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30天学会Python编程:24. Python设计模式与架构

wptr33 2025-07-08 23:41 29 浏览

24.1 设计模式基础

24.1.1 设计模式分类

24.1.2 SOLID原则

原则

全称

核心思想

SRP

单一职责

一个类只做一件事

OCP

开闭原则

对扩展开放,修改关闭

LSP

里氏替换

子类可替换父类

ISP

接口隔离

客户端不应依赖不需要的接口

DIP

依赖倒置

依赖抽象而非实现

24.2 创建型模式

24.2.1 工厂模式

from abc import ABC, abstractmethod

class PaymentMethod(ABC):
    """支付方式抽象类"""
    @abstractmethod
    def pay(self, amount):
        pass

class CreditCard(PaymentMethod):
    def pay(self, amount):
        print(f"信用卡支付 {amount} 元")

class Alipay(PaymentMethod):
    def pay(self, amount):
        print(f"支付宝支付 {amount} 元")

class PaymentFactory:
    """支付工厂"""
    @staticmethod
    def create(method: str) -> PaymentMethod:
        if method == 'credit':
            return CreditCard()
        elif method == 'alipay':
            return Alipay()
        raise ValueError(f"不支持的支付方式: {method}")

# 使用示例
payment = PaymentFactory.create('alipay')
payment.pay(100)

24.2.2 单例模式

class DatabaseConnection:
    _instance = None
    
    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
            # 初始化数据库连接
            cls._instance.conn = "模拟数据库连接"
        return cls._instance
    
    def query(self, sql):
        print(f"执行查询: {sql}")
        return "结果数据"

# 测试单例
db1 = DatabaseConnection()
db2 = DatabaseConnection()
print(db1 is db2)  # True

24.3 结构型模式

24.3.1 适配器模式

class OldSystem:
    """旧系统接口"""
    def legacy_request(self, data: dict):
        print(f"旧系统处理: {data}")

class NewSystem:
    """新系统期望的接口"""
    def json_request(self, json_str: str):
        print(f"新系统处理: {json_str}")

class Adapter(NewSystem):
    """适配器转换旧系统接口"""
    def __init__(self, old_system: OldSystem):
        self.old_system = old_system
    
    def json_request(self, json_str: str):
        import json
        data = json.loads(json_str)
        self.old_system.legacy_request(data)

# 客户端代码
def client_code(system: NewSystem):
    system.json_request('{"key": "value"}')

old = OldSystem()
adapter = Adapter(old)
client_code(adapter)  # 通过适配器调用旧系统

24.3.2 装饰器模式

from functools import wraps

def log_execution(func):
    """记录函数执行的装饰器"""
    @wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print(f"开始执行 {func.__name__}")
        result = func(*args, **kwargs)
        print(f"完成执行 {func.__name__}")
        return result
    return wrapper

def validate_input(func):
    """验证参数的装饰器"""
    @wraps(func)
    def wrapper(text: str):
        if not isinstance(text, str):
            raise ValueError("输入必须是字符串")
        return func(text)
    return wrapper

@log_execution
@validate_input
def process_text(text):
    """处理文本"""
    return text.upper()

# 使用装饰后的函数
print(process_text("hello"))  # 正常执行
# process_text(123)          # 触发验证错误

24.4 行为型模式

24.4.1 观察者模式

class Subject:
    """被观察者"""
    def __init__(self):
        self._observers = []
    
    def attach(self, observer):
        self._observers.append(observer)
    
    def detach(self, observer):
        self._observers.remove(observer)
    
    def notify(self, data):
        for observer in self._observers:
            observer.update(data)

class Observer(ABC):
    """观察者抽象类"""
    @abstractmethod
    def update(self, data):
        pass

class Logger(Observer):
    """日志观察者"""
    def update(self, data):
        print(f"[LOG] 状态变化: {data}")

class AlertSystem(Observer):
    """告警观察者"""
    def update(self, data):
        if data.get('warning'):
            print(f"[ALERT] 警告: {data['warning']}")

# 使用示例
subject = Subject()
subject.attach(Logger())
subject.attach(AlertSystem())

subject.notify({"status": "OK"})
subject.notify({"warning": "CPU过载"})

24.4.2 策略模式

from abc import ABC, abstractmethod

class CompressionStrategy(ABC):
    """压缩策略接口"""
    @abstractmethod
    def compress(self, data: bytes) -> bytes:
        pass

class ZipCompression(CompressionStrategy):
    def compress(self, data):
        print("使用ZIP算法压缩")
        return b"compressed_with_zip"

class RarCompression(CompressionStrategy):
    def compress(self, data):
        print("使用RAR算法压缩")
        return b"compressed_with_rar"

class FileCompressor:
    """文件压缩器"""
    def __init__(self, strategy: CompressionStrategy):
        self._strategy = strategy
    
    def set_strategy(self, strategy: CompressionStrategy):
        self._strategy = strategy
    
    def compress_file(self, file_path: str) -> bytes:
        with open(file_path, 'rb') as f:
            data = f.read()
        return self._strategy.compress(data)

# 使用示例
compressor = FileCompressor(ZipCompression())
compressor.compress_file("test.txt")

# 运行时切换策略
compressor.set_strategy(RarCompression())
compressor.compress_file("test.txt")

24.5 系统架构

24.5.1 分层架构

myapp/
├── presentation/   # 表现层
│   ├── web/
│   └── cli/
├── service/        # 业务逻辑层
│   ├── order.py
│   └── payment.py
├── repository/     # 数据访问层
│   ├── models.py
│   └── db.py
└── domain/         # 领域模型
    ├── entities.py
    └── value_objects.py

24.5.2 微服务通信

# 基于消息队列的通信
import pika

def publish_event(event):
    connection = pika.BlockingConnection(
        pika.ConnectionParameters('localhost')
    )
    channel = connection.channel()
    channel.queue_declare(queue='order_events')
    channel.basic_publish(
        exchange='',
        routing_key='order_events',
        body=json.dumps(event)
    )
    connection.close()

# 基于REST的通信
import requests

def get_user_info(user_id):
    response = requests.get(
        f"http://user-service/api/users/{user_id}",
        timeout=3
    )
    response.raise_for_status()
    return response.json()

24.6 应用举例

案例1:电商订单

from dataclasses import dataclass
from typing import List

@dataclass
class OrderItem:
    product_id: str
    quantity: int
    price: float

class Order:
    """订单领域模型"""
    def __init__(self, order_id: str, user_id: str):
        self.order_id = order_id
        self.user_id = user_id
        self._items: List[OrderItem] = []
        self._status = "created"
    
    def add_item(self, item: OrderItem):
        self._items.append(item)
    
    @property
    def total_amount(self):
        return sum(item.price * item.quantity for item in self._items)
    
    def checkout(self, payment_strategy):
        """策略模式应用"""
        payment_strategy.process(self.total_amount)
        self._status = "paid"
    
    def notify_observers(self, event):
        """观察者模式应用"""
        for observer in self._observers:
            observer.update(event)

class OrderService:
    """订单服务层"""
    def __init__(self, repository, notifier):
        self._repo = repository
        self._notifier = notifier
    
    def create_order(self, user_id, items):
        order = Order(str(uuid.uuid4()), user_id)
        for item in items:
            order.add_item(OrderItem(**item))
        
        self._repo.save(order)
        self._notifier.send(
            "order_created",
            {"order_id": order.order_id, "user_id": user_id}
        )
        return order

案例2:数据管道架构

from abc import ABC, abstractmethod
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor

class DataSource(ABC):
    """数据源抽象类"""
    @abstractmethod
    def read(self):
        pass

class Transformer(ABC):
    """数据转换抽象类"""
    @abstractmethod
    def transform(self, data):
        pass

class DataPipeline:
    """数据处理管道"""
    def __init__(self, source: DataSource, transformers: List[Transformer]):
        self.source = source
        self.transformers = transformers
        self.executor = ThreadPoolExecutor(max_workers=4)
    
    def process(self):
        """责任链模式处理数据"""
        raw_data = self.source.read()
        
        result = raw_data
        for transformer in self.transformers:
            result = self.executor.submit(transformer.transform, result).result()
        
        return result

# 具体实现
class CSVSource(DataSource):
    def read(self):
        print("从CSV读取数据")
        return [{"name": "Alice", "age": "25"}, {"name": "Bob", "age": "30"}]

class AgeToInt(Transformer):
    def transform(self, data):
        print("转换年龄为整数")
        for item in data:
            item['age'] = int(item['age'])
        return data

class AddTimestamp(Transformer):
    def transform(self, data):
        print("添加时间戳")
        for item in data:
            item['timestamp'] = datetime.now().isoformat()
        return data

# 构建管道
pipeline = DataPipeline(
    source=CSVSource(),
    transformers=[AgeToInt(), AddTimestamp()]
)
processed_data = pipeline.process()
print(processed_data)

24.7 知识图谱

24.8 学习总结

核心要点

  • 理解SOLID设计原则
  • 掌握常用设计模式
  • 区分架构层次职责
  • 合理应用模式组合

持续更新Python编程学习日志与技巧,敬请关注!


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