Day 67：【99天精通Python】设计模式 (Design Patterns) 上篇 - 单例与工厂

Day 67：【99天精通Python】设计模式 (Design Patterns) 上篇 - 单例与工厂

前言

欢迎来到第67天！

写代码就像盖房子。初学者只要能把砖头砌起来，房子不塌就行。但资深工程师追求的是结构优雅、易于维护、可扩展。

设计模式 (Design Patterns)就是前人总结出来的"建筑图纸"。遇到什么问题，套用什么模式，往往能事半功倍。

本节内容：

• 设计模式的三大分类
• 单例模式 (Singleton)：确保一个类只有一个实例
• 工厂模式 (Factory)：批量生产对象的工厂
• Pythonic 的实现方式

一、设计模式分类

通常分为三类：

1. 创建型 (Creational)：关注对象的创建过程（如：单例、工厂、建造者）。
2. 结构型 (Structural)：关注类和对象的组合（如：适配器、装饰器、代理）。
3. 行为型 (Behavioral)：关注对象之间的通信（如：观察者、策略、责任链）。

今天我们先攻克最常用的两个创建型模式。

二、单例模式 (Singleton)

场景：

• 一个系统只能有一个数据库连接池。
• 全局的配置管理器 (Config Manager) 只能有一份。
• 也就是：无论你调用多少次类，它返回的永远是同一个实例。

2.1 传统实现：使用__new__

__new__是 Python 中真正负责创建对象的方法（比__init__更早执行）。

classSingleton:_instance=None# 用于存储唯一实例def__new__(cls,*args,**kwargs):ifnotcls._instance:print("创建新的实例...")# 调用父类的 __new__ 创建实例cls._instance=super().__new__(cls)returncls._instancedef__init__(self,name):self.name=name# 测试s1=Singleton("配置A")s2=Singleton("配置B")print(s1iss2)# True (它们是同一个对象)print(s1.name)# 配置B (s2 初始化时覆盖了 s1 的属性)print(s2.name)# 配置B

2.2 Pythonic 实现：使用装饰器

写一个装饰器，把类包起来，让它变成单例。

defsingleton(cls):instances={}defwrapper(*args,**kwargs):ifclsnotininstances:instances[cls]=cls(*args,**kwargs)returninstances[cls]returnwrapper@singletonclassDatabase:def__init__(self):print("连接数据库...")db1=Database()db2=Database()# 不会再次打印 "连接数据库..."print(db1isdb2)# True

2.3 最简单的实现：模块 (Module)

其实，Python 的模块本身就是单例。
因为 Python 导入模块时会缓存，第二次导入直接从缓存拿。

# config.pyclassConfig:passsettings=Config()# main.py# from config import settings# 无论在哪里导入 settings，它都是同一个对象。

三、工厂模式 (Factory)

场景：

• 你去买车，你不需要知道车是怎么造出来的，你只要告诉工厂"我要一辆特斯拉"，工厂就给你一辆车。
• 解耦：将对象的创建和使用分离。

3.1 简单工厂 (Simple Factory)

一个工厂类，根据参数决定生产什么产品。

classDog:defspeak(self):return"汪汪"classCat:defspeak(self):return"喵喵"classAnimalFactory:@staticmethoddefcreate_animal(animal_type):ifanimal_type=="dog":returnDog()elifanimal_type=="cat":returnCat()else:raiseValueError("未知动物类型")# 使用pet1=AnimalFactory.create_animal("dog")print(pet1.speak())

缺点：如果新增一种动物（如 Pig），必须修改create_animal的源代码（违反开闭原则）。

3.2 工厂方法 (Factory Method)

定义一个创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。

# 抽象工厂基类classFactory:defcreate(self):raiseNotImplementedError# 具体工厂classDogFactory(Factory):defcreate(self):returnDog()classCatFactory(Factory):defcreate(self):returnCat()# 使用dog_factory=DogFactory()pet=dog_factory.create()print(pet.speak())

3.3 注册工厂 (Python 动态特性)

利用 Python 的字典，我们可以实现一个无需修改代码就能扩展的工厂。

classPaymentFactory:_creators={}@classmethoddefregister(cls,type_name,creator_cls):cls._creators[type_name]=creator_cls@classmethoddefget_payment(cls,type_name):creator=cls._creators.get(type_name)ifnotcreator:raiseValueError(f"不支持的支付方式:{type_name}")returncreator()classAliPay:defpay(self):print("支付宝支付")classWeChatPay:defpay(self):print("微信支付")# 注册PaymentFactory.register("alipay",AliPay)PaymentFactory.register("wechat",WeChatPay)# 使用p=PaymentFactory.get_payment("alipay")p.pay()

四、实战练习：日志记录器工厂

结合单例和工厂模式，设计一个日志系统。

1. LoggerManager是单例。
2. 提供get_logger(type)方法，根据类型返回FileLogger或ConsoleLogger。

classConsoleLogger:deflog(self,msg):print(f"[Console]{msg}")classFileLogger:deflog(self,msg):print(f"[File] 写入:{msg}")# 单例装饰器defsingleton(cls):instances={}defwrapper(*args,**kwargs):ifclsnotininstances:instances[cls]=cls(*args,**kwargs)returninstances[cls]returnwrapper@singletonclassLoggerManager:defget_logger(self,log_type):iflog_type=="file":returnFileLogger()else:returnConsoleLogger()# 测试m1=LoggerManager()m2=LoggerManager()print(f"管理器单例检查:{m1ism2}")# Truelog=m1.get_logger("file")log.log("系统启动")

五、小结

关键要点：

1. 单例模式：保证全局唯一。Python 中直接用模块导入是最简单的单例。
2. 工厂模式：封装创建逻辑。如果逻辑简单，不要过度设计，直接用函数返回对象即可。
3. 设计模式的初衷是解耦，但不要为了模式而模式（Over-engineering）。

六、课后作业

1. 数据库连接池：模拟实现一个ConnectionPool类，使用单例模式，保证全局只有一个池子。池子里最多有 5 个连接。
2. 格式转换工厂：编写一个工厂，根据输入文件的后缀名（.json, .xml, .csv），返回对应的解析器对象（JsonParser,XmlParser…）。
3. 思考题：在 Day 19 学过的装饰器模式，属于哪一类设计模式？它的作用是什么？

下节预告

Day 68：设计模式 (Design Patterns) 下篇 - 观察者与策略- 如果说创建型模式是造房子，那行为型模式就是房子里的电路系统。明天我们学习如何让对象之间优雅地通信。

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