2003 年 7 月 03 日

軟件設(shè)計大師總是要比初學(xué)者更加清楚該如何設(shè)計軟件，因為他們手中掌握著設(shè)計模式這一法寶。作為一種高級的軟件復(fù)用形式，設(shè)計模式是眾多優(yōu)秀軟件設(shè)計師集體智慧的結(jié)晶，能夠很好地指導(dǎo)軟件設(shè)計過程。本系列文章介紹如何在用Python開發(fā)軟件時應(yīng)用各種設(shè)計模式，Python是一種簡單、靈活、高效的原型語言，特別適合于用來理解和掌握設(shè)計模式。

一、什么是設(shè)計模式

設(shè)計模式（design pattern）的提出，是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計演化過程中的一個重要里程碑。正如Gamma，Helm，Johnson和Vlissides在他們的經(jīng)典著作《設(shè)計模式》一書中所說的：設(shè)計模式使得人們可以更加簡單和方便地去復(fù)用成功的軟件設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)，從而能夠幫助設(shè)計者更快更好地完成系統(tǒng)設(shè)計。

設(shè)計模式的概念最早起源于建筑設(shè)計大師Christopher Alexander關(guān)于城市規(guī)劃和建筑設(shè)計的著作《建筑的永恒方法》，盡管Alexander的著作是針對建筑領(lǐng)域的，但他的觀點實際上適用于所有的工程設(shè)計領(lǐng)域，其中就包括軟件設(shè)計領(lǐng)域。在《建筑的永恒方法》一書中，Alexander是這樣描述模式的：

模式是一條由三部分組成的規(guī)則，它表示了一個特定環(huán)境、一個問題和一個解決方案之間的關(guān)系。每一個模式描述了一個在我們周圍不斷重復(fù)發(fā)生的問題，以及該問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(fù)勞動。

將設(shè)計模式引入軟件設(shè)計和開發(fā)過程的目的在于充分利用已有的軟件開發(fā)經(jīng)驗，這是因為設(shè)計模式通常是對于某一類軟件設(shè)計問題的可重用的解決方案。優(yōu)秀的軟件設(shè)計師都非常清楚，不是所有的問題都需要從頭開始解決，他們更愿意復(fù)用以前曾經(jīng)使用過的解決方案，每當(dāng)他們找到一個好的解決方案，他們會一遍又一遍地使用，這些經(jīng)驗是他們成為專家的部分原因。設(shè)計模式的最終目標(biāo)就是幫助人們利用熟練的軟件設(shè)計師的集體經(jīng)驗，來設(shè)計出更加優(yōu)秀的軟件。

在軟件設(shè)計領(lǐng)域中，每一個設(shè)計模式都系統(tǒng)地命名、解釋和評價了面向?qū)ο笙到y(tǒng)中的一個重要的和可復(fù)用的設(shè)計。這樣，我們只要搞清楚這些設(shè)計模式，就可以完全或者說很大程度上吸收了那些蘊(yùn)含在模式中的寶貴經(jīng)驗，從而對軟件體系結(jié)構(gòu)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指導(dǎo)面向?qū)ο笙到y(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要的對象建模問題，實際工作中一旦遇到具有相同背景的場合，只需要簡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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二、經(jīng)典的設(shè)計模式MVC

在長期的軟件實踐過程中，人們逐漸總結(jié)出了一些實用的設(shè)計模式，并將它們應(yīng)用于具體的軟件系統(tǒng)中，出色地解決了很多設(shè)計上的難題。源于Smalltalk，并在Java中得到廣泛應(yīng)用的模型-視圖-控制器（Model-View-Controller，MVC）模式，是非常經(jīng)典的一個設(shè)計模式，通過它你可以更好地理解"模式"這一概念。

MVC模式通常用在開發(fā)人機(jī)交互軟件的時候，這類軟件的最大特點就是用戶界面容易改變，例如，當(dāng)你要擴(kuò)展一個應(yīng)用程序的功能時，通常需要修改菜單來反映這種變化。如果用戶界面和核心功能緊緊交織在一起，要建立這樣一個靈活的系統(tǒng)通常是非常困難的，因為很容易產(chǎn)生錯誤。為了更好地開發(fā)這樣的軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計師必須考慮下面兩個因素：

• 用戶界面應(yīng)該是易于改變的，甚至在運(yùn)行期間也是有可能改變的；
• 用戶界面的修改或移植不會影響軟件的核心功能代碼。

為了解決這個問題，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(shè)計模式中，模型用來封裝核心數(shù)據(jù)和功能，它獨立于特定的輸出表示和輸入行為，是執(zhí)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，并不是模型所關(guān)注的問題。模型只有純粹的功能性接口，也就是一系列的公開方法，這些方法有的是取值方法，讓系統(tǒng)其它部分可以得到模型的內(nèi)部狀態(tài)，有的則是置值方法，允許系統(tǒng)的其它部分修改模型的內(nèi)部狀態(tài)。

視圖用來向用戶顯示信息，它獲得來自模型的數(shù)據(jù)，決定模型以什么樣的方式展示給用戶。同一個模型可以對應(yīng)于多個視圖，這樣對于視圖而言，模型就是可重用的代碼。一般來說，模型內(nèi)部必須保留所有對應(yīng)視圖的相關(guān)信息，以便在模型的狀態(tài)發(fā)生改變時，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(biāo)移動、鼠標(biāo)點擊和鍵盤輸入等事件，將其轉(zhuǎn)化成服務(wù)請求，然后再傳給模型或者視圖。整個軟件的用戶是通過控制器來與系統(tǒng)交互的，他通過控制器來操縱模型，從而向模型傳遞數(shù)據(jù)，改變模型的狀態(tài)，并最后導(dǎo)致視圖的更新。

MVC設(shè)計模式將模型、視圖與控制器三個相對獨立的部分分隔開來，這樣可以改變軟件的一個子系統(tǒng)而不至于對其它子系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。例如，在將一個非圖形化用戶界面軟件修改為圖形化用戶界面軟件時，不需要對模型進(jìn)行修改，而添加一個對新的輸入設(shè)備的支持，則通常不會對視圖產(chǎn)生任何影響。

應(yīng)用了MVC設(shè)計模式的軟件系統(tǒng)，其基本的實現(xiàn)過程是：

1. 控制器創(chuàng)建模型；
2. 控制器創(chuàng)建一個或多個視圖，并將它們與模型相關(guān)聯(lián)；
3. 控制器負(fù)責(zé)改變模型的狀態(tài)；
4. 當(dāng)模型的狀態(tài)發(fā)生改變時，模型會通知與之相關(guān)的視圖進(jìn)行更新。

如果用UML來表示MVC設(shè)計模式，則如圖1所示：

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三、Python與設(shè)計模式

盡管設(shè)計模式的目標(biāo)是努力做到與語言的無關(guān)性，但事實上許多模式在應(yīng)用時還是需要依賴于具體實現(xiàn)語言的某些特性，尤其是該語言的對象模型。由于《設(shè)計模式》一書采用的是C++和Smalltalk來講述設(shè)計模式，因此訪問控制符和靜態(tài)成員方法（類方法）等都可以直接使用，可惜的是這些特性在Python中都無法用到，原因是Python采了與C++完全不同的對象模式。

簡單說來，Python是一種優(yōu)秀的面向?qū)ο竽_本語言，它具有動態(tài)語義和快速的原型開發(fā)能力，也許在短短的幾分鐘內(nèi)，你就可以開發(fā)出使用其它語言可能需要花費幾個小時的原型系統(tǒng)。Python豐富的工具集使得它位于傳統(tǒng)腳本語言（如Tcl、Perl和Scheme）和系統(tǒng)編程語言（如C、C++和Java）之間，既具備了腳本語言的簡單易用性，同時又能夠提供只有系統(tǒng)語言才可能擁有的某些高級特性。

從面向?qū)ο蠼嵌葋砜矗琍ython和Smalltalk一樣都采用了完全的面向?qū)ο笤O(shè)計思想，其對象模型能夠支持諸如運(yùn)算符重載、多重繼承等高級概念。但Python在設(shè)計時似乎忽略了面向?qū)ο蟮囊豁椈驹瓌t，那就是數(shù)據(jù)隱藏。與C++和Java不同，Python沒有為類定義提供public、protected和private等關(guān)鍵字，這就意味著任何人都可以直接修改對象的屬性。Python之所以這么做，也許是為了保證語法上的簡潔性，就像Python的發(fā)明人Guido van Rossum所認(rèn)為的那樣："豐富的語法帶來的負(fù)擔(dān)多于幫助"。但在某些設(shè)計模式中，向外界隱藏數(shù)據(jù)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，來實現(xiàn)某種程度上的隱藏性。

在Python中應(yīng)用設(shè)計模式的一個有利因素是它的動態(tài)類型綁定，也就是說一個對象很少只是一個類的實例，而是可以在運(yùn)行時動態(tài)改變。在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中，接口是一個基本的組成部分，對象只有通過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，這就是動態(tài)綁定的概念。動態(tài)綁定雖然看起來在一定程度上使得代碼不同那么容易理解和維護(hù)，但它的確可以使整個軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)顯得更加清晰和合理。

作為一門優(yōu)秀的腳本語言，Python正在被越來越多的人所接受，使用Python開發(fā)的項目也越來越多，這也難怪會被大家推崇為"下一代編程語言"中的典型代表。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，如何在用Python開發(fā)軟件時充分利用已有的經(jīng)驗和成果將成為人們關(guān)注的焦點，而設(shè)計模式作為軟件復(fù)用的一個重要方面，其價值自然是不言而喻。可問題是目前所使用的設(shè)計模式大都是人們在用Smalltalk、C++和Java開發(fā)軟件時所總結(jié)出來的，因此或多或少地帶有這些語言的影子，而要想在Python中使用這些設(shè)計模式，必須根據(jù)Python的自身特點和實際需要，靈活地加以運(yùn)用。

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四、Python對象模型

對一門具體的編程語言來說，在應(yīng)用設(shè)計模式時影響最大的莫過于它的對象模型了，這是因為大部分設(shè)計模式都源自于C++和Java這類面向?qū)ο缶幊陶Z言。要想在Python中復(fù)用這些設(shè)計模式，首先需要對Python的對象模型有一個比較清晰的認(rèn)識。

4.1 類

同其它面向?qū)ο缶幊陶Z言一樣，Python中的類也是一種用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，其基本的語法格式是：

        class <name>(superclass, ...):		# 定義類
            data = value				# 共享的類變量
            def method(self, ...):			# 類中的方法
            self.member = value		# 實例的數(shù)據(jù)
            

類定義從關(guān)鍵字class開始，并包含整個縮進(jìn)代碼塊，類中定義的方法和屬性構(gòu)成了類的名字空間（name space）。一個類通常會有多個方法，它們都以關(guān)鍵字def開頭，并且第一個參數(shù)通常都是self，Python中的變量self相當(dāng)于C++中的關(guān)鍵字this，其作用是傳遞一個對象的引用。

Python中的類屬性位于類的名字空間中，可以被所有的類實例所共享，這一點同C++和Java相同。訪問類屬性時不需要事先創(chuàng)建類的實例，直接使用類名就可以了。例如：

>>> class Friend:
            default_age = 20
            >>> Friend.default_age
            20
            

除了自定義的類屬性外，Python中的每個類其實都具有一些特殊的類屬性，它們都是由Python的對象模型所提供的。表1列出了這些類屬性：

4.2 實例

定義類的目的是為了創(chuàng)建它的實例，從面向?qū)ο蟮慕嵌瓤?，類是對?shù)據(jù)及其相關(guān)操作的封裝，而類實例則是對現(xiàn)實生活中某個實體的抽象。假設(shè)定義了如下一個類：

        class School:
            def __init__(self, name):
            self.name = name
            self.students = []
            def addStudent(self, student):
            self.students.append(student)
            

要創(chuàng)建School類的一個實例，可以執(zhí)行下面的語句：

bit = School("Beijing Institute of Technology")
            

在C++和Java中創(chuàng)建類實例時，與類具有相同名稱的構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用，而在Python中創(chuàng)建一個類的實例時，將調(diào)用名為__init__的特殊方法。Python中的類實例繼承了類的所有方法和屬性，并且有自己獨立的名字空間，使用下面的方法可以訪問類實例的方法和屬性：

bit.addStudent("gary")
            bit.students
            

Python中的對象屬性有一個非常有趣的地方，那就是使用它們之前不用像C++和Java那樣，必須先在類中進(jìn)行聲明，因為這些都是可以動態(tài)創(chuàng)建的。作為一門動態(tài)類型語言，Python的這一特性的確非常靈活，但有時也難免產(chǎn)生問題。例如在許多針對接口的設(shè)計模式中，通常都需要知道對象所屬的類，以便能夠調(diào)用不同的實現(xiàn)方法，這些在C++和Java這些強(qiáng)類型語言的對象模型中不難實現(xiàn)，但對Python來講可就不那么簡單了，因為Python中的每個變量事實上都沒有固定的類型。

為了解決這一問題，Python的__builtin__模塊提供了兩個非常實用的內(nèi)建函數(shù)：isinstance()和issubclass()。其中函數(shù)isinstance()用于測試一個對象是否是某個類的實例，如果是的話則返回1，否則返回0。其基本的語法格式是：

isinstance (instance_object, class_object)
            

例如：

>>> class Test:
            pass
            >>> inst = Test()
            >>> isinstance(inst, Test)
            1
            

而函數(shù)issubclass()則用于測試一個類是否是另一個類的子類，如果是的話則返回1，否則返回0。其基本的語法格式是：

issubclass(classobj1, classobj2)
            

例如：

>>> class TestA:
            pass
            >>> class TestB(TestA):
            pass
            >>> issubclass(TestA, TestB)
            0
            >>> issubclass(TestB, TestA)
            1
            

和類一樣，Python中的每個類實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：

4.3繼承

在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計中，繼承（Inheritance）允許子類從父類那里獲得屬性和方法，同時子類可以添加或者重載其父類中的任何方法。在Python中定義繼承類的語法格式是：

class <name>(superclass, superclass, ...)
            suit
            

例如，對于下面這個類：

        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：

        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，子類的構(gòu)造函數(shù)會自動調(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)，但在Python中卻不是這樣，你必須在子類中顯示調(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)，這就是為什么在Designer. __init__方法中必須調(diào)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對象模型則是通過接口（Interface）來間接實現(xiàn)多重繼承的。在對多重繼承的處理上，Python采用了和C++類似的方法，即允許多重繼承，例如：

    class A:
            pass
            class B(A):
            pass
            class C:
            pass
            class D(B, C):
            pass
            

4.4 多態(tài)

嚴(yán)格說來，像C++和Java這些強(qiáng)類型語言對象模型中的多態(tài)概念并不適用于Python，因為Python沒有提供類型聲明機(jī)制。但由于Python本身是一種動態(tài)類型語言，允許將任意值賦給任何一個變量，如果我們對多態(tài)的概念稍加擴(kuò)充，將其理解為具有能同時處理多種數(shù)據(jù)類型的函數(shù)或方法，那么Python對象模型實際上也支持經(jīng)過弱化后的多態(tài)。

Python直到代碼運(yùn)行之時才去決定一個變量所屬的類型，這一特性稱為運(yùn)行時綁定（runtime binding）。Python解析器內(nèi)部雖然也對變量進(jìn)行類型分配，但卻十分模糊，并且只有在真正使用它們時才隱式地分配類型。例如，如果程序調(diào)用abs(num)，則除數(shù)字之外的任何類型對變量num都沒有意義，此時變量num事實上就進(jìn)行了非正式的類型分配。

能夠處理不同抽象層次的對象，是面向?qū)ο缶幊套钪匾奶匦灾唬彩荘ython的一個非常重要的組成部分。下面的例子示范了如何讓Python中的一個函數(shù)能夠同時處理多種類型的數(shù)據(jù)，在C++的對象模型中，這種多態(tài)被稱為方法重載。

            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類中的方法deal就可以同時處理數(shù)字和字符串了：

>>> p = Polymorph()
            >>> p.deal(100)
            100 is an integer
            >>> p.deal("Hello World!")
            Hello World! is a string
            

4.5 可見性

Python對象模型對可見性的處理與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，那就意味著它們只能在類中被訪問，而如果被聲明為protected，則只有該類或者其子類中的代碼能夠訪問這些屬性和方法。但在Python對象模型中，所有屬性和方法都是public的，也就是說數(shù)據(jù)沒有做相應(yīng)的保護(hù)，你可以在任何地方對它們進(jìn)行任意的修改。

能夠?qū)梢娦赃M(jìn)行約束是面向?qū)ο缶幊痰囊粋€重要特點，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問接口，而內(nèi)部實現(xiàn)細(xì)節(jié)則被很好地隱藏起來。奇怪的是作為一門面向?qū)ο竽_本語言，Python并沒有提供對可見性進(jìn)行約束的機(jī)制，所有屬性和方法對任何人都是可見的，任何人想知道對象的內(nèi)部實現(xiàn)細(xì)節(jié)都是可能的。雖然這樣做能夠帶來部分效率上的優(yōu)化，但卻無法阻止其它程序員對已經(jīng)封裝好的類進(jìn)行破壞，從某種程度上這不得不說是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，使得類中的一些屬性得以局部化。在進(jìn)行定義類時，如果一個屬性的名稱是以兩個下劃線開始，同時又不是以下劃線結(jié)束的，那么它在編譯時將自動地被改寫為類名加上屬性名。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(jié)果可以看出，Greeting類的屬性__data變成了_Greeting__data。雖然這樣仍然無法阻止外界對它的訪問，但的確使得訪問變得不再那么直接了，從而在一定程序上保護(hù)了類中的數(shù)據(jù)不被外界破壞。

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五、在Python中應(yīng)用設(shè)計模式

《設(shè)計模式》一書總結(jié)了23個模式，依據(jù)各自的目的又被分為創(chuàng)建型模式（creational pattern）、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)關(guān)系以及對象之間如何交互這三個方面入手，對面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模方法給予了解釋和指導(dǎo)。

• 創(chuàng)建型模式描述怎樣創(chuàng)建一個對象，以及如何隱藏對象創(chuàng)建的細(xì)節(jié)，從而使得程序代碼不依賴于具體的對象，這樣在增加一個新的對象時對代碼的改動非常小。
• 結(jié)構(gòu)型模式描述類和對象之間如何進(jìn)行有效的組織，形成良好的軟件體系結(jié)構(gòu)，主要的方法是使用繼承關(guān)系來組織各個類。
• 行為型模式描述類或?qū)ο笾g如何交互以及如何分配職責(zé)，實際上它所牽涉的不僅僅是類或?qū)ο蟮脑O(shè)計模式，還有它們之間的通訊模式。

這些設(shè)計模式如果能夠在Python中直接應(yīng)用的話，對所有Python程序員來講毫無疑問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)被無數(shù)次的實踐所驗證過了。如果想在Python中靈活地運(yùn)行這些設(shè)計模式，可以遵循下面的幾個步驟：

1. 接受設(shè)計模式
2. 識別設(shè)計模式
3. 運(yùn)用設(shè)計模式

首先，你應(yīng)該認(rèn)識到設(shè)計模式的確能夠改善你所設(shè)計的軟件。其次，你必須仔細(xì)研究每一種設(shè)計模式，學(xué)習(xí)如何在Python中應(yīng)用這些模式，以便在今后需要時能夠用到它們。最后，你要努力做到對各個設(shè)計模式都有非常清晰的認(rèn)識，最好能夠形成自己的獨到見解，清楚哪個模式能夠解決哪個設(shè)計上的問題，并將它們真正應(yīng)用到你用Python開發(fā)的軟件中去。所有的設(shè)計模式都來源于實踐，最終也將付諸于實踐，只有通過實踐中你才可能掌握每個模式的精髓所在。

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六、小結(jié)

設(shè)計模式就是解決軟件開發(fā)和設(shè)計過程中某個特定問題的特定方法，它最初起源于建筑設(shè)計，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在軟件開發(fā)領(lǐng)域中。設(shè)計模式是軟件復(fù)用的一種特定形式，理論上它與具體的語言無關(guān)，但實際應(yīng)用時通常會依賴于語言所提供的某些特性，Python是一門優(yōu)秀的面向?qū)ο竽_本語言，它的對象模型會影響到部分設(shè)計模式的實現(xiàn)。設(shè)計模式按其目的可以被劃分成不同的種類，分別用于解決不同方面的實際問題。

參考資料

1. 《面向模式的軟件體系結(jié)構(gòu) 卷1：模式系統(tǒng)》，F(xiàn)rank Buschmann等著，賁可榮等譯，北京：機(jī)械工業(yè)出版，2003。
2. 《設(shè)計模式 可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》，Erich Gamma等著，李英軍等譯，北京：機(jī)械工業(yè)出版，2000。
3. 《深入學(xué)習(xí)：Python程序開發(fā)》，Andre Lessa著，張曉暉等譯，北京：電子工業(yè)出版社，2001。
4. 《Python語言入門》，Mark Lutz等著，陳革等譯，2001。
5. 從Python官方網(wǎng)站（ http://www.）上可以了解到所有關(guān)于Python的知識。
6. 在網(wǎng)站 http:///patterns/上可以了解到許多與模式相關(guān)的信息。