python实践设计模式（二）Builder,Singleton,Prototype
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：
:::::: cnblogs_code
{#code_img_opened_82122d6c-cc07-4bc3-9568-870a4276354a
.code_img_opened}
::::: {#cnblogs_code_open_82122d6c-cc07-4bc3-9568-870a4276354a .cnblogs_code_hide}
::: cnblogs_code_toolbar
[
]{.cnblogs_code_copy}
:::
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()
::: cnblogs_code_toolbar
[]{.cnblogs_code_copy}
:::
:::::
::::::
** 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
:::::: cnblogs_code
{#code_img_opened_5e2705fd-637e-457f-871d-9bb4fb2e1cbc
.code_img_opened}
::::: {#cnblogs_code_open_5e2705fd-637e-457f-871d-9bb4fb2e1cbc .cnblogs_code_hide}
::: cnblogs_code_toolbar
[]{.cnblogs_code_copy}
:::
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()
::: cnblogs_code_toolbar
[]{.cnblogs_code_copy}
:::
:::::
::::::
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：
:::::: cnblogs_code
{#code_img_opened_1b09f181-214e-400f-a3b9-13b1ee3a51d3
.code_img_opened}
::::: {#cnblogs_code_open_1b09f181-214e-400f-a3b9-13b1ee3a51d3 .cnblogs_code_hide}
::: cnblogs_code_toolbar
[]{.cnblogs_code_copy}
:::
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)
::: cnblogs_code_toolbar
[]{.cnblogs_code_copy}
:::
:::::
::::::
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：
:::::: cnblogs_code
{#code_img_opened_5dbe4a36-7355-41bc-9ec5-dca9a641b0f2
.code_img_opened}
::::: {#cnblogs_code_open_5dbe4a36-7355-41bc-9ec5-dca9a641b0f2 .cnblogs_code_hide}
::: cnblogs_code_toolbar
[]{.cnblogs_code_copy}
:::
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)
::: cnblogs_code_toolbar
[]{.cnblogs_code_copy}
:::
:::::
::::::
** 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
:::::: cnblogs_code
{#code_img_opened_eb73461b-bef7-4f52-9ac6-17462b2dd264
.code_img_opened}
::::: {#cnblogs_code_open_eb73461b-bef7-4f52-9ac6-17462b2dd264 .cnblogs_code_hide}
::: cnblogs_code_toolbar
[]{.cnblogs_code_copy}
:::
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();
::: cnblogs_code_toolbar
[]{.cnblogs_code_copy}
:::
:::::
::::::
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
湘公网安备 43010302000398号