Python、设计原则和设计模式

前言

程序的目标：高内聚 低耦合

有哪些设计原则

设计原则是「高内聚、低耦合」的具体落地。

• 单一职责原则要求在软件系统开发、设计中，一个类只负责一个功能领域的相关职责。
• 开放封闭原则要求一个软件应该对扩展开放，对修改封闭，即在不修改源代码的情况下，完成系统功能的扩展。
• 里式替换原则决定了子类可以赋值给父类。
• 依赖倒置原则要求抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。要面向接口编程，不要面向实现编程。
• 迪米特原则要求一个对象尽可能少的与其他对象发生相互作用。
• 接口分离原则要求客户端不应该依赖那些他不需要的接口，即将一些大的接口细化成一些小的接口供客户端使用。
• 合成复用原则要求我们尽量使用对象的组合，而非继承来达到复用的目标。

什么是设计模式

设计模式是面对各种问题进行提炼和抽象而形成的解决方案。这些设计方案是前人不断试验，考虑了封装性、复用性、效率、可修改、可移植等各种因素的高度总结。它不限于一种特定的语言，它是一种解决问题的思想和方法。

为什么要有设计模式

公司人事会有变动，程序员也会成长。不管是哪种情况，代码非常有可能会被移交，即代码的编写者和维护者很有可能会是不同的人。那么代码的可读性就显得非常重要了。由于高级语言的出现，让机器读懂你的意图已经不是最主要的“矛盾”，而让人读懂你的意图才是最重要。按照设计模式编写的代码，其可读性也会大大提升，利于团队项目的继承和扩展

有那些设计模式

设计模式可以分为三个大类：创建类设计模式、结构类设计模式、行为类设计模式

创建类设计模式（5种）
单例模式、工厂模式（简单工厂模式、抽象工厂模式）、建造者模式、原型模式

结构类设计模式（7种）
代理模式、装饰器模式、适配器模式、门面模式、组合模式、享元模式、桥梁模式

行为类设计模式（11种）
策略模式、责任链模式、命令模式、中介者模式、模板模式、迭代器模式、访问者模式、观察者模式、解释器模式、备忘录模式、状态模式
设计模式也衍生出了很多的新的种类，不局限于这23种

四 设计模式与架构，框架的关系

1 软件框架与设计模式的关系
软件框架随着软件工程的发展而出现，所谓的软件框架，是提取了特定领域的软件的共性部分所形成的软件体系，它并不是一个成熟的软件，而更像是一个“半成品”，程序员在框架之上，可以很方便地某些特定领域实现又快又可靠的二次开发。
设计模式和软件框架在软件设计中是两个不同的研究领域：
A、设计模式如前边的定义所讲，它指的是针对一类问题的解决方法，一个设计模式可应用于不同的框架和被不同的语言所实现；而框架则是一个应用的体系结构，是一种或多种设计模式和代码的混合体；
B、设计模式相较于框架更容易移植，并且可以用各种语言实现，而软件框架则受限于领域大环境。虽然设计模式和软件框架有很多不同，但在某些方面他们二者是统一的，即重视软件复用，提高开发效率。

2 软件架构与设计模式的关系
软件架构是个比较大的概念，架构要考虑软件的整体结构、层次划分以及不同部分间的协作和交互等，架构的着眼点偏整体。
相比之下，框架和设计模式的范围则具体很多，框架着眼于领域内的解决方法，而设计模式则针对一类问题的解决方案和设计思路。
总体来说，软件架构可以由不同的框架和不同的设计模式，再加上特定的构件组合来实现；框架可以根据设计模式结合特定编程语言和环境来实现。设计模式就是解决单一问题的设计思路和解决方法。

设计模式

1 单例模式

一、定义

单例模式是所有设计模式中比较简单的一类，其定义如下：Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.（保证某一个类只有一个实例，而且在全局只有一个访问点）

二、示例

总线是计算机各种功能部件或者设备之间传送数据、控制信号等信息的公共通信解决方案之一。
现假设有如下场景：某中央处理器（CPU）通过某种协议总线与一个信号灯相连，信号灯有64种颜色可以设置，中央处理器上运行着三个线程，都可以对这个信号灯进行控制，并且可以独立设置该信号灯的颜色。
抽象掉协议细节（用打印表示），如何实现线程对信号等的控制逻辑。
加线程锁进行控制，无疑是最先想到的方法，但各个线程对锁的控制，无疑加大了模块之间的耦合。下面，我们就用设计模式中的单例模式，来解决这个问题。
具体到此例中，总线对象，就是一个单例，它仅有一个实例，各个线程对总线的访问只有一个全局访问点，即惟一的实例。
Python代码如下：

# encoding=utf8
import threading
import time
# 这里使用方法__new__来实现单例模式


class Singleton(object):  # 抽象单例
    def __new__(cls, *args, **kw):
        if not hasattr(cls, '_instance'):
            orig = super(Singleton, cls)
            cls._instance = orig.__new__(cls, *args, **kw)
        return cls._instance
# 总线


class Bus(Singleton):
    lock = threading.RLock()

    def sendData(self, data):
        self.lock.acquire()
        time.sleep(3)
        print("Sending Signal Data...", data)
        self.lock.release()
# 线程对象，为更加说明单例的含义，这里将Bus对象实例化写在了run里


class VisitEntity(threading.Thread):
    my_bus = ""
    name = ""

    def getName(self):
        return self.name

    def setName(self, name):
        self.name = name

    def run(self):
        self.my_bus = Bus()
        print('id bus', id(self.my_bus))
        self.my_bus.sendData(self.name)


if __name__ == "__main__":
    for i in range(3):
        print("Entity %d begin to run..." % i)
        my_entity = VisitEntity()
        print('id my_entity', id(my_entity))
        my_entity.setName("Entity_"+str(i))
        my_entity.start()



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运行结果如下：

Entity 0 begin to run...
id my_entity 1435060096832
id bus 1435061409392
Entity 1 begin to run...
id my_entity 1435061409440
id bus 1435061409392
Entity 2 begin to run...
id my_entity 1435061410064
id bus 1435061409392
Sending Signal Data... Entity_0
Sending Signal Data... Entity_1
Sending Signal Data... Entity_2
1
2
3
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5
6
7
8
9
10
11
12

在程序运行过程中，三个线程同时运行（运行结果的前三行先很快打印出来），而后分别占用总线资源（后三行每隔3秒打印一行）。虽然看上去总线Bus被实例化了三次，实际上，通过id方法可以发现Bus在内存里只有一个实例。

三、单例模式的优点和应用

单例模式的优点

1、由于单例模式要求在全局内只有一个实例，因而可以节省比较多的内存空间；
2、全局只有一个接入点，可以更好地进行数据同步控制，避免多重占用；
3、单例可长驻内存，减少系统开销。

单例模式的应用举例

1、生成全局惟一的序列号；
2、访问全局复用的惟一资源，如磁盘、总线等；
3、单个对象占用的资源过多，如数据库等；
4、系统全局统一管理，如Windows下的Task Manager；
5、网站计数器。

四、单例模式的缺点

1、单例模式的扩展是比较困难的；
2、赋于了单例以太多的职责，某种程度上违反单一职责原则（六大原则后面会讲到）;
3、单例模式是并发协作软件模块中需要最先完成的，因而其不利于测试；
4、单例模式在某种情况下会导致“资源瓶颈”。

参考文章

1. https://blog.csdn.net/m0_67155975/article/details/123452908