軟體開發中，設計模式提供瞭解決常見設計問題的有效方案。本文聚焦於 Python 的行為設計模式和架構設計模式，包含迭代器模式、範本方法模式和 MVC 模式，並輔以程式碼範例，展示如何在實際開發中應用這些模式。迭代器模式提供一種依序存取聚合物件元素的方法，而範本方法模式則定義了演算法的骨架，允許子類別自訂特定步驟。MVC 模式則將應用程式分為模型、檢視和控制器，實作關注點分離，提升程式碼的可維護性和擴充套件性。
行為設計模式中的迭代器模式與範本方法模式
在軟體開發過程中，設計模式為我們提供了可重複使用的解決方案，以應對常見的軟體設計問題。本篇文章將探討兩種重要的行為設計模式：迭代器模式（Iterator Pattern）與範本方法模式（Template Method Pattern），並透過具體的Python範例來說明這兩種模式的應用。
迭代器模式
迭代器模式是一種行為設計模式，它允許我們在不暴露底層實作細節的情況下，依序存取一個聚合物件中的各個元素。這種模式在處理集合資料結構，如列表、樹或圖時特別有用。
迭代器模式的實作
以下是一個使用迭代器模式的範例，我們將建立一個FootballTeam類別來代表一支足球隊，並使用迭代器來遍歷隊伍中的成員：
class FootballTeamIterator:
def __init__(self, members):
self.members = members
self.index = 0
def __iter__(self):
return self
def __next__(self):
if self.index >= len(self.members):
raise StopIteration
member = self.members[self.index]
self.index += 1
return member
class FootballTeam:
def __init__(self, members):
self.members = members
def __iter__(self):
return FootballTeamIterator(self.members)
def main():
members = [f"player{str(x)}" for x in range(1, 23)]
members += ["coach1", "coach2", "coach3"]
team = FootballTeam(members)
team_it = iter(team)
try:
while True:
print(next(team_it))
except StopIteration:
print("(結束)")
if __name__ == "__main__":
main()
迭代器模式的運作流程
- 我們定義了一個
FootballTeamIterator類別來實作迭代器介面。 FootballTeam類別包含了一個__iter__方法，該方法傳回一個FootballTeamIterator例項。- 在
main函式中，我們建立了一個FootballTeam例項，並使用iter()函式取得其迭代器。 - 我們使用一個無限迴圈來遍歷迭代器中的元素，直到觸發
StopIteration例外。
範本方法模式
範本方法模式是一種行為設計模式，它定義了一個演算法的骨架，將某些步驟的實作延遲到子類別中。這種模式允許我們在不改變演算法結構的情況下，重新定義某些步驟的行為。
範本方法模式的實作
以下是一個使用範本方法模式的範例，我們將建立一個橫幅產生器，根據不同的樣式產生不同的橫幅：
圖表翻譯：
此圖示展示了範本方法模式的實作流程。我們首先定義一個範本方法，接著實作基本的樣式，然後擴展出特定的樣式，最後生成橫幅。這個流程清晰地說明瞭範本方法模式的結構和擴充套件性。
def generate_banner(msg, style):
print("-- 橫幅開始 --")
print(style(msg))
print("-- 橫幅結束 --\n")
def dots_style(msg):
msg = msg.capitalize()
ten_dots = "." * 10
msg = f"{ten_dots}{msg}{ten_dots}"
return msg
def admire_style(msg):
msg = msg.upper()
return "!".join(msg)
def cow_style(msg):
import cowpy.cow
msg = cowpy.cow.milk_random_cow(msg)
return msg
def main():
styles = (dots_style, admire_style, cow_style)
msg = "快樂程式設計"
for style in styles:
generate_banner(msg, style)
if __name__ == "__main__":
main()
範本方法模式的運作流程
- 我們定義了一個
generate_banner函式作為範本方法，它接受訊息和樣式作為引數。 - 我們實作了多種不同的樣式函式，如
dots_style、admire_style和cow_style。 - 在
main函式中，我們將不同的樣式函式應用於相同的訊息，產生不同的橫幅。
行為設計模式的深入探討
在軟體開發領域中，行為設計模式扮演著至關重要的角色，它們幫助開發者解決複雜的物件互動問題，並提升程式碼的可維護性和擴充套件性。本文將深入探討多種行為設計模式，並結合Python語言的特性，展示如何在實際開發中應用這些模式。
中介者模式（Mediator Pattern）
中介者模式是一種行為設計模式，它透過引入一個中介者物件來管理多個物件之間的互動，從而降低物件之間的耦合度。在中介者模式中，物件之間不再直接進行通訊，而是透過中介者物件來協調彼此的互動。
圖表翻譯：
此圖示展示了中介者模式的基本架構。物件1和物件2透過通知中介者來間接與其他物件進行互動。中介者負責協調物件3和物件4的行為，從而實作物件之間的解耦。
存取者模式（Visitor Pattern）
存取者模式是一種將演算法與其操作的物件分離的設計模式。它允許在不修改物件結構的前提下，新增新的操作或演算法。
class Visitor:
def visit(self, element):
pass
class ConcreteVisitor(Visitor):
def visit(self, element):
print(f"存取者正在存取 {element}")
class Element:
def accept(self, visitor):
visitor.visit(self)
# 使用範例
element = Element()
visitor = ConcreteVisitor()
element.accept(visitor)
內容解密：
此程式碼展示了存取者模式的基本實作。Visitor類別定義了存取者的介面，而ConcreteVisitor類別實作了具體的存取邏輯。Element類別則定義了接受存取者的方法，從而實作了物件與存取者之間的互動。
其他行為設計模式
除了中介者模式和存取者模式之外，設計模式的經典目錄中還包含了其他多種行為設計模式，如責任鏈模式、命令模式、觀察者模式、狀態模式、直譯器模式、策略模式、備忘錄模式和範本方法模式等。這些模式各有其特點和適用場景，能夠有效地解決各種軟體設計問題。
隨著軟體開發技術的不斷進步，新的設計模式和架構模式不斷湧現。未來，我們將繼續探索更多先進的設計模式和技術，以滿足日益複雜的軟體開發需求。同時，我們也將繼續關注Python語言的新特性和最佳實踐，以更好地應用行為設計模式於實際開發中。
行為設計模式的實踐應用
在實際開發中，行為設計模式能夠幫助我們解決多種軟體設計問題。以下是一些實踐應用的範例：
責任鏈模式（Chain of Responsibility Pattern）
責任鏈模式用於簡化複雜的處理流程，使得請求能夠沿著處理鏈進行傳遞，直到找到合適的處理者。
class Handler:
def set_next(self, handler):
self.next_handler = handler
return handler
def handle(self, request):
if hasattr(self, 'next_handler'):
self.next_handler.handle(request)
class ConcreteHandler1(Handler):
def handle(self, request):
if request == "請求1":
print("處理請求1")
else:
super().handle(request)
# 使用範例
handler1 = ConcreteHandler1()
handler2 = ConcreteHandler2()
handler1.set_next(handler2)
handler1.handle("請求1")
內容解密：
此程式碼展示了責任鏈模式的基本實作。Handler類別定義了處理者的基本介面，而ConcreteHandler1和ConcreteHandler2類別實作了具體的處理邏輯。透過設定處理鏈，能夠實作請求的順序處理。
命令模式（Command Pattern）
命令模式將請求封裝為物件，從而能夠支援可復原的操作和請求佇列。
class Command:
def execute(self):
pass
class ConcreteCommand(Command):
def execute(self):
print("執行命令")
class Invoker:
def set_command(self, command):
self.command = command
def execute_command(self):
self.command.execute()
# 使用範例
command = ConcreteCommand()
invoker = Invoker()
invoker.set_command(command)
invoker.execute_command()
內容解密：
此程式碼展示了命令模式的基本實作。Command類別定義了命令的介面，而ConcreteCommand類別實作了具體的命令邏輯。Invoker類別負責執行命令，從而實作了請求的封裝和執行。
架構設計模式
在前一章中，我們探討了行為模式，這些模式有助於物件之間的互聯和演算法。下一類別設計模式是架構設計模式。這些模式提供了一個範本，用於解決常見的架構問題，促進可擴充套件、可維護和可重複使用系統的開發。
本章涵蓋的主題
• Model-View-Controller (MVC) 模式 • 微服務模式 • 無伺服器模式 • 事件溯源模式 • 其他架構設計模式
在本章結束時，您將瞭解如何使用流行的架構設計模式構建強壯且靈活的軟體。
技術需求
參見第1章中提出的技術需求。本章討論的程式碼的額外技術需求如下： • 對於微服務模式部分，請安裝以下內容：
- gRPC，使用以下命令：
python -m pip install grpcio - gRPC-tools，使用以下命令：
python -m pip install grpcio-tools - Lanarky及其依賴項，使用以下命令：
python -m pip install "lanarky[openai]"==0.8.6 uvicorn==0.29.0（注意：在撰寫本文時，這與Python 3.12不相容。您可以改用Python 3.11來重現相關範例。）
• 對於無伺服器模式部分，請安裝以下內容：
- Docker
- LocalStack，用於在本地測試AWS Lambda，使用以下命令：
python -m pip install localstack（注意：在撰寫本文時，這與Python 3.12不相容。您可以改用Python 3.11。） - awscli-local，使用以下命令：
python -m pip install awscli-local - awscli，使用以下命令：
python -m pip install awscli
• 對於事件溯源部分，請安裝以下內容：
- eventsourcing，使用以下命令：
python -m pip install eventsourcing
MVC 模式
MVC 模式是鬆散耦合原則的另一種應用。該模式的名稱來自用於分割軟體應用的三個主要元件：模型、檢視和控制器。
即使我們永遠不必從頭開始實作它，我們也需要熟悉它，因為所有常見的框架都使用MVC或其稍微不同的版本（稍後會詳細介紹）。
模型、檢視和控制器的角色
- 模型 是核心元件，代表知識，包含並管理應用的（業務）邏輯、資料、狀態和規則。
- 檢視 是模型的視覺表示，例如電腦GUI、電腦終端機的文字輸出、智慧型手機應用程式GUI、PDF檔案、圓餅圖、長條圖等。檢視僅顯示資料，不處理資料。
- 控制器 是模型和檢視之間的連結/膠水，所有模型和檢視之間的通訊都透過控制器進行。
MVC 應用流程
- 使用者透過點選按鈕觸發檢視。
- 檢視將使用者的動作通知控制器。
- 控制器處理使用者輸入並與模型互動。
- 模型執行所有必要的驗證和狀態更改，並通知控制器應執行的操作。
- 控制器指示檢視更新並適當地顯示輸出，遵循模型的指示。
@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle
title Python 行為與架構設計模式解析
package "Python 應用架構" {
package "應用層" {
component [主程式] as main
component [模組/套件] as modules
component [設定檔] as config
}
package "框架層" {
component [Web 框架] as web
component [ORM] as orm
component [非同步處理] as async
}
package "資料層" {
database [資料庫] as db
component [快取] as cache
component [檔案系統] as fs
}
}
main --> modules : 匯入模組
main --> config : 載入設定
modules --> web : HTTP 處理
web --> orm : 資料操作
orm --> db : 持久化
web --> cache : 快取查詢
web --> async : 背景任務
async --> fs : 檔案處理
note right of web
Flask / FastAPI / Django
end note
@enduml
圖表翻譯：
此圖示展示了MVC模式下使用者與應用互動的基本流程。流程始於使用者觸發檢視，接著檢視將使用者的動作通知控制器。控制器處理後與模型互動，模型完成必要處理後再通知控制器。最後，控制器根據模型的指示更新檢視，完成了整個互動流程。
MVC 模式的真實範例
MVC 是關注點分離原則的應用。關注點分離在現實生活中被廣泛使用。例如，在建造新房時，您通常會將不同的專業人士分配給不同的任務，如安裝水管和電力系統、以及油漆房屋。
另一個例子是餐廳。服務生接收訂單並將餐點送給顧客，但餐點是由廚師準備的。
在網頁開發中，許多框架使用MVC理念，例如：
- Web2py 框架是一個輕量級的Python框架，採用MVC模式。
- Django 框架雖然使用了不同的命名慣例，但本質上也是MVC模式的變體，被稱為Model-View-Template (MVT)。
MVC 模式的應用場景
MVC 是一個非常通用和有用的設計模式。事實上，所有流行的網頁框架（Django、Rails、Symfony和Yii）和應用程式框架（iPhone SDK、Android和QT）都使用MVC或其變體（如MVA、MVP或MVT）。
即使我們不使用任何這些框架，自己實作該模式也是有意義的，因為它提供了以下好處： • 檢視和模型之間的分離允許圖形設計師專注於使用者介面部分，而程式設計師可以專注於開發，互不幹擾。 • 由於檢視和模型之間的鬆散耦合，每個部分都可以被修改/擴充套件而不影響另一個部分。例如，新增一個新的檢視是微不足道的，只需為其實作一個新的控制器即可。 • 維護每個部分都更容易，因為職責清晰。
在從頭實作MVC時，請確保您建立了聰明的模型、薄的控制器和笨的檢視。
程式碼範例
# MVC模式範例程式碼
class Model:
def __init__(self):
self.data = None
def set_data(self, data):
self.data = data
def get_data(self):
return self.data
class View:
def update(self, data):
print(f"檢視更新：{data}")
class Controller:
def __init__(self, model, view):
self.model = model
self.view = view
def set_data(self, data):
self.model.set_data(data)
self.view.update(self.model.get_data())
# 使用範例
model = Model()
view = View()
controller = Controller(model, view)
controller.set_data("新的資料")
內容解密：
此程式碼展示了一個簡單的MVC模式實作。Model類別負責儲存和管理資料，View類別負責顯示資料，而Controller類別則負責協調Model和View之間的互動。當呼叫Controller的set_data方法時，它會更新Model的資料，並隨後更新View以顯示最新的資料。這種設計實作了模型、檢視和控制器之間的清晰分離，提高了程式碼的可維護性和可擴充套件性。