人人都懂设计模式:从生活中领悟设计模式:Python实现

　　前言
　　三年前，CSDN推出了一个产品——ink，旨在提供一个高质量写作环境。那时，我想写一系列关于设计模式的文章，于是就在ink里开始写作，陆陆续续写了三篇文章，后来不知道什么原因这个产品下架了，我的三篇文章也没了，这事也就一直被我搁置下来。直到2017年，知识付费盛行，各类付费的社区、产品如雨后春笋般崛起，而技术类的付费阅读产品更是大行其道（GitChat便是其中一种）。在GitChat的盛情邀请之下，我写作设计模式这一系列文章的想法又重新被点燃。2017年年底，我开始在GitChat上写“从生活中领悟设计模式（Python）”课程。2018年，我对这一课程进行了一次升级。
　　随着这一课程被越来越多的读者熟知，不少出版社编辑找到我，他们觉得这一课程的内容非常有特色，希望能把它重新整理，仔细打磨，出版成书，于是便有了本书。
　　本书的特色
　　设计模式作为面向对象程序的设计思想和方法论，本身是非常抽象和难以理解的，需要有一定的代码量和编程经验才能更深入地理解。如果能用一种有趣的方式来讲解设计模式，将会使这些枯燥乏味的概念变得更易于理解！
　　本书每一章以一个轻松有趣的小故事开始，然后用代码来模拟故事剧情，再从模拟代码中逐步提炼出设计模式的模型和原理，最后配合一个具体的应用案例，告诉你每一种模式的使用方法和应用场景。以由浅入深的方式带你了解每一种模式，思考每一种模式，总结每一种模式。
　　本书力求用更通俗的语言阐述难懂的概念，用更简单的语法实现复杂的逻辑，用更短小的代码写出强悍的程序！希望能带给读者一种全新的阅读体验和思考方式。
　　内容概述
　　本书分为3篇：
　　“基础篇”讲解了23种经典设计模式，其中19 种常用设计模式分别用单独的章节讲解，其余设计模式作为一个合集放在一章中讲解；
　　“进阶篇”讲解了由基础设计模式衍生出的各种编程机制，包括过滤器模式、对象池技术、回调机制和MVC模式，它们在各大编程语言中都非常重要而且常见；
　　“经验篇”结合工作经验和项目积累，分享了对设计模式、设计原则、项目重构的理解和看法。
　　读者对象
　　一线互联网软件开发者
　　如果你想提升面向对象的思维方式，提高自己的软件设计能力，本书会对你非常有帮助。本书每一章会抽象和总结出对应设计模式的模型和原理，并结合具体的应用案例告诉你该模式的应用场景、特点和注意事项。
　　IT职场新人
　　如果你是IT新人，想通过学习设计模式来提升自己的技术能力和代码理解能力，本书将非常适合你。本书每一章以一个轻松有趣的小故事开始，由浅入深地讲述一个模式，让你轻松愉悦地学会每一种模式。
　　对设计模式和编程思想感兴趣的人士
　　设计模式能让你的代码具有更高的可重用性、更好的灵活性和可拓展性，更易被人阅读和理解，因此学习设计模式是每一个程序员编程生涯中必不可少的一个环节。
　　为什么叫设计模式
　　什么是设计模式
　　设计模式最初是由GoF于1995年提出的。GoF全称是Gang of Four（四人帮），即Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson和John Vlissides。他们四人于1995年出版了一本书Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software（翻译成中文是《设计模式：可复用面向对象软件的基础》），第一次将设计模式提升到理论高度，并将之规范化，该书提出了23种经典的设计模式。
　　设计模式是一套被反复使用、多数人知晓、无数工程师实践的代码设计经验的总结，它是面向对象思想的高度提炼和模板化。使用设计模式是为了让代码具有更高的可重用性、更好的灵活性和可拓展性，更易被人阅读和理解。
　　设计模式与生活有什么联系
　　我一直坚信：程序源于生活，又高于生活！程序的灵魂在于思维的方式，而思维的灵感来源于精彩的生活。互联网是一个虚拟的世界，而程序本身就是对生活场景的虚拟和抽象，每一种模式我都能在生活中找到它的影子。比如，说到状态模式，我能想到水有固、液、气三种状态，而人也有少、壮、老三个阶段；提起中介模式，我能立刻想到房产中介；看到装饰模式，我能联想到人的穿衣搭配……
　　设计模式是面向对象的高度抽象和总结，而越抽象的东西越难以理解。本书的写作目的就是降低设计模式的阅读门槛，以生活中的小故事开始，用风趣的方式，由浅入深地讲述每一种模式。让你再次看到设计模式时，不觉得它只是一种模式，还是生活中的一个“小确幸”！程序不是冷冰冰的代码，它还有生活的乐趣和特殊意义。
　　为什么要学设计模式
　　设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验总结出来的。所以不管你是新手还是老手，学习设计模式对你都有莫大的帮助。
　　学习设计模式的理由有很多，这里只列出几个最现实的：
　　（1）摆脱面试的窘境，不管你是前端工程师还是后端工程师，或是全端工程师，设计模式都是不少面试官必问的。
　　（2）让你的程序设计能力有一个质的提升，不再写一堆结构复杂、难以维护的烂代码。
　　（3）使你对面向对象的思想有一个更高层次的理解。
　　如何进行学习
　　熟悉一门面向对象语言
　　首先，你至少要熟悉一门面向对象的计算机语言。如果没有，请根据自己的兴趣、爱好或希望从事的工作，先选择一门面向对象语言（C++、Java、Go等都可以）进行学习和实战，对抽象、继承、多态、封装有一定的基础之后，再来阅读本书。
　　了解Python的基本语法
　　对Python的基本语法有一个简单了解。Python的语法非常简单，只要你有一定的（其他）编程语言基础，通过“第0章 启程之前，请不要错过我”的学习就能很快地理解Python的语法。
　　学会阅读UML图
　　UML（Unified Modeling Language）称为统一建模语言或标准建模语言，是面向对象软件的标准化建模语言。UML类图表示不同的实体（人、事物和数据）如何彼此相关，换句话说，它显示了系统的静态结构。想进一步了解类图中的各种关系，可参考阅读“第0章 启程之前，请不要错过我”的“0.2　UML精简概述”部分。
　　阅读本书
　　通过阅读本书内容，可以轻松愉快地学习设计模式和编程思想。本书“基础篇”“进阶篇”“经验篇”的内容是逐步进阶和提升的，但每一篇内的不同章之间是没有阅读的先后顺序的（第0章和有特殊说明的除外），每一章都单独成文，可从任意一章开始阅读。例如，对于基础篇的23种设计模式，你可以从中任意挑选一章开始阅读。
　　为什么选择Python
　　虽然设计模式与编程语言没有关系，它是对面向对象思想的灵活应用和高度概括，你可以用任何一种语言来实现它，但总归是需要用一种语言进行举例的。本书的所有示例代码均使用Python编写（有特殊说明的除外），选择Python主要基于以下两个原因。
　　弥补市场空缺
　　设计模式于1995由GoF提出，被广泛应用于热门的面向对象语言。目前用Java、C++描述的设计模式的书籍和资料已经非常多了，但用Python来描述的真是太少了；我在当当网上搜索“Python设计模式”，只有零星的几本书。而对于编程语言中排名前三的Python语言，这明显是不够的。Python已经越来越成熟，也越来越多地被使用，作为一个有技术追求的IT人，有必要了解一下基于Python代码的设计模式。
　　大势所趋，Python已然成风
　　C语言诞生于1972年，却随着UNIX的诞生才深深根植于各大操作系统；C++诞生于1983年，却因微软的可视化桌面操作系统才得以广泛传播；Java诞生于1995年，却因互联网的迅速崛起才变得家喻户晓；Python诞生于1991年，而下一场技术革命已然开始，AI时代已然到来，在AI领域中已经被广泛使用的Python必将成为下一个时代的第一开发语言！
　　最热门的AI开源框架PyTorch和TensorFlow都已经采用了Python作为接口和开发语言。除此之外，还有一堆AI相关的框架库，也都纷纷采用了Python，如SKlearn、PyML等。一门如此有前途的语言，我们必然是要去学习和使用的。
　　勘误和支持
　　由于本人水平和经验有限，书中难免会有一些错误或理解不准确的地方，恳请广大读者批评指正。
　　如果你在阅读过程中发现错误，或有更好的建议，欢迎发邮件给我（E-mail：luoweifu@ 126.com，永久有效）。
　　最新的勘误内容可通过以下方式查看：关注公众号“SunLogging”，在菜单栏中选择“我的书箱”→“最新勘误”。
　　致谢
　　从在GitChat上写课程，到与出版社合作，写完本书的书稿，大概经历了一年半的时间，经过无数次与编辑的反复校对。写作是一件非常考验人耐心和细心的事，为了让读者更易理解，有些章节我进行了反复的推敲和修改。比如，为了讲清楚单例模式的每一种实现方式的原理，硬是增加了两个附录，阅读了十几篇文章，并做了验证性的实验，整整花了三周时间才写完。
　　感谢每一位在本书写作过程中给予帮助的人，是你们的鼓励和支持，才让本书能顺利完成。在此，要特别感谢电子出版社的首席策划编辑董英，在写书过中给予的诸多建议；也感谢GitChat的编辑马翠翠，在写线上课程“从生活中领悟设计模式（Python）”时给予的很多帮助；还要感谢Sophia“小朋友”，在封面设计过程中提出的非常细致的改进意见！最后，我也要感谢我的朋友和同事对我写书的鼓励和支持。
　　还要感谢Sophia“小朋友”，在封面设计过程中提出的非常细致的改进意见！

罗伟富（Spencer.Luo），CSDN 博客专家，某知名在线教育公司技术专家。3年 SDK 开发，2年客户端开发，现从事后端基础技术研究，从底层到应用层，从前端到后端积累了丰富的开发经验，熟悉 C++、Java、Python、PHP 等多种不同开发语言。热爱生活、喜欢技术、善于用生活的场景解读难懂的技术！

★基　础　篇

第0章　启程之前，请不要错过我 2
0．1　Python精简入门 2
0．1．1　Python的特点 2
0．1．2　基本语法 3
0．1．3　一个例子让你顿悟 7
0．1．4　重要说明 11
0．2　UML精简概述 11
0．2．1　UML的定义 11
0．2．2　常见的关系 12
第1章　监听模式 16
1．1　从生活中领悟监听模式 16
1．1．1　故事剧情―幻想中的智能热水器 16
1．1．2　用程序来模拟生活 17
1．2　从剧情中思考监听模式 19
1．2．1　什么是监听模式 19
1．2．2　监听模式设计思想 19
1．3　监听模式的模型抽象 19
1．3．1　代码框架 19
1．3．2　类图 20
1．3．3　基于框架的实现 21
1．3．4　模型说明 22
1．4　实战应用 23
1．5　应用场景 26
第2章　状态模式 28
2．1　从生活中领悟状态模式 28
2．1．1　故事剧情―人有少、壮、老，水之固、液、气 28
2．1．2　用程序来模拟生活 29
2．2　从剧情中思考状态模式 32
2．2．1　什么是状态模式 32
2．2．2　状态模式设计思想 33
2．3　状态模式的模型抽象 33
2．3．1　代码框架 33
2．3．2　类图 35
2．3．3　基于框架的实现 36
2．3．4　模型说明 38
2．4　应用场景 39
第3章　中介模式 40
3．1　从生活中领悟中介模式 40
3．1．1　故事剧情―找房子问中介 40
3．1．2　用程序来模拟生活 41
3．2　从剧情中思考中介模式 46
3．2．1　什么是中介模式 46
3．2．2　中介模式设计思想 46
3．3　中介模式的模型抽象 48
3．3．1　代码框架 48
3．3．2　类图 49
3．3．3　模型说明 50
3．4　实战应用 51
3．5　应用场景 56
第4章　装饰模式 57
4．1　从生活中领悟装饰模式 57
4．1．1　故事剧情―你想怎么搭就怎么搭 57
4．1．2　用程序来模拟生活 58
4．2　从剧情中思考装饰模式 62
4．2．1　什么是装饰模式 62
4．2．2　装饰模式设计思想 63
4．3　装饰模式的模型抽象 64
4．3．1　类图 64
4．3．2　Python中的装饰器 64
4．3．3　模型说明 69
4．4　应用场景 70
第5章　单例模式 71
5．1　从生活中领悟单例模式 71
5．1．1　故事剧情―你是我的唯一 71
5．1．2　用程序来模拟生活 72
5．2　从剧情中思考单例模式 73
5．2．1　什么是单例模式 73
5．2．2　单例模式设计思想 73
5．3　单例模式的模型抽象 73
5．3．1　代码框架 73
5．3．2　类图 78
5．3．3　基于框架的实现 78
5．4　应用场景 79
第６章　克隆模式 80
6．1　从生活中领悟克隆模式 80
6．1．1　故事剧情―给你一个分身术 80
6．1．2　用程序来模拟生活 80
6．2　从剧情中思考克隆模式 82
6．2．1　什么是克隆模式 82
6．2．2　浅拷贝与深拷贝 82
6．3　克隆模式的模型抽象 86
6．3．1　代码框架 86
6．3．2　类图 86
6．3．3　基于框架的实现 87
6．3．4　模型说明 87
6．4　实战应用 88
6．5　应用场景 90
第７章　职责模式 91
7．1　从生活中领悟职责模式 91
7．1．1　故事剧情―我的假条去哪儿了 91
7．1．2　用程序来模拟生活 92
7．2　从剧情中思考职责模式 96
7．2．1　什么是职责模式 96
7．2．2　职责模式设计思想 96
7．3　职责模式的模型抽象 97
7．3．1　代码框架 97
7．3．2　类图 98
7．3．3　基于框架的实现 99
7．3．4　模型说明 102
7．4　应用场景 103
第8章　代理模式 104
8．1　从生活中领悟代理模式 104
8．1．1　故事剧情―帮我拿一下快递 104
8．1．2　用程序来模拟生活 105
8．2　从剧情中思考代理模式 107
8．2．1　什么是代理模式 107
8．2．2　代理模式设计思想 107
8．3　代理模式的模型抽象 107
8．3．1　代码框架 107
8．3．2　类图 109
8．3．3　基于框架的实现 110
8．3．4　模型说明 111
8．4　应用场景 111
第9章　外观模式 113
9．1　从生活中领悟外观模式 113
9．1．1　故事剧情―学妹别慌，学长帮你 113
9．1．2　用程序来模拟生活 114
9．2　从剧情中思考外观模式 116
9．2．1　什么是外观模式 116
9．2．2　外观模式设计思想 116
9．3　外观模式的模型抽象 117
9．3．1　类图 117
9．3．2　软件的分层结构 117
9．3．3　模型说明 119
9．4　实战应用 119
9．5　应用场景 123
第10章　迭代模式 124
10．1　从生活中领悟迭代模式 124
10．1．1　故事剧情―下一个就是你了 124
10．1．2　用程序来模拟生活 125
10．2　从剧情中思考迭代模式 128
10．2．1　什么是迭代模式 128
10．2．2　迭代模式设计思想 129
10．3　迭代模式的模型抽象 130
10．3．1　代码框架 130
10．3．2　Python中的迭代器 132
10．3．3　类图 136
10．3．4　模型说明 137
10．4　应用场景 138
第11章　组合模式 139
11．1　从生活中领悟组合模式 139
11．1．1　故事剧情―自己组装电脑，价格再降三成 139
11．1．2　用程序来模拟生活 140
11．2　从剧情中思考组合模式 146
11．2．1　什么是组合模式 146
11．2．2　组合模式设计思想 147
11．3　组合模式的模型抽象 148
11．3．1　代码框架 148
11．3．2　类图 149
11．3．3　模型说明 150
11．4　实战应用 150
11．5　应用场景 153
第12章　构建模式 154
12．1　从生活中领悟构建模式 154
12．1．1　故事剧情―你想要一辆车还是一个庄园 154
12．1．2　用程序来模拟生活 155
12．2　从剧情中思考构建模式 157
12．2．1　什么是构建模式 157
12．2．2　构建模式设计思想 157
12．2．3　与工厂模式的区别 158
12．2．4　与组合模式的区别 158
12．3　构建模式的模型抽象 159
12．3．1　类图 159
12．3．2　基于框架的实现 160
12．3．3　模型说明 163
12．4　应用场景 164
第13章　适配模式 166
13．1　从生活中领悟适配模式 166
13．1．1　故事剧情――有个转换器就好了 166
13．1．2　用程序来模拟生活 167
13．2　从剧情中思考适配模式 170
13．2．1　什么是适配模式 170
13．2．2　适配模式设计思想 170
13．3　适配模式的模型抽象 172
13．3．1　代码框架 172
13．3．2　类图 172
13．3．3　模型说明 173
13．4　实战应用 174
13．5　应用场景 184
第14章　策略模式 185
14．1　从生活中领悟策略模式 185
14．1．1　故事剧情―怎么来不重要，人到就行 185
14．1．2　用程序来模拟生活 186
14．2　从剧情中思考策略模式 188
14．2．1　什么是策略模式 188
14．2．2　策略模式设计思想 188
14．3　策略模式的模型抽象 189
14．3．1　类图 189
14．3．2　模型说明 190
14．4　实战应用 190
14．5　应用场景 195
第15章　工厂模式 196
15．1　从生活中领悟工厂模式 196
15．1．1　故事剧情―你要拿铁还是摩卡呢 196
15．1．2　用程序来模拟生活 197
15．2　从剧情中思考工厂模式 199
15．2．1　什么是简单工厂模式 199
15．2．2　工厂模式设计思想 199
15．3　工厂三姐妹 199
15．3．1　简单工厂模式 200
15．3．2　工厂方法模式 201
15．3．3　抽象工厂模式 203
15．4　进一步思考 205
15．5　实战应用 205
第16章　命令模式 209
16．1　从生活中领悟命令模式 209
16．1．1　故事剧情―大闸蟹，走起 209
16．1．2　用程序来模拟生活 210
16．2　从剧情中思考命令模式 213
16．2．1　什么是命令模式 213
16．2．2　命令模式设计思想 213
16．3　命令模式的模型抽象 214
16．3．1　代码框架 214
16．3．2　类图 215
16．3．3　模型说明 216
16．4　实战应用 216
16．5　应用场景 224
第17章　备忘模式 225
17．1　从生活中领悟备忘模式 225
17．1．1　故事剧情―好记性不如烂笔头 225
17．1．2　用程序来模拟生活 226
17．2　从剧情中思考备忘模式 228
17．2．1　什么是备忘模式 228
17．2．2　备忘模式设计思想 229
17．3　备忘模式的模型抽象 229
17．3．1　类图 229
17．3．2　代码框架 230
17．3．3　模型说明 232
17．4　实战应用 232
17．5　应用场景 235
第18章　享元模式 236
18．1　从生活中领悟享元模式 236
18．1．1　故事剧情―颜料很贵，必须充分利用 236
18．1．2　用程序来模拟生活 237
18．2　从剧情中思考享元模式 239
18．2．1　什么是享元模式 239
18．2．2　享元模式设计思想 239
18．3　享元模式的模型抽象 239
18．3．1　类图 239
18．3．2　基于框架的实现 240
18．3．3　模型说明 242
18．4　应用场景 243
第19章　访问模式 244
19．1　从生活中领悟访问模式 244
19．1．1　故事剧情―一千个读者一千个哈姆雷特 244
19．1．2　用程序来模拟生活 245
19．2　从剧情中思考访问模式 246
19．2．1　什么是访问模式 246
19．2．2　访问模式设计思想 247
19．3　访问模式的模型抽象 247
19．3．1　代码框架 247
19．3．2　类图 248
19．3．3　基于框架的实现 249
19．3．4　模型说明 250
19．4　实战应用 251
19．5　应用场景 255
第20章　其他经典设计模式 256
20．1　模板模式 256
20．1．1　模式定义 256
20．1．2　类图结构 257
20．1．3　代码框架 257
20．1．4　应用案例 259
20．1．5　应用场景 261
20．2　桥接模式 261
20．2．1　模式定义 261
20．2．2　类图结构 261
20．2．3　应用案例 262
20．2．4　应用场景 266
20．3　解释模式 266
20．3．1　模式定义 266
20．3．2　类图结构 266
20．3．3　应用案例 267
20．3．4　应用场景 271

★进　阶　篇

第21章　深入解读过滤器模式 274
21．1　从生活中领悟过滤器模式 274
21．1．1　故事剧情