責任鏈、命令和觀察者模式是軟體設計中常用的三種行為型設計模式，它們分別解決了不同的軟體設計問題。責任鏈模式旨在解耦請求的傳送者和接收者，使系統更具彈性。命令模式則將操作封裝成物件，方便管理和執行。觀察者模式則定義了物件間的一對多依賴關係，當一個物件狀態改變時，所有依賴它的物件都會收到通知。理解並應用這些設計模式，能有效提升程式碼的可維護性、可擴充套件性和可重用性，是軟體工程師的必備技能。
責任鏈模式（The Chain of Responsibility Pattern）深度解析
責任鏈模式是一種行為設計模式，允許將請求沿著處理者鏈傳遞，直到其中一個處理者處理該請求為止。此模式的主要目的是解耦請求的傳送者和接收者，使系統更具彈性和可擴充套件性。
模式結構與實作
在責任鏈模式中，主要包含兩個核心角色：處理者（Handler）和具體處理者（Concrete Handler）。處理者定義了處理請求的介面，而具體處理者則實作了這個介面，並決定是否處理請求或將其傳遞給鏈中的下一個處理者。
程式碼範例
class Event:
def __init__(self, name):
self.name = name
def __str__(self):
return self.name
class Widget:
def __init__(self, parent=None):
self.parent = parent
def handle(self, event):
handler = f"handle_{event.name}"
if hasattr(self, handler):
method = getattr(self, handler)
return method(event)
elif self.parent:
return self.parent.handle(event)
elif hasattr(self, "handle_default"):
return self.handle_default(event)
class MainWindow(Widget):
def handle_close(self, event):
print(f"MainWindow: {event}")
def handle_default(self, event):
print(f"MainWindow Default: {event}")
class SendDialog(Widget):
def handle_paint(self, event):
print(f"SendDialog: {event}")
class MsgText(Widget):
def handle_down(self, event):
print(f"MsgText: {event}")
內容解密：
- 事件類別（Event Class）：定義了一個簡單的事件類別，用於封裝事件名稱。
- 元件類別（Widget Class）：作為所有元件的基礎類別，實作了責任鏈模式的核心邏輯。它首先檢查自身是否能夠處理事件，如果可以，則呼叫相應的方法；否則，將事件傳遞給其父元件處理。
- 具體元件類別（Concrete Widget Classes）：如
MainWindow、SendDialog和MsgText，這些類別繼承自Widget，並實作了特定事件的處理方法。
模式優缺點分析
- 優點：
- 解耦請求傳送者和接收者：請求的傳送者無需知道哪個物件將處理請求。
- 增強了系統的靈活性：可以動態地改變處理者鏈或新增新的處理者。
- 缺點：
- 請求可能未被處理：如果鏈中沒有任何處理者能夠處理請求，則請求可能會被忽略。
- 除錯困難：由於請求的處理過程可能跨越多個物件，因此除錯可能會變得更加困難。
實際應用場景
責任鏈模式在多種場景下非常有用，例如：
- 事件處理系統：在GUI程式設計中，用於處理各種事件，如按鍵、滑鼠點選等。
- 請求處理：在Web伺服器或應用伺服器中，用於處理客戶端請求。
命令模式（The Command Pattern）深度解析
命令模式是一種行為設計模式，它將請求或操作封裝為一個物件，從而允許使用者使用不同的請求、佇列或日誌來引數化其他物件，並支援可復原的操作。
模式結構與實作
命令模式主要包含三個角色：命令（Command）、具體命令（Concrete Command）和呼叫者（Invoker）。
程式碼範例
class Command:
def execute(self):
pass
def undo(self):
pass
class ConcreteCommand(Command):
def __init__(self, receiver):
self.receiver = receiver
def execute(self):
self.receiver.action()
def undo(self):
self.receiver.undo_action()
class Receiver:
def action(self):
print("Receiver: Execute action")
def undo_action(self):
print("Receiver: Undo action")
class Invoker:
def __init__(self):
self.commands = []
def add_command(self, command):
self.commands.append(command)
def execute_commands(self):
for command in self.commands:
command.execute()
def undo_commands(self):
for command in reversed(self.commands):
command.undo()
內容解密：
- 命令介面（Command Interface）：定義了執行和復原操作的介面。
- 具體命令類別（Concrete Command Class）：實作了命令介面，封裝了接收者的操作。
- 接收者類別（Receiver Class）：執行實際操作的主體。
- 呼叫者類別（Invoker Class）：負責管理命令物件，並執行或復原命令。
模式優缺點分析
- 優點：
- 解耦呼叫者和接收者：呼叫者無需知道接收者的任何資訊。
- 支援可復原的操作：透過實作復原方法，可以輕鬆支援復原功能。
- 缺點：
- 增加了系統複雜度：引入了額外的抽象層和物件，可能會增加系統的複雜度。
實際應用場景
命令模式在許多應用中都非常有用，例如：
- 文字編輯器：用於實作復原和重做功能。
- 遠端控制系統：用於封裝遠端控制命令。
透過使用命令模式，可以有效地管理和執行各種操作，並支援複雜的功能，如復原和重做。
命令模式（Command Pattern）在檔案操作中的應用
命令模式是一種行為設計模式，允許將請求或操作封裝成物件，從而實作更靈活的系統設計。在本例中，我們將探討如何使用命令模式來實作基本的檔案操作，包括建立檔案、讀取檔案內容和重新命名檔案。
命令模式的優勢
命令模式提供了多種優勢，包括：
- 可復原操作：透過實作
undo()方法，可以輕鬆地復原已執行的操作。 - 可擴充套件性：可以輕鬆地新增新的命令型別，以支援更多的操作。
- 解耦：命令模式有助於將請求的傳送者和接收者解耦，從而提高系統的靈活性。
實作命令模式
為了實作命令模式，我們定義了三個命令類別：RenameFile、CreateFile 和 ReadFile。每個類別都實作了 execute() 方法，用於執行相應的操作。
RenameFile 類別
class RenameFile:
def __init__(self, src, dest):
self.src = src
self.dest = dest
def execute(self):
logging.info(f"[重新命名 '{self.src}' 為 '{self.dest}']")
os.rename(self.src, self.dest)
def undo(self):
logging.info(f"[重新命名 '{self.dest}' 回 '{self.src}']")
os.rename(self.dest, self.src)
CreateFile 類別
class CreateFile:
def __init__(self, path, txt="hello world\n"):
self.path = path
self.txt = txt
def execute(self):
logging.info(f"[建立檔案 '{self.path}']")
with open(self.path, "w", encoding="utf-8") as out_file:
out_file.write(self.txt)
def undo(self):
logging.info(f"刪除檔案 {self.path}")
os.remove(self.path)
ReadFile 類別
class ReadFile:
def __init__(self, path):
self.path = path
def execute(self):
logging.info(f"[讀取檔案 '{self.path}']")
with open(self.path, "r", encoding="utf-8") as in_file:
print(in_file.read(), end="")
主函式與命令執行
在 main() 函式中，我們建立了一個命令串列，並依序執行每個命令。然後，我們詢問使用者是否要復原已執行的命令。如果使用者選擇復原，我們將依相反順序呼叫每個命令的 undo() 方法。
def main():
orig_name, new_name = "file1", "file2"
commands = (
CreateFile(orig_name),
ReadFile(orig_name),
RenameFile(orig_name, new_name),
)
for c in commands:
c.execute()
answer = input("是否復原已執行的命令？ [y/n] ")
if answer not in "yY":
print(f"結果為 {new_name}")
exit()
for c in reversed(commands):
try:
c.undo()
except AttributeError as e:
logging.error(str(e))
此圖示
graph LR
A[Client] -->|發出請求|> B[Invoker]
B -->|呼叫|> C[Command]
C -->|執行|> D[Receiver]
D -->|完成操作|> E[Result]
C -->|支援復原|> F[Undo]
圖表翻譯： 此圖示描述了命令模式的基本結構。客戶端發出請求給呼叫者（Invoker），呼叫者再呼叫具體的命令（Command）物件。命令物件負責執行相應的操作，並將結果傳回給客戶端。此外，命令物件還支援復原操作。
觀察者（Observer）設計模式詳解
觀察者設計模式是一種行為設計模式，它定義了物件之間的一對多依賴關係，當一個物件（被稱為主體或可觀察者）的狀態發生變化時，所有依賴於它的物件（被稱為觀察者或訂閱者）都會收到通知並自動更新。
觀察者模式的核心概念
觀察者模式的核心思想是將主體與觀察者之間的耦合度降至最低，使得系統更具彈性和可擴充套件性。這種模式在許多現實世界的場景中都有應用，例如拍賣、新聞訂閱、社交媒體以及事件驅動系統等。
現實世界中的觀察者模式範例
-
拍賣場景：在拍賣過程中，每位競標者都持有一個號碼牌，當他們想要出價時，就會舉起號碼牌。拍賣師作為主體，會更新目前的最高出價，並將新的價格通知給所有競標者（觀察者）。
-
軟體應用：
- Kivy框架：Kivy是一個用於開發使用者介面的Python框架，它具有一個名為Properties的模組，該模組實作了觀察者模式。當某個屬性的值發生變化時，可以指定應該執行的操作。
- RabbitMQ函式庫：RabbitMQ是一個訊息代理，它實作了進階訊息佇列協定（AMQP）。可以構建一個Python應用程式，使其訂閱訊息並將訊息釋出到佇列中，這本質上就是觀察者設計模式的應用。
觀察者模式的應用場景
當需要通知或更新一個或多個物件（觀察者/訂閱者）關於某個物件（主體/發布者/可觀察者）的狀態變化時，通常會使用觀察者模式。觀察者的數量以及具體的觀察者物件可以動態變化。
一些典型的應用場景包括：
- 新聞訂閱：透過RSS或Atom等格式訂閱新聞源，當新聞源有更新時，會收到通知。
- 社交網路應用：在社交網路中，當你的連線人更新某個狀態時，你會收到通知。
- 事件驅動系統：在事件驅動系統中，有監聽器監聽特定的事件。當事件發生時，監聽器（觀察者）會被觸發。
實作觀察者模式
以下是一個氣象監測系統的範例，用於演示如何實作觀察者模式：
- 定義觀察者介面：首先，定義一個
Observer介面，該介面包含一個update方法，當主體的狀態發生變化時，會呼叫這個方法來更新觀察者。
class Observer:
def update(self, temperature, humidity, pressure):
pass
- 定義主體類別：接著，定義一個
WeatherStation類別作為主體。它維護了一個觀察者列表，並提供了新增和移除觀察者的方法。當氣象資料發生變化時，它會通知所有註冊的觀察者。
class WeatherStation:
def __init__(self):
self.observers = []
def add_observer(self, observer):
self.observers.append(observer)
def remove_observer(self, observer):
self.observers.remove(observer)
def set_weather_data(self, temperature, humidity, pressure):
for observer in self.observers:
observer.update(temperature, humidity, pressure)
- 定義觀察者類別：然後，定義一個
DisplayDevice類別作為觀察者。它實作了Observer介面，並在update方法中列印氣象資訊。
class DisplayDevice(Observer):
def __init__(self, name):
self.name = name
def update(self, temperature, humidity, pressure):
print(f"{self.name} Display")
print(f" - Temperature: {temperature}°C, Humidity: {humidity}%, Pressure: {pressure}hPa")
程式碼解密：
Observer介面定義：定義了一個基本的update方法，所有具體的觀察者都必須實作這個方法，以接收主體狀態變化的通知。WeatherStation類別實作：作為主體，它管理著觀察者列表，並在氣象資料變化時通知所有註冊的觀察者。這裡使用了迴圈遍歷所有觀察者，並呼叫它們的update方法。DisplayDevice類別實作：作為具體的觀察者，它根據收到的氣象資料更新自己的顯示內容。這裡簡單地將氣象資訊列印出來，代表更新了顯示內容。
