设计模式

一句话定位

设计模式 = 前人踩坑总结出的「可复用设计套路」，让代码在面对变化时不至于推倒重来。

知识体系

flowchart TD
    A["23 种设计模式"] --> B["创建型 5 种"]
    A --> C["结构型 7 种"]
    A --> D["行为型 11 种"]

    B --> B1["单例 / 工厂方法 / 抽象工厂 / 建造者 / 原型"]
    C --> C1["适配器 / 桥接 / 组合 / 装饰 / 外观 / 享元 / 代理"]
    D --> D1["责任链 / 命令 / 解释器 / 迭代器 / 中介者"]
    D --> D2["备忘录 / 观察者 / 状态 / 策略 / 模板方法 / 访问者"]

在 Python 中，设计模式通常被分为三大类（创建型、结构型、行为型），共有 23 种经典模式。由于 Python 具备强大的动态特性（如函数作为一等公民、动态类型、元编程、new、鸭子类型等），许多在 Java 或 C++ 中需要复杂结构的设计模式，在 Python 中可以实现得非常优雅、简练。以下是 Python 实现的全部 23 种经典设计模式的完整指南，划分为三大模块，每个模式都包含核心定义与最精简的 Python 骨架代码。

一、创建型模式 (Creational Patterns) - 5种

核心目的：优雅地创建对象，将对象的创建与使用解耦。

1. 单例模式 (Singleton)

定义：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
Python 实现：利用类属性或 new 方法。

class Singleton:
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance
s1 = Singleton()s2 = Singleton()assert s1 is s2  # 两个变量指向同一内存地址

2. 简单工厂 / 工厂方法 (Factory Method)

定义：定义一个创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。
Python 实现：由于 Python 中类可以像变量一样传递，直接使用字典映射或条件判断即可。

class Dog: def speak(self): return "Woof!"class Cat: def speak(self): return "Meow!"
class PetFactory:
    @staticmethod
    def get_pet(pet_type):
        pets = {"dog": Dog, "cat": Cat}
        return pets.get(pet_type, Dog)()
pet = PetFactory.get_pet("cat")
print(pet.speak())  # Meow!

3. 抽象工厂 (Abstract Factory)

定义：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。

class LuxuryCar: def drive(self): return "Smooth ride"class EconomyCar: def drive(self): return "Cheap ride"class LuxurySUV: def offroad(self): return "Luxury offroad"class EconomySUV: def offroad(self): return "Basic offroad"
class VehicleFactory:  # 抽象工厂接口
    def create_car(self): pass
    def create_suv(self): pass
class LuxuryFactory(VehicleFactory):
    def create_car(self): return LuxuryCar()
    def create_suv(self): return LuxurySUV()

4. 建造者模式 (Builder)

定义：将一个复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

class Burger:
    def __init__(self):
        self.bun = None
        self.patty = None
class BurgerBuilder:
    def __init__(self): self.burger = Burger()
    def add_bun(self, bun): self.burger.bun = bun; return self
    def add_patty(self, patty): self.burger.patty = patty; return self
    def build(self): return self.burger
burger = BurgerBuilder().add_bun("Wheat").add_patty("Beef").build()

5. 原型模式 (Prototype)

定义：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。
Python 实现：直接使用标准库的 copy.deepcopy。

class Prototype:
    def __init__(self, value): self.value = value
    def clone(self): return copy.deepcopy(self)
 
obj1 = Prototype([1, 2, 3])
obj2 = obj1.clone()
assert obj1 is not obj2 and obj1.value == obj2.value

二、结构型模式 (Structural Patterns) - 7种

核心目的：处理类或对象的组合，形成更大的结构。

6. 适配器模式 (Adapter)

定义：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。

class Target:
    def request(self): return "Standard response"
class Adaptee:
    def specific_request(self): return "esnopser laiceps" # 反向的
class Adapter(Target):
    def __init__(self, adaptee): self.adaptee = adaptee
    def request(self): return self.adaptee.specific_request()[::-1] # 转换为标准形式

7. 桥接模式 (Bridge)

定义：将抽象部分与实现部分分离，使它们都可以独立地变化。

class Red: def get_color(self): return "Red"class Blue: def get_color(self): return "Blue"
class Shape:
    def __init__(self, color_implementor): self.color = color_implementor
    def draw(self): pass
class Circle(Shape):
    def draw(self): return f"Circle painted {self.color.get_color()}"
circle = Circle(Red())

8. 组合模式 (Composite)

定义：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。

class Component:
    def execute(self): pass
class Leaf(Component):
    def execute(self): return "Leaf"
class Composite(Component):
    def __init__(self): self.children = []
    def add(self, child): self.children.append(child)
    def execute(self): return [c.execute() for c in self.children]

9. 装饰器模式 (Decorator)

定义：动态地给一个对象添加一些额外的职责。
Python 实现：除了常规的类包装，Python 内置的 @decorator 语法糖是其最自然的体现。

def make_bold(func):
    def wrapper(): return f"<b>{func()}</b>"
    return wrapper
 
@make_bolddef greet(): return "Hello"
print(greet())  # <b>Hello</b>

10. 外观模式 (Facade)

定义：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，此模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。

class CPU: def start(self): return "CPU standard"class Memory: def load(self): return "Memory load"
class ComputerFacade: # 外观类封装复杂的子系统调用
    def __init__(self):
        self.cpu = CPU()
        self.memory = Memory()
    def start(self):
        return f"{self.cpu.start()} -> {self.memory.load()}"

11. 享元模式 (Flyweight)

定义：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象（节约内存）。

class TreeType: # 共享的享元
    def __init__(self, name, color):
        self.name = name
        self.color = color
class TreeFactory:
    _types = {}
    @classmethod
    def get_type(cls, name, color):
        if (name, color) not in cls._types:
            cls._types[(name, color)] = TreeType(name, color)
        return cls._types[(name, color)]

12. 代理模式 (Proxy)

定义：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。

class RealSubject:
    def request(self): return "Real request"
class Proxy:
    def __init__(self, real_subject): self._real = real_subject
    def request(self):
        # 可以在此处执行权限检查、缓存、日志等
        return f"Proxy log -> {self._real.request()}"

三、行为型模式 (Behavioral Patterns) - 11种

核心目的：关注对象之间的通信、职责分配与算法交互。

13. 责任链模式 (Chain of Responsibility)

定义：避免请求发送者与接收者耦合在一起，让多个对象都有可能接收请求，将这些对象连接成一条链，并且沿着这条链传递请求。

class Handler:
    def __init__(self, successor=None): self.successor = successor
    def handle(self, request): pass
class ConcreteHandlerA(Handler):
    def handle(self, request):
        if request == "A": return "Handled by A"
        elif self.successor: return self.successor.handle(request)

14. 命令模式 (Command)

定义：将一个请求封装为一个对象，从而使你可用不同的请求对客户进行参数化。

class Light:
    def turn_on(self): return "Light ON"
class TurnOnCommand:
    def __init__(self, light): self.light = light
    def execute(self): return self.light.turn_on()
class RemoteControl:
    def submit(self, command): return command.execute()

15. 解释器模式 (Interpreter)

定义：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。

class Number:
    def __init__(self, value): self.value = value
    def interpret(self): return self.value
class Add:
    def __init__(self, left, right): self.left = left; self.right = right
    def interpret(self): return self.left.interpret() + self.right.interpret()
# 解释 1 + 2expression = Add(Number(1), Number(2))
print(expression.interpret()) # 3

16. 迭代器模式 (Iterator)

定义：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部表示。
Python 实现：Python 的 iter 和 next 是内置的迭代器协议。

class MyCollection:
    def __init__(self, data): self.data = data
    def __iter__(self):
        self.index = 0
        return self
    def __next__(self):
        if self.index < len(self.data):
            val = self.data[self.index]; self.index += 1; return val
        raise StopIteration

17. 中介者模式 (Mediator)

定义：用一个中介对象来封装一系列的对象交互，中介者使各对象不需要显式地相互引用。

class ChatRoom: # 中介者
    def display_message(self, user, message):
        print(f"[{user.name}]: {message}")
class User:
    def __init__(self, name, chat_mediator):
        self.name = name; self.mediator = chat_mediator
    def send(self, message): self.mediator.display_message(self, message)

18. 备忘录模式 (Memento)

定义：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态，以便以后可见将对象恢复到原先保存的状态。

class Memento:
    def __init__(self, state): self._state = state
class Originator: # 原发器
    def __init__(self): self.state = ""
    def save(self): return Memento(self.state)
    def restore(self, memento): self.state = memento._state

19. 观察者模式 (Observer)

定义：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。

class Subject:
    def __init__(self): self._observers = []
    def attach(self, observer): self._observers.append(observer)
    def notify(self, message):
        for obs in self._observers: obs.update(message)
class Observer:
    def update(self, message): print(f"Received: {message}")

20. 状态模式 (State)

定义：允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。

class State: def handle(self): pass
class RedState(State): def handle(self): return "Red Light - Stop"class GreenState(State): def handle(self): return "Green Light - Go"
class TrafficLight:
    def __init__(self): self.state = RedState()
    def change(self): return self.state.handle()

21. 策略模式 (Strategy)

定义：定义一系列的算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可相互替换。
Python 实现：由于 Python 支持一等公民函数，直接传入不同的函数通常就是最好的策略模式实现。

def discount_strategy_a(price): return price * 0.9def discount_strategy_b(price): return price - 20
class Order:
    def __init__(self, price, strategy):
        self.price = price; self.strategy = strategy
    def calculate_total(self): return self.strategy(self.price)
order = Order(100, discount_strategy_a)

22. 模板方法模式 (Template Method)

定义：定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。

class AbstractWorker:
    def template_method(self): # 定义了骨架
        self.get_up()
        self.work()
    def get_up(self): print("Wake up")
    def work(self): pass # 留给子类实现
class Developer(AbstractWorker):
    def work(self): print("Write Python code")

23. 访问者模式 (Visitor)

定义：封装一些作用于某种数据结构中的各元素的操作，它可以在不改变数据结构的前提下定义作用于这些元素的新操作。

class Node:
    def accept(self, visitor): pass
class CityNode(Node):
    def accept(self, visitor): visitor.visit_city(self)
class ExportVisitor: # 访问者
    def visit_city(self, city): print("Exporting city data to XML")

这 23 种设计模式为您构建复杂项目提供了标准工具箱。

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PARA

设计模式

知识体系

一、创建型模式 (Creational Patterns) - 5种

1. 单例模式 (Singleton)

2. 简单工厂 / 工厂方法 (Factory Method)

3. 抽象工厂 (Abstract Factory)

4. 建造者模式 (Builder)

5. 原型模式 (Prototype)

二、结构型模式 (Structural Patterns) - 7种

6. 适配器模式 (Adapter)

7. 桥接模式 (Bridge)

8. 组合模式 (Composite)

9. 装饰器模式 (Decorator)

10. 外观模式 (Facade)

11. 享元模式 (Flyweight)

12. 代理模式 (Proxy)

三、行为型模式 (Behavioral Patterns) - 11种

13. 责任链模式 (Chain of Responsibility)

14. 命令模式 (Command)

15. 解释器模式 (Interpreter)

16. 迭代器模式 (Iterator)

17. 中介者模式 (Mediator)

18. 备忘录模式 (Memento)

19. 观察者模式 (Observer)

20. 状态模式 (State)

21. 策略模式 (Strategy)

22. 模板方法模式 (Template Method)

23. 访问者模式 (Visitor)

关系图谱

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一、 创建型模式 (Creational Patterns) - 5种

1. 单例模式 (Singleton)

2. 简单工厂 / 工厂方法 (Factory Method)

3. 抽象工厂 (Abstract Factory)

4. 建造者模式 (Builder)

5. 原型模式 (Prototype)

二、 结构型模式 (Structural Patterns) - 7种

6. 适配器模式 (Adapter)

7. 桥接模式 (Bridge)

8. 组合模式 (Composite)

9. 装饰器模式 (Decorator)

10. 外观模式 (Facade)

11. 享元模式 (Flyweight)

12. 代理模式 (Proxy)

三、 行为型模式 (Behavioral Patterns) - 11种

13. 责任链模式 (Chain of Responsibility)

14. 命令模式 (Command)

15. 解释器模式 (Interpreter)

16. 迭代器模式 (Iterator)

17. 中介者模式 (Mediator)

18. 备忘录模式 (Memento)

19. 观察者模式 (Observer)

20. 状态模式 (State)

21. 策略模式 (Strategy)

22. 模板方法模式 (Template Method)

23. 访问者模式 (Visitor)

关系图谱

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一、创建型模式 (Creational Patterns) - 5种

二、结构型模式 (Structural Patterns) - 7种

三、行为型模式 (Behavioral Patterns) - 11种