设计模式是软件设计中常见问题的可重用解决方案。它们提供了一个模板，用于以一种经过验证、高效和广泛理解的方式解决问题。Python 具有简单性和可读性，是学习和实现设计模式的优秀语言。。

创建式设计模式

创建模式侧重于对象的创建方式，确保代码的灵活性和重用性。让我们来探讨一下这个类别中的几个关键模式。

单例模式

Singleton 模式确保一个类只有一个实例，并提供对该实例的全局访问点。

用例：管理共享资源，如数据库连接或日志记录服务。

实际应用：Python 的内置日志记录模块实现了 Singleton 模式，以确保应用程序的所有部分共享同一个 Logger 实例。

实现：

class Singleton: _instance = None def __new__(cls, *args, **kwargs): if not cls._instance: cls._instance = super().__new__(cls, *args, **kwargs) return cls._instance# Test Singletonsingleton1 = Singleton()singleton2 = Singleton()print(singleton1 is singleton2) # Output: True

常见陷阱：单例可能会在多线程应用程序中引入问题。使用线程安全机制，如线程。锁定以避免争用条件。

Factory Method 模式

Factory Method 模式提供了一个在超类中创建对象的接口，但允许子类更改将要创建的对象的类型。

用例：创建对象而不指定要实例化的确切类。

实际应用：Python 的 tkinter 库使用工厂方法创建按钮和标签等 UI 元素。

实现：

class Shape: def draw(self): raise NotImplementedErrorclass Circle(Shape): def draw(self): return "Drawing a Circle"class Square(Shape): def draw(self): return "Drawing a Square"class ShapeFactory: @staticmethod def get_shape(shape_type): if shape_type == "Circle": return Circle() elif shape_type == "Square": return Square() else: return None# Usageshape = ShapeFactory.get_shape("Circle")print(shape.draw()) # Output: Drawing a Circle结构设计模式

结构模式处理类或对象的组合以形成更大的结构。

适配器模式

Adapter 模式通过在不兼容的接口之间创建桥接来允许它们一起工作。

用例：将第三方库集成到您的应用程序中。

实际应用：调整具有不兼容 API 的库以使用现有代码库。

实现：

class EuropeanPlug: def connect(self): return "Connected with European plug"class Adapter: def __init__(self, european_plug): self.european_plug = european_plug def connect(self): return self.european_plug.connect() + " using an adapter"# Usageeuropean_plug = EuropeanPlug()adapter = Adapter(european_plug)print(adapter.connect()) # Output: Connected with European plug using an adapter装饰器图案

Decorator 模式动态地向对象添加行为或职责，而无需修改其结构。

用例：向函数或方法添加其他功能。

实际应用：Python 的 functools 模块支持像 @lru_cache 这样的装饰器来缓存函数结果。

实现：

from functools import wrapsdef bold(func): @wraps(func) def wrapper(*args, **kwargs): return f"{func(*args, **kwargs)}" return wrapper@bolddef greet(): return "Hello, World!"print(greet()) # Output: Hello, World!

常见陷阱：忘记使用 functools.wraps 可能会导致元数据丢失，例如原始函数名称和文档字符串。

行为设计模式

行为模式侧重于对象之间的通信。

观察者模式

Observer 模式定义了一对多的依赖关系，这样当一个对象更改状态时，其所有依赖关系都会得到通知。

用例：实现事件系统或发布-订阅模型。

实际应用：GUI 框架通常使用 Observer 模式来管理 UI 事件处理。

实现：

class Observer: def update(self, message): raise NotImplementedErrorclass Subscriber(Observer): def update(self, message): print(f"Received: {message}")class Publisher: def __init__(self): self.subscribers = [] def subscribe(self, observer): self.subscribers.append(observer) def unsubscribe(self, observer): self.subscribers.remove(observer) def notify(self, message): for subscriber in self.subscribers: subscriber.update(message)# Usagepublisher = Publisher()subscriber1 = Subscriber()subscriber2 = Subscriber()publisher.subscribe(subscriber1)publisher.subscribe(subscriber2)publisher.notify("New event available!") # Output: Received: New event available!策略模式

Strategy 模式允许通过将不同的算法封装为单独的类，在运行时选择类的行为。

用例：动态更改对象的行为。

实际应用：机器学习模型通常使用此模式根据输入数据应用不同的预处理策略。

实现：

class Strategy: def execute(self, data): raise NotImplementedErrorclass ConcreteStrategyA(Strategy): def execute(self, data): return sorted(data)class ConcreteStrategyB(Strategy): def execute(self, data): return sorted(data, reverse=True)class Context: def __init__(self, strategy): self.strategy = strategy def set_strategy(self, strategy): self.strategy = strategy def execute_strategy(self, data): return self.strategy.execute(data)# Usagedata = [5, 3, 1, 4, 2]context = Context(ConcreteStrategyA())print(context.execute_strategy(data)) # Output: [1, 2, 3, 4, 5]context.set_strategy(ConcreteStrategyB())print(context.execute_strategy(data)) # Output: [5, 4, 3, 2, 1]常见陷阱和何时不使用模式过度复杂化：将模式应用于简单问题可能会使代码变得不必要地复杂。过早优化：仅当模式解决应用程序中实际的、反复出现的问题时，才使用模式。更广泛的背景SOLID 原则：许多设计模式与 SOLID 原则一致，例如开/闭原则（例如，策略模式）。架构模式：设计模式通常是 MVC 或微服务等大型架构的构建块。