设计模式与面向对象

一、设计模式

　　设计模式：对软件设计中普遍存在（反复出现）的各种问题，所提出的解决方案。

　　每一个设计模式系统地命名、解释和评价了面向对象系统中一个重要的和重复出现的设计。

　　设计模式的创始人，一般称为“四人帮”（Gang of Four, GoF）：Erich Gamma,Richard Helm,Ralph Johnson,John Vlissides......他们编写一套书来介绍23种设计模式：《设计模式：可复用面向对象软件的基础》。

二、面向对象回顾

　　设计模式是用来设计面向对象系统中的设计。不解决面向过程的问题。

1、面向对象的三大特性

　　封装：把数据和函数封装到一个类里，体现类内和类外。

　　继承：由于有了封装，需要通过继承在类之间复用代码。

　　多态：python本身是一门多态语言，因此不需去处理多态的问题。Java中则会区分虚类和普通类。

　　因此这三个特性是一个递进的关系。

2、接口

　　接口：若干抽象方法的集合。

　　作用：限制实现接口类必须按照接口给定的调用方式实现这些方法；对高层模块隐藏了类的内部实现。

# 方法一：继承
# 存在的问题是：如果不调用pay方法并不会报错
class Payment:
    def pay(self, money):
        raise NotImplementedError

class Alipay(Payment):
    pass

class WechatPay(Payment):
    pass

p = Alipay()
p.pay(100)


# 方法二：抽象类
# 约束子类必须实现抽象类：TypeError: Can't instantiate abstract class Alipay with abstract methods pay
from abc import ABCMeta, abstractmethod

class Payment(metaclass=ABCMeta):
    # abstract class
    @abstractmethod
    def pay(self, money):   # 抽象方法
        pass

class Alipay(Payment):
    def pay(self, money):   # 实现Payment接口
        print('支付宝支付%d元' % money)

class WechatPay(Payment):
    def pay(self, money):   # 实现Payment接口
        print("微信支付%d元" % money)

p = Alipay()
p.pay(100)

　　不用去查看具体实现，只要去查看接口（抽象类）的结构和注释，就可以了解需要传递的参数和pay方法的使用。

　　在写底层模块或者开源框架时需要大量应用设计模式，优化封装，让程序员在学习和使用时非常方便。

三、面向对象设计SOLID原则

　　不管是面向对象设计还是各个设计模式都需要遵循这五大原则。

• 开放封闭原则：一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放，对修改关闭。即软件实体应尽量在不修改原有代码的情况下进行扩展。
• 里氏替换原则：所有引用父类的地方必须能透明地使用其子类的对象。（子类是特殊的父类，子类继承父类时同样方法的表现一致）

  # 子类和父类的show_name内部实现和逻辑可能不同，但是参数和返回值是相同的
  class User:
      def show_name(self):
          pass
  
  class VIPUser(User):
      def show_name(self):
          pass
  
  def show_user(u):  # u可以是普通用户或VIP
      res = u.show_name()

• 依赖倒置原则：高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节；细节应该依赖抽象。换言之，要针对接口编程，而不是针对实现编程。

  from abc import ABCMeta, abstractmethod
  
  class Payment(metaclass=ABCMeta):  # 抽象
      # abstract class
      @abstractmethod
      def pay(self, money):   # 抽象方法
          pass
  
  class Alipay(Payment):      # 细节
      def pay(self, money):   # 实现Payment接口
          print('支付宝支付%d元' % money)
  
  class WechatPay(Payment):   # 细节
      def pay(self, money):   # 实现Payment接口
          print("微信支付%d元" % money)

• 接口隔离原则：使用多个专门的接口，而不使用单一的总接口，即客户端不应该依赖那些它不需要的接口。

  from abc import ABCMeta, abstractmethod
  
  # (一)单一总接口的情况
  # 子类必须实现所有抽象方法，但其实很多方法是子类不需要的
  class Animal(metaclass=ABCMeta):
      @abstractmethod
      def walk(self):
          pass
  
      @abstractmethod
      def swim(self):
          pass
  
      @abstractmethod
      def fly(self):
          pass
  
  class Tiger(Animal): # Class Tiger must implement all abstract methods
      def walk(self):
          print("老虎走路")
  
  # (二)多个接口隔离情况
  class LandAnimal(metaclass=ABCMeta):
      @abstractmethod
      def walk(self):
          pass
  
  class WaterAnimal(metaclass=ABCMeta):
      @abstractmethod
      def swim(self):
          pass
  
  class SkyAnimal(metaclass=ABCMeta):
      @abstractmethod
      def fly(self):
          pass
  
  class Tiger(LandAnimal):
      def walk(self):
          print("老虎走路")
  
  class Frag(LandAnimal,WaterAnimal):  # 青蛙多继承
      pass

• 单一职责原则：不要存在多于一个导致类变更的原因。通俗的说，即一个类只负责一项职责。

四、设计模式分类

1、创建型模式（5种）

　　主要聚焦怎么去创建对象。目的是为了隐藏底层模块的逻辑。

　　工厂方法模式、抽象工厂模式、创建者模式、原型模式、单例模式。

　　创建型模式

2、结构型模式（7种）

　　主要关注在几个类之间怎么组合协同工作在一起。

　　适配器模式、桥模式、组合模式、装饰模式、外观模式、享元模式、代理模式。

　　结构型模式

3、行为型模式（11种）

　　主要关注方法和行为的完成。

　　解释器模式、责任链模式、命令模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、访问者模式、模板方法模式。

　　行为型模式

五、设计模式总结

　　python这门语言是一个动态语言，对参数、父类子类等限制不严格。对设计模式并不强求，不是完全契合，而java则是完全与设计模式契合。但是了解一些设计模式对写出优秀代码还是非常有帮助的。

　　在写大型项目时，尤其是底层代码、开源框架等时，设计模式的优势将更加突出。