Python面向对象编程中的设计模式介绍

# 章节一：Python面向对象编程简介
- 1.1 面向对象编程基础概念
- 1.2 Python中的面向对象编程特性
- 1.3 面向对象编程的优势
### 章节二：设计模式基础知识

在本章中，我们将介绍设计模式的基础知识，包括设计模式的定义、分类以及重要性。设计模式是面向对象编程中非常重要的概念，对于提高代码的可维护性、可扩展性和复用性都起着至关重要的作用。让我们一起深入了解设计模式的基础知识。

#### 2.1 设计模式的定义
设计模式是针对某一类特定问题的解决方案，它是经过反复使用、验证的、被广泛认可的解决方案模板，可以用来指导面向对象编程中的设计。

#### 2.2 设计模式的分类
设计模式根据其目的和使用方法可以分为创建型模式、结构型模式和行为型模式三种大类。创建型模式用于描述对象的创建机制，结构型模式用于处理类或对象的组合，行为型模式用于描述类或对象之间的交互和职责分配。

#### 2.3 设计模式的重要性
设计模式可以提供一套通用的解决方案模板，帮助开发人员更快地解决问题、降低代码耦合度、提高代码复用性、可维护性和可扩展性。

### 章节三：常用的Python设计模式

#### 3.1 工厂模式
工厂模式是一种创建型设计模式，用于创建对象的过程中避免直接使用构造函数。在Python中，工厂模式可以通过定义一个工厂函数或者工厂类来实现对象的创建。这种模式可以帮助我们在需要根据输入参数来动态创建不同对象的场景下，实现代码的灵活性和可维护性。

# 工厂函数实现工厂模式
class Dog:
    def speak(self):
        return "Woof!"

class Cat:
    def speak(self):
        return "Meow!"

def get_pet(pet="dog"):
    pets = dict(dog=Dog(), cat=Cat())
    return pets[pet]

d = get_pet("dog")
print(d.speak())

c = get_pet("cat")
print(c.speak())

这里，`get_pet` 函数根据输入的参数动态返回不同的类实例，实现了对象的创建过程与客户端代码的解耦。

#### 3.2 单例模式
单例模式是一种创建型设计模式，用于限制某个类只能生成一个实例。在Python中，单例模式可以通过定义一个类变量来保存实例，并通过类方法来控制实例的创建过程。

# 使用装饰器实现单例模式
def singleton(cls):
    instances = {}
    def get_instance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]
    return get_instance

@singleton
class SingletonClass:
    pass

s1 = SingletonClass()
s2 = SingletonClass()

print(s1 is s2)  # True

在这个示例中，`@singleton` 装饰器确保 `SingletonClass` 的实例唯一性，无论实例化多少次，都会返回同一个实例。

#### 3.3 装饰器模式
装饰器模式是一种结构型设计模式，用于在不修改对象结构的情况下动态地给对象添加新的功能。在Python中，装饰器模式可以通过定义装饰器函数来实现，对函数或者类进行功能的动态扩展。

# 使用装饰器给函数添加日志功能
def log_decorator(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print(f"Calling function {func.__name__} with args {args} and kwargs {kwargs}")
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

@log_decorator
def add(a, b):
    return a + b

result = add(3, 5)  # 输出: "Calling function add with args (3, 5) and kwargs {}"
print(result)  # 输出: 8

在这个例子中，`log_decorator` 装饰器函数动态地给 `add` 函数添加了日志功能，同时没有改变 `add` 函数本身的实现。

#### 3.4 观察者模式
观察者模式是一种行为型设计模式，用于定义对象之间的一对多依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都会得到通知并自动更新。在Python中，我们可以使用内置的 `Observer` 和 `Observable` 类来实现观察者模式。

# 使用内置模块实现观察者模式
from abc import ABC, abstractmethod
from typing import List
from weakref import WeakMethod

class Observer(ABC):
    @abstractmethod
    def update(self, data: any):
        pass

class Observable:
    def __init__(self):
        self._observers: List[WeakMethod] = []

    def add_observer(self, obser