面向对象设计 — Ran Wei

第七模块：设计模式

工厂方法、单例、观察者、策略——GoF经典模式应用于书店领域，附SysML v2映射。

预备知识: OOD 第六模块Python 3UML 2.5SysML v2

什么是设计模式？

🏠 生活类比

设计模式就像建筑行业的标准解决方案：面对"如何建造楼梯"或"如何设计通风系统"这类反复出现的问题，有经过验证的成熟方案。建筑师不需要每次从零发明，而是选择适合情境的解决方案。

设计模式是针对反复出现设计问题的可复用命名解决方案，由"四人帮"（1994年）整理为三类：

类别	意图	本模块示例
创建型	如何创建对象	工厂方法、单例
结构型	如何组合对象	装饰器
行为型	对象如何交互	观察者、策略

ℹ️ 模式不是复制粘贴

模式是解决一类问题的模板，不是现成代码片段。应用模式需要理解它解决的问题。过度使用模式会增加不必要的复杂性。

工厂方法

问题：创建Book对象的代码与具体类型耦合。添加AudioBook需要找到所有DigitalBook(...)调用点。

解决方案：工厂集中管理创建。调用者依赖Book接口，永不依赖具体类：

Python

class BookFactory:
    @staticmethod
    def create(data: dict) -> Book:
        t = data.get("type","").lower()
        if t == "digital":
            return DigitalBook(
                isbn=data["isbn"], title=data["title"],
                author=data["author"], price=data["price"],
                file_format=data["file_format"],
                file_size=data["file_size"],
                download_url=data["download_url"],
            )
        elif t == "physical":
            return PhysicalBook(
                isbn=data["isbn"], title=data["title"],
                author=data["author"], price=data["price"],
                weight=data["weight"],
                dimensions=data["dimensions"],
                warehouse=data["warehouse"],
            )
        else:
            raise ValueError(f"未知图书类型: {t!r}")

# 调用者使用Book接口——不了解具体类型
books: list[Book] = [BookFactory.create(d) for d in raw_data]
for b in books: print(b.get_details())  # 多态自动处理

diagram — 图1 — BookFactory创建正确的具体类型。Inventory使用单例模式——每次调用`get_instance()`都返回同一实例。

单例

问题：多个Inventory实例导致库存数据不一致。解决方案：确保最多存在一个实例（线程安全）：

Python

import threading

class Inventory:
    _instance = None
    _lock = threading.Lock()

    def __new__(cls):
        with cls._lock:
            if cls._instance is None:
                cls._instance = super().__new__(cls)
                cls._instance._catalogue = {}
                cls._instance._observers = []
        return cls._instance

    def add_book(self, book: Book):
        self._catalogue[book.isbn] = book

    def update_stock(self, isbn: str, delta: int):
        book = self.get_book(isbn)
        book.stock = max(0, book.stock + delta)
        self._notify(isbn, book.stock)

# 两次调用返回相同对象
assert Inventory() is Inventory()  # True

⚠️ 注意

单例使单元测试更困难（测试间共享状态）。在生产代码中优先使用依赖注入；仅在真正需要全局一致性时使用单例。

观察者

问题：多个服务（邮件、仪表盘、补货）需要在库存变化时响应。从Inventory直接调用每个服务造成紧耦合。

解决方案：观察者模式。Inventory通知所有注册的观察者，无需知道它们做什么：

Python

from abc import ABC, abstractmethod

class StockObserver(ABC):
    @abstractmethod
    def on_stock_change(self, isbn: str, new_qty: int) -> None: ...

class EmailAlertService(StockObserver):
    def on_stock_change(self, isbn, new_qty):
        if new_qty == 0:
            print(f"邮件：{isbn}已缺货")
        elif new_qty < 5:
            print(f"邮件：库存预警——{isbn}：剩余{new_qty}本")

class DashboardService(StockObserver):
    def on_stock_change(self, isbn, new_qty):
        print(f"仪表盘：{isbn}库存更新为{new_qty}本")

# 观察者连接
inv = Inventory.get_instance()
inv.subscribe(EmailAlertService())
inv.subscribe(DashboardService())
inv.update_stock("978-1-11", -3)
# 邮件：库存预警——978-1-11：剩余2本
# 仪表盘：978-1-11库存更新为2本

策略

问题：定价逻辑因情境而异（标准、季节性、会员）。在Order中硬编码if/elif链脆弱且违反OCP。

解决方案：策略模式。每种算法是独立的类，可在运行时替换：

Python

class PricingStrategy(ABC):
    @abstractmethod
    def calculate(self, base_price: float) -> float: ...

class StandardPricing(PricingStrategy):
    def calculate(self, base): return base

class SeasonalPricing(PricingStrategy):
    def __init__(self, factor): self._factor = factor
    def calculate(self, base): return round(base * self._factor, 2)

class Order:
    def __init__(self, oid, customer, strategy=None):
        self._strategy = strategy or StandardPricing()

    def total(self):
        raw = sum(i.subtotal() for i in self._items)
        return round(self._strategy.calculate(raw), 2)

    def set_pricing(self, s: PricingStrategy): self._strategy = s

# 运行时策略替换
order = Order("O-001", customer)
print(order.total())                    # £29.99——标准定价
order.set_pricing(SeasonalPricing(0.8))
print(order.total())                    # £23.99——季节性八折

💡 策略 vs 继承

可以通过子类化Order得到DiscountedOrder、MemberOrder等——但每条新定价规则增加一个类。策略保持类数量稳定：一个Order类，多种可互换的策略。这是OCP在算法上的应用。

SysML v2 对应与总结

模式	SysML v2表达
工厂方法	`factory part def`中的`action def create`；返回类型化的`Book`
单例	multiplicity [1]的`part def Inventory`；`<<singleton>>`构造型
观察者	`interface def StockObserver`；Inventory向所有观察者发送流
策略	`interface def PricingStrategy`；Order有`ref strategy : PricingStrategy`

工厂方法

集中管理创建。调用者依赖抽象类型。添加新类型只需修改工厂。

单例

唯一实例。全局一致状态。但：测试隔离更困难。

观察者

事件驱动。Subject不了解观察者。运行时添加/移除。

策略

用可互换算法对象替换if/elif链。算法的OCP应用。

通用原则

模式是命名解决方案，提供团队共同的设计语言。

选择时机

理解问题再用模式。过度使用增加不必要的复杂性。