(lèi)定義提供public、protected和private等關(guān)鍵字，這就意味著(zhù)任何人都可以直接修改對象的屬性。Python之所以這么做，也許是為了保證語(yǔ)法上的簡(jiǎn)潔性，就像Python的發(fā)明人Guido van Rossum所認為的那樣："豐富的語(yǔ)法帶來(lái)的負擔多于幫助"。但在某些設計模式中，向外界隱藏數據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(lái)實(shí)現某種程度上的隱藏性。
在Python中應用設計模式的一個(gè)有利因素是它的動(dòng)態(tài)類(lèi)型綁定，也就是說(shuō)一個(gè)對象很少只是一個(gè)類(lèi)的實(shí)例，而是可以在運行時(shí)動(dòng)態(tài)改變。在面向對象系統中，接口是一個(gè)基本的組成部分，對象只有通過(guò)它們的接口才能與外界進(jìn)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(dòng)態(tài)綁定的概念。動(dòng)態(tài)綁定雖然看起來(lái)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(gè)軟件系統的結構顯得更加清晰和合理。
作為一門(mén)優(yōu)秀的腳本語(yǔ)言，Python正在被越來(lái)越多的人所接受，使用Python開(kāi)發(fā)的項目也越來(lái)越多，這也難怪會(huì )被大家推崇為"下一代編程語(yǔ)言"中的典型代表。隨著(zhù)應用范圍的不斷擴展，如何在用Python開(kāi)發(fā)軟件時(shí)充分利用已有的經(jīng)驗和成果將成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而設計模式作為軟件復用的一個(gè)重要方面，其價(jià)值自然是不言而喻?？蓡?wèn)題是目前所使用的設計模式大都是人們在用Smalltalk、C++和Java開(kāi)發(fā)軟件時(shí)所總結出來(lái)的，因此或多或少地帶有這些語(yǔ)言的影子，而要想在Python中使用這些設計模式，必須根據Python的自身特點(diǎn)和實(shí)際需要，靈活地加以運用。
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對一門(mén)具體的編程語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，在應用設計模式時(shí)影響最大的莫過(guò)于它的對象模型了，這是因為大部分設計模式都源自于C++和Java這類(lèi)面向對象編程語(yǔ)言。要想在Python中復用這些設計模式，首先需要對Python的對象模型有一個(gè)比較清晰的認識。
同其它面向對象編程語(yǔ)言一樣，Python中的類(lèi)也是一種用戶(hù)自定義的數據類(lèi)型，其基本的語(yǔ)法格式是：
class <name>(superclass, ...): # 定義類(lèi) data = value # 共享的類(lèi)變量 def method(self, ...): # 類(lèi)中的方法 self.member = value # 實(shí)例的數據 |
類(lèi)定義從關(guān)鍵字class開(kāi)始，并包含整個(gè)縮進(jìn)代碼塊，類(lèi)中定義的方法和屬性構成了類(lèi)的名字空間（name space）。一個(gè)類(lèi)通常會(huì )有多個(gè)方法，它們都以關(guān)鍵字def開(kāi)頭，并且第一個(gè)參數通常都是self，Python中的變量self相當于C++中的關(guān)鍵字this，其作用是傳遞一個(gè)對象的引用。
Python中的類(lèi)屬性位于類(lèi)的名字空間中，可以被所有的類(lèi)實(shí)例所共享，這一點(diǎn)同C++和Java相同。訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)屬性時(shí)不需要事先創(chuàng )建類(lèi)的實(shí)例，直接使用類(lèi)名就可以了。例如：
>>> class Friend: default_age = 20 >>> Friend.default_age 20 |
除了自定義的類(lèi)屬性外，Python中的每個(gè)類(lèi)其實(shí)都具有一些特殊的類(lèi)屬性，它們都是由Python的對象模型所提供的。表1列出了這些類(lèi)屬性：
| 屬性名 | 說(shuō)明 |
| __dict__ | 類(lèi)名字空間的字典變量 |
| __doc__ | 類(lèi)的文檔說(shuō)明字符串 |
| __name__ | 類(lèi)的名稱(chēng) |
| __module__ | 類(lèi)的模塊名 |
| __bases__ | 該類(lèi)所有父類(lèi)組成的元組 |
定義類(lèi)的目的是為了創(chuàng )建它的實(shí)例，從面向對象的角度看，類(lèi)是對數據及其相關(guān)操作的封裝，而類(lèi)實(shí)例則是對現實(shí)生活中某個(gè)實(shí)體的抽象。假設定義了如下一個(gè)類(lèi)：
class School: def __init__(self, name): self.name = name self.students = [] def addStudent(self, student): self.students.append(student) |
要創(chuàng )建School類(lèi)的一個(gè)實(shí)例，可以執行下面的語(yǔ)句：
bit = School("Beijing Institute of Technology") |
在C++和Java中創(chuàng )建類(lèi)實(shí)例時(shí)，與類(lèi)具有相同名稱(chēng)的構造函數被調用，而在Python中創(chuàng )建一個(gè)類(lèi)的實(shí)例時(shí)，將調用名為_(kāi)_init__的特殊方法。Python中的類(lèi)實(shí)例繼承了類(lèi)的所有方法和屬性，并且有自己獨立的名字空間，使用下面的方法可以訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)實(shí)例的方法和屬性：
bit.addStudent("gary") bit.students |
Python中的對象屬性有一個(gè)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(lèi)中進(jìn)行聲明，因為這些都是可以動(dòng)態(tài)創(chuàng )建的。作為一門(mén)動(dòng)態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言，Python的這一特性的確非常靈活，但有時(shí)也難免產(chǎn)生問(wèn)題。例如在許多針對接口的設計模式中，通常都需要知道對象所屬的類(lèi)，以便能夠調用不同的實(shí)現方法，這些在C++和Java這些強類(lèi)型語(yǔ)言的對象模型中不難實(shí)現，但對Python來(lái)講可就不那么簡(jiǎn)單了，因為Python中的每個(gè)變量事實(shí)上都沒(méi)有固定的類(lèi)型。
為了解決這一問(wèn)題，Python的__builtin__模塊提供了兩個(gè)非常實(shí)用的內建函數：isinstance()和issubclass()。其中函數isinstance()用于測試一個(gè)對象是否是某個(gè)類(lèi)的實(shí)例，如果是的話(huà)則返回1，否則返回0。其基本的語(yǔ)法格式是：
isinstance (instance_object, class_object) |
例如：
>>> class Test: pass >>> inst = Test() >>> isinstance(inst, Test) 1 |
而函數issubclass()則用于測試一個(gè)類(lèi)是否是另一個(gè)類(lèi)的子類(lèi)，如果是的話(huà)則返回1，否則返回0。其基本的語(yǔ)法格式是：
issubclass(classobj1, classobj2) |
例如：
>>> class TestA: pass >>> class TestB(TestA): pass >>> issubclass(TestA, TestB) 0 >>> issubclass(TestB, TestA) 1 |
和類(lèi)一樣，Python中的每個(gè)類(lèi)實(shí)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。表2列出了這些屬性：
| 屬性名 | 說(shuō)明 |
| __dict__ | 實(shí)例名字空間的字典變量 |
| __class__ | 生成該實(shí)例的類(lèi) |
| __methods__ | 實(shí)例所有方法的列表 |
在面向對象的程序設計中，繼承（Inheritance）允許子類(lèi)從父類(lèi)那里獲得屬性和方法，同時(shí)子類(lèi)可以添加或者重載其父類(lèi)中的任何方法。在Python中定義繼承類(lèi)的語(yǔ)法格式是：
class <name>(superclass, superclass, ...) suit |
例如，對于下面這個(gè)類(lèi)：
class Employee: def __init__(self, name, salary = 0): self.name = name self.salary = salary def raisesalary(self, percent): self.salary = self.salary * (1 + percent) def work(self): print self.name, "writes computer code" |
可以為其定義如下的子類(lèi)：
class Designer(Employee): def __init__(self, name): Employee.__init__(self, name, 5000) def work(self): print self.name, "writes design document" |
在C++和Java的對象模型中，子類(lèi)的構造函數會(huì )自動(dòng)調用父類(lèi)的構造函數，但在Python中卻不是這樣，你必須在子類(lèi)中顯示調用父類(lèi)的構造函數，這就是為什么在Designer. __init__方法中必須調用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(guò)接口（Interface）來(lái)間接實(shí)現多重繼承的。在對多重繼承的處理上，Python采用了和C++類(lèi)似的方法，即允許多重繼承，例如：
class A: pass class B(A): pass class C: pass class D(B, C): pass |
嚴格說(shuō)來(lái)，像C++和Java這些強類(lèi)型語(yǔ)言對象模型中的多態(tài)概念并不適用于Python，因為Python沒(méi)有提供類(lèi)型聲明機制。但由于Python本身是一種動(dòng)態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言，允許將任意值賦給任何一個(gè)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(shí)處理多種數據類(lèi)型的函數或方法，那么Python對象模型實(shí)際上也支持經(jīng)過(guò)弱化后的多態(tài)。
Python直到代碼運行之時(shí)才去決定一個(gè)變量所屬的類(lèi)型，這一特性稱(chēng)為運行時(shí)綁定（runtime binding）。Python解析器內部雖然也對變量進(jìn)行類(lèi)型分配，但卻十分模糊，并且只有在真正使用它們時(shí)才隱式地分配類(lèi)型。例如，如果程序調用abs(num)，則除數字之外的任何類(lèi)型對變量num都沒(méi)有意義，此時(shí)變量num事實(shí)上就進(jìn)行了非正式的類(lèi)型分配。
能夠處理不同抽象層次的對象，是面向對象編程最重要的特性之一，也是Python的一個(gè)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(gè)函數能夠同時(shí)處理多種類(lèi)型的數據，在C++的對象模型中，這種多態(tài)被稱(chēng)為方法重載。
class Polymorph: def deal_int(self, arg): print ‘%d is an integer‘ % arg def deal_str(self, arg): print ‘%s is a string‘ % arg def deal(self, arg): if type(arg) == type(1): self.deal_int(arg) elif type(arg) == type(‘ ‘): self.deal_str(arg) else: print ‘%s is not an integer or a string‘ % arg |
這樣，Polymorph類(lèi)中的方法deal就可以同時(shí)處理數字和字符串了：
>>> p = Polymorph() >>> p.deal(100) 100 is an integer >>> p.deal("Hello World!") Hello World! is a string |
Python對象模型對可見(jiàn)性的處理與C++和Java完全不同。在C++和Java中，如果屬性或者方法被聲明為private，那就意味著(zhù)它們只能在類(lèi)中被訪(fǎng)問(wèn)，而如果被聲明為protected，則只有該類(lèi)或者其子類(lèi)中的代碼能夠訪(fǎng)問(wèn)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(shuō)數據沒(méi)有做相應的保護，你可以在任何地方對它們進(jìn)行任意的修改。
能夠對可見(jiàn)性進(jìn)行約束是面向對象編程的一個(gè)重要特點(diǎn)，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(fǎng)問(wèn)接口，而內部實(shí)現細節則被很好地隱藏起來(lái)。奇怪的是作為一門(mén)面向對象腳本語(yǔ)言，Python并沒(méi)有提供對可見(jiàn)性進(jìn)行約束的機制，所有屬性和方法對任何人都是可見(jiàn)的，任何人想知道對象的內部實(shí)現細節都是可能的。雖然這樣做能夠帶來(lái)部分效率上的優(yōu)化，但卻無(wú)法阻止其它程序員對已經(jīng)封裝好的類(lèi)進(jìn)行破壞，從某種程度上這不得不說(shuō)是Python帶給我們的一絲的缺憾。
直到Python 1.5，Guido才引入了名字壓縮（name mangling）的概念，使得類(lèi)中的一些屬性得以局部化。在進(jìn)行定義類(lèi)時(shí)，如果一個(gè)屬性的名稱(chēng)是以?xún)蓚€(gè)下劃線(xiàn)開(kāi)始，同時(shí)又不是以下劃線(xiàn)結束的，那么它在編譯時(shí)將自動(dòng)地被改寫(xiě)為類(lèi)名加上屬性名。例如：
class Greeting: __data = "Hello World!" def __init__(self, str): Greeting.__data = str >>> g = Greeting("Hello Gary!") >>> dir (g) [‘_Greeting__data‘, ‘__doc__‘, ‘__init__‘, ‘__module__‘] |
從上面的顯示結果可以看出，Greeting類(lèi)的屬性__data變成了_Greeting__data。雖然這樣仍然無(wú)法阻止外界對它的訪(fǎng)問(wèn)，但的確使得訪(fǎng)問(wèn)變得不再那么直接了，從而在一定程序上保護了類(lèi)中的數據不被外界破壞。
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《設計模式》一書(shū)總結了23個(gè)模式，依據各自的目的又被分為創(chuàng )建型模式（creational pattern）、結構型模式（structural pattern）和行為型模式（behavioral patterns），它們分別從對象的創(chuàng )建，對象和對象間的結構關(guān)系以及對象之間如何交互這三個(gè)方面入手，對面向對象系統建模方法給予了解釋和指導。
這些設計模式如果能夠在Python中直接應用的話(huà)，對所有Python程序員來(lái)講毫無(wú)疑問(wèn)將是一筆非常寶貴的財富，因為它們的正確性和有效性已經(jīng)被無(wú)數次的實(shí)踐所驗證過(guò)了。如果想在Python中靈活地運行這些設計模式，可以遵循下面的幾個(gè)步驟：
首先，你應該認識到設計模式的確能夠改善你所設計的軟件。其次，你必須仔細研究每一種設計模式，學(xué)習如何在Python中應用這些模式，以便在今后需要時(shí)能夠用到它們。最后，你要努力做到對各個(gè)設計模式都有非常清晰的認識，最好能夠形成自己的獨到見(jiàn)解，清楚哪個(gè)模式能夠解決哪個(gè)設計上的問(wèn)題，并將它們真正應用到你用Python開(kāi)發(fā)的軟件中去。所有的設計模式都來(lái)源于實(shí)踐，最終也將付諸于實(shí)踐，只有通過(guò)實(shí)踐中你才可能掌握每個(gè)模式的精髓所在。
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設計模式就是解決軟件開(kāi)發(fā)和設計過(guò)程中某個(gè)特定問(wèn)題的特定方法，它最初起源于建筑設計，目前已經(jīng)被廣泛地應用在軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中。設計模式是軟件復用的一種特定形式，理論上它與具體的語(yǔ)言無(wú)關(guān)，但實(shí)際應用時(shí)通常會(huì )依賴(lài)于語(yǔ)言所提供的某些特性，Python是一門(mén)優(yōu)秀的面向對象腳本語(yǔ)言，它的對象模型會(huì )影響到部分設計模式的實(shí)現。設計模式按其目的可以被劃分成不同的種類(lèi)，分別用于解決不同方面的實(shí)際問(wèn)題。
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