python实践设计模式（二）Builder,Singleton,Prototype

风行影者

发表于2013-06-02 15:25:25

 

 

4.Builder模式

　　个人理解，如果说工厂模式旨在选择创建哪一类的实例，而Builder模式的重点是封装一个实例的复杂创建过程。它可以将一个产品的内部表象与产品的生成过程分割开来，从而可以使一个建造过程生成具有不同的内部表象的产品对象。也就是说，建造的步骤可以稳定不变，但是每一步的内部表象可以灵活变化。

UML图如下：

Builder:为创建Product对象的各个部件指定抽象接口，python中为父类。
ConcreteBuilder:实现Builder的接口以构造和装配该产品的各个部件，定义并明确它所创建的表示，并提供一个检索产品的接口，也就是返回产品类的方法。
Director:构造一个使用Builer接口的对象，该对象中定义了建造对象的步骤顺序。
Product:表示被构造的复杂对象。ConcreteBuilder创建该产品的内部表示并定义它的具体装配方法，包含定义组成部件的类，以及将这些部件装配成最终产品的接口。

一个比较贴切的例子：

　　要建一座房子，可是我不知道怎么盖，于是我需要找建筑队的工人他们会，还得找个设计师，他知道怎么设计，我还要确保建筑队的工人听设计师的领导，而设计师本身不干活，只下命令，这里砌一堵墙，这里砌一扇门，这样建筑队的工人开始建设，最后，我可以向建筑队的工人要房子了。在这个过程中，设计师是什么也没有，除了他在脑子里的设计和命令，所以要房子也是跟建筑队的工人要。在这个例子中Director是设计师，Builder代表建筑队工人会的建筑技能，ConcreteBuilder工人建筑技能的具体操作，Product就是我要盖的房子。

　　下面代码的例子，建筑队的工人有砌墙，装窗户，装门的技能以及交房的安排，设计师决定了建设房屋的安排和步骤，现在我要通过2个建筑队的民工，建2所房子，实例代码如下：

复制代码
 1 class Builder:
 2     def BuildWall(self):
 3         pass
 4     def BuildDoor(self):
 5         pass
 6     def BuildWindow(self):
 7         pass
 8     def GetRoom(self):
 9         pass
10 class ConcreteBuilder1(Builder):
11     def __init__(self):
12         self.__Room=[]
13     def BuildWall(self):
14         self.__Room.append("Builder1 Build the wall. ")
15     def BuildDoor(self):
16         self.__Room.append("Builder1 Build the door. ")
17     def BuildWindow(self):
18         self.__Room.append("Builder1 Build the window. ")
19     def GetRoom(self):
20         return self.__Room
21 class ConcreteBuilder2(Builder):
22     def __init__(self):
23         self.__Room=[]
24     def BuildWall(self):
25         self.__Room.append("Builder2 Build the wall. ")
26     def BuildDoor(self):
27         self.__Room.append("Builder2 Build the door. ")
28     def BuildWindow(self):
29         self.__Room.append("Builder2 Build the window. ")
30     def GetRoom(self):
31         return self.__Room
32 class Director:
33     def __init__(self,Builder):
34         self.__build=Builder
35     def order(self):
36         self.__build.BuildWall()        
37         self.__build.BuildWindow()
38         self.__build.BuildDoor()
39 if __name__ == "__main__":
40     
41     builder1=ConcreteBuilder1()
42     director=Director(builder1)
43     director.order()
44     print builder1.GetRoom()
45 
46     builder2=ConcreteBuilder2()
47     director=Director(builder2)
48     director.order()
49     print builder2.GetRoom()
复制代码

 注：因为python没有private类型的成员，不过我们可以用命名为__name的变量代替，例如上例中的__Room，为什么这样可以呢，我们用builder1=ConcreteBuilder1()
print dir(builder1)

打印语句看出如下图，__name实例化后变为__ConcreteBuilder1__name,就是避免外界对__name属性的修改，从而达到了封闭性。

 

 　　5. Singleton模式

 　　Singleton模式要求一个类有且仅有一个实例，并且提供了一个全局的访问点，UML如下。

　　单例模式虽然不复杂，我一直认为这个模式是最简单的，当我想用python实现的时候确犯难了，这篇文章也足足用了2星期才写出来，期间各种查资料（省略1000个字），下面就来说说实现方法。

　　先说以前比较熟悉的像C#这样的语言，一般的实现方法是：

　　1.有一个私有的无参构造函数，这可以防止其他类实例化它。 
　　2.单例类被定义为sealed，目的是单例类也不被继承，如果单例类允许继承那么每个子类都可以创建实例，这就违背了Singleton模式“唯一实例”的初衷，所以为了保险起见可以把该类定义成不允许派生，但没有要求一定要这样定义。 
　　3.一个静态的变量用来保存单实例的引用。 
　　4.一个公有的静态方法用来获取单实例的引用，如果实例为null 即创建一个。

　　上面是我熟悉的Singleton模式的创建方法，但是对于python，既没有static类型，也没有私有方法和sealed修饰的类，如何实现呢？

  • 关于私有方法和属性，我前面已经提到可以用__name形式为名称定义方法名和属性名来解决
  • 利用isinstance()或issubclass()

　　　　本人力推isinstance()和issubclass()2个方法，正是由于python提供这两个方法才能完成设计模式的开发。

　　　　isinstance(object, classinfo)如果object是CLASSINFO的一个实例或是子类，或者如果CLASSINFO和object的类型是对象，或是该类型的对象的子类，返回true。

　　　　issubclass(class, classinfo)如果class是CLASSINFO的一个子类返回true。

　　　　下面是利用　isinstance实现的Singleton模式　　　　　　　

复制代码
 1 class Singleton:
 2     __singleton = None
 3     @classmethod
 4     def getSingleton(cls):
 5         if not isinstance(cls.__singleton,cls):
 6             cls.__singleton = cls()
 7         return cls.__singleton
 8 
 9 class Test(Singleton):
10     def test(self):
11         print self.__class__,id(self)
12 
13 class Test1(Test):
14     def test1(self):
15         print self.__class__,id(self),'Test1'
16 
17 class Test2(Singleton):
18     def test2(self):
19         print self.__class__,id(self),'Test2'
20 
21 if __name__=='__main__':
22     
23 
24     t1 = Test.getSingleton()
25     t2 = Test.getSingleton()
26     
27     t1.test()
28     t2.test()
29     assert(isinstance(t1,Test))
30     assert(isinstance(t2,Test))
31     assert(id(t1)==id(t2))
32 
33     t1 = Test1.getSingleton()
34     t2 = Test1.getSingleton()
35 
36     assert(isinstance(t1,Test1))
37     assert(isinstance(t2,Test1))
38     assert(id(t1)==id(t2))
39     
40     t1.test()
41     t1.test1()
42     t2.test()
43     t2.test1()
44 
45     t1 = Test2.getSingleton()
46     t2 = Test2.getSingleton()
47 
48     assert(isinstance(t1,Test2))
49     assert(isinstance(t2,Test2))
50     assert(id(t1)==id(t2))
51 
52     t1.test2()
53     t2.test2()
复制代码

　　　　上面代码的执行结果如下：

　　　　

　　　　从运行结果可以看出，我们可以控制同一个子类的生成同一个对象实例，但是如果Singleton类被继承（不论是子类之间还是，子类的子类）不能控制生成一个实例。这个问题后面再探讨。

  • 利用__new__

　　　　提到__new__就不能不说__init__，先说说关于__new__和__init__的不同与用法：

　　　　object.__new__(cls[, ...])：调用创建cls类的一个新的实例。是静态方法不用声明。返回一个新对象的实例

　　　　object.__init__(self[, ...])：当实例创建的时候调用。没有返回值。

　　　　　　__new__在__init__这个之前被调用：

　　　　　　如果__new__返回一个cls的实例，那么新的实例的__init__方法就会被调用，且self是这个新的实例。如果是自定义重写__new__，没有调用__init__的话__init__就不起作用了。

　　　　　　如果__new__不返回一个cls的实例，那么新的实例的__init__方法就不会被调用。

　　　　示例代码如下：

复制代码
 1 class Singleton(object):
 2     def __new__(cls):
 3         if not hasattr(cls, '_instance'):
 4             cls._instance = object.__new__(cls)
 5         return cls._instance
 6 
 7 #class Singleton(type):  
 8 #    def __init__(cls, name, bases, dict):  
 9 #        super(Singleton, cls).__init__(name, bases, dict)  
10 #        cls._instance = None  
11 #    def __call__(cls):  
12 #        if cls._instance is None:  
13 #            cls._instance = super(Singleton, cls).__call__()  
14 #        return cls._instance
15 
16 
17 class MyClass1(Singleton):
18     a = 1
19 
20 #class MyClass1(object):
21 #    __metaclass__ = Singleton
22 
23 one = MyClass1()
24 two = MyClass1()
25 
26 two.a = 3
27 print 'one.a=',one.a
28 
29 assert(isinstance(one,MyClass1))
30 assert(isinstance(two,MyClass1))
31 print one.__class__,id(one)
32 print two.__class__,id(two)
33 print one == two
34 print one is two
35 
36 class MyClass2(Singleton):
37     a = 2
38 #class MyClass2(object):
39 #    __metaclass__ = Singleton
40 
41 three = MyClass2()
42 three.a=4
43 print 'three.a=',three.a
44 assert(isinstance(three,MyClass2))
45 print three.__class__,id(three)
复制代码

　　　　如上代码，我们重写了__new__方法，没有用到__init__，即使需要用到我们也需要显式的调用，否则__init__不会起作用，这段代码返回的结果与第一种方法类似如下，也没有解决多继承多对象的问题。

　　　

  • 利用元类__metaclass__

　　　　利用元类编写单例其实原理和重写__new__是一样的，都是在对象创建的时候进行拦截。上面Singleton2中注释的代码就是利用__metaclass__，可以用注释部分的声明代替之前的，Singleton类在声明是继承了type，对于type她其实是Python在背后用来创建所有类的元类。

　class MyClass1(object):
   　　 __metaclass__ = Singleton

在声明MyClass1时用到了以上的方式，原理是这样的，MyClass1中有__metaclass__这个属性吗？如果有，Python会在内存中通过__metaclass__创建一个名字为MyClass1的类对象。如果Python没有找到__metaclass__，它会继续在object（父类）中寻找__metaclass__属性，并尝试做和前面同样的操作。如果Python在任何父类中都找不到__metaclass__，它就会在模块层次中去寻找__metaclass__，并尝试做同样的操作。如果还是找不到__metaclass__,Python就会用内置的type来创建这个类对象。这里当程序发现MyClass1中有__metaclass__，所以用Singleton类代替元类type创建这个类。

　　　　其中还用到了__call__　　　

　　　　object.__call__(self[, args...]):当把一个实例当作方法来调用的时候，形如instance(arg1,args2,...)，那么实际上调用的就是 instance.__call__(arg1,arg2,...)，实际上__call__模拟了()调用，作用在实例上，因此__init__作用完了，才调用__call__

 　　　　关于元类的具体解析请参考http://blog.jobbole.com/21351/

  • 利用pythonDecoratorLibrary——Singleton

　　python提供了丰富的装饰者库，其中就有现成的Singleton，官方参考链接http://wiki.python.org/moin/PythonDecoratorLibrary#Singleton

　　我改写了一个较简单的版本，如下：

复制代码
 1 def singleton(cls):
 2     ''' Use class as singleton. '''
 3     def singleton_new():
 4         it =  cls.__dict__.get('__it__')
 5         if it is not None:
 6             return it
 7 
 8         cls.__it__=cls()
 9         return cls.__it__
10 
11     return singleton_new
12 
13 
14 @singleton
15 class Foo:
16     a = 1
17 
18 one = Foo()
19 two = Foo()
20 two.a = 3
21 print 'one.a=',one.a
22 
23 print one.__class__,id(one)
24 print two.__class__,id(two)
25 print one == two
26 print one is two
27 
28 @singleton
29 class Foo2:
30     a = 1
31 
32 three = Foo2()
33 three.a=4
34 print 'three.a=',three.a
35 print three.__class__,id(three)
复制代码

　　总结：利用上面多种方法实现后，能实现对于一个类只有一个对象，但是不能避免的事类有继承，有多个子类就可以生成多个子类的对象。其实在python中要实现单例模式并不需要借用类的概念（java和C#需要类是因为所有代码需要写在类中），而是可以借助模块来实现，python的模块本身就是唯一的单例的，其中属性和方法直接写为全局的变量和方法即可。

　　6.Prototype模式　　

　　原型模式：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。

 

　　原型模式与工厂模式一样都生成一个对象，区别就是工厂模式是创建新的对象，而原型模式是克隆一个已经存在的对象，所以在对象初始化操作比较复杂的情况下，很实用，它能大大降低耗时，提高性能，因为“不用重新初始化对象，而是动态地获得对象运行时的状态”。

　　先来看看，原型模式的UML

　　

　　图中各部分意思如下：

　　客户（Client）角色：客户类提出创建对象的请求,让一个原型克隆自身从而创建一个新的对象。
　　抽象原型（Prototype）角色：此角色给出所有的具体原型类所需的接口。
　　具体原型（Concrete Prototype）角色：被复制的对象。此角色需要实现抽象原型角色所要求的接口。

　　对于python实现原型模式有现成的copy模块可用。 　　

　　copy.copy(x)浅拷贝
　　copy.deepcopy(x) 深拷贝

　　浅拷贝和深拷贝之间的区别仅适用于复合对象（包含其他对象也就是子对象，如list类或实例对象）：

　　浅拷贝——构建一个新的对象然后插入到原来的引用上。只拷贝父对象，不会拷贝对象的内部的子对象。

　　深拷贝——构造一个新的对象以递归的形式，然后插入复制到它原来的对象上。拷贝对象及其子对象

 

复制代码
 1 import copy 
 2 
 3 class ICloneable: 
 4     def shallowClone(self): 
 5         return copy.copy(self) 
 6      
 7     def deepClone(self): 
 8         return copy.deepcopy(self) 
 9 
10 
11 class WorkExperience(ICloneable): 
12     workData = "" 
13     company = "" 
14 
15 class Resume(ICloneable): 
16     name = "" 
17     sex = "" 
18     age = 0 
19     work = None 
20 
21     def __init__(self, name): 
22         self.name = name 
23         self.work = WorkExperience()
24 
25     def setPersonInfo(self, sex, age): 
26         self.sex = sex 
27         self.age = age 
28 
29     def setWorkExperience(self, workData, company): 
30         self.work.workData = workData 
31         self.work.company = company
32              
33     def display(self): 
34 
35         print('%s, %s, %d' % (self.name,self.sex,self.age)) 
36 
37         print('%s, %s' % (self.work.workData, self.work.company)) 
38 
39  
40 def client(): 
41 
42     a = Resume('Tom') 
43     a.setPersonInfo('m',29) 
44     a.setWorkExperience("1998-2000","ABC.COM")     
45 
46     b = a.shallowClone()
47     b.setWorkExperience("2000-2006","QQ.COM")         
48 
49     c = a.deepClone()
50     c.setWorkExperience("2006-2009","360.COM")     
51      
52     
53     a.display()
54     b.display()   
55     c.display()     
56     return 
57 
58 if __name__ == '__main__': 
59     client();
复制代码

 

上面代码运行结果如下：

 从结果可以看出，当b是a的浅拷贝，那么b中的实例对象WorkExperience只会复制了a中的引用，当不论是a，b哪一个修改都会改变a和b的WorkExperience实例。

c是a的深拷贝，创建了新的WorkExperience实例，所以c只会改变自己的WorkExperience

 

作者：风行影者

来源：http://www.cnblogs.com/wly923/archive/2013/05/22/3071637.html

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