Python uzorci ponašanja: promatrač, strategija i naredba

Uzorci ponašanja su ključni alati u arsenalu softverskog programera. Rješavaju uobičajene probleme komunikacije i interakcije između objekata, što dovodi do fleksibilnijeg, održivijeg i skalabilnijeg koda. Ovaj sveobuhvatni vodič detaljno se bavi s tri ključna uzorka ponašanja u Pythonu: promatrač, strategija i naredba. Istražit ćemo njihovu svrhu, implementaciju i primjene u stvarnom svijetu, opremajući vas znanjem za učinkovito korištenje ovih uzoraka u vašim projektima.

Razumijevanje uzoraka ponašanja

Uzorci ponašanja usredotočeni su na komunikaciju i interakciju između objekata. Definiraju algoritme i dodjeljuju odgovornosti između objekata, osiguravajući labavo sprezanje i fleksibilnost. Korištenjem ovih uzoraka možete stvoriti sustave koji su jednostavni za razumijevanje, modificiranje i proširivanje.

Ključne prednosti korištenja uzoraka ponašanja uključuju:

• Poboljšana organizacija koda: Inkapsulacijom specifičnih ponašanja, ovi uzorci promiču modularnost i jasnoću.
• Povećana fleksibilnost: Omogućuju vam promjenu ili proširenje ponašanja sustava bez izmjene njegovih temeljnih komponenti.
• Smanjeno sprezanje: Uzorci ponašanja promiču labavo sprezanje između objekata, što olakšava održavanje i testiranje koda.
• Povećana ponovna upotrebljivost: Sami uzorci i kod koji ih implementira mogu se ponovno koristiti u različitim dijelovima aplikacije ili čak u različitim projektima.

Uzorak promatrača

Što je uzorak promatrača?

Uzorak promatrača definira ovisnost jedan-na-više između objekata, tako da se, kada jedan objekt (subjekt) promijeni stanje, svi njegovi ovisnici (promatrači) automatski obavještavaju i ažuriraju. Ovaj je uzorak posebno koristan kada trebate održavati dosljednost u više objekata na temelju stanja jednog objekta. Ponekad se naziva i uzorak objavljivanja-pretplate.

Zamislite to kao pretplatu na časopis. Vi (promatrač) se prijavljujete da biste primali ažuriranja (obavijesti) kad god časopis (subjekt) objavi novo izdanje. Ne morate stalno provjeravati nova izdanja; automatski ste obaviješteni.

Komponente uzorka promatrača

• Subjekt: Objekt čije je stanje od interesa. Održava popis promatrača i pruža metode za pridruživanje (pretplatu) i odvajanje (odjavu) promatrača.
• Promatrač: Sučelje ili apstraktna klasa koja definira metodu ažuriranja, koju subjekt poziva kako bi obavijestio promatrače o promjenama stanja.
• ConcreteSubject: Konkretna implementacija subjekta, koja pohranjuje stanje i obavještava promatrače kada se stanje promijeni.
• ConcreteObserver: Konkretna implementacija promatrača, koja implementira metodu ažuriranja kako bi reagirala na promjene stanja u subjektu.

Python implementacija

Evo primjera Pythona koji ilustrira uzorak promatrača:

class Subject:
    def __init__(self):
        self._observers = []
        self._state = None

    def attach(self, observer):
        self._observers.append(observer)

    def detach(self, observer):
        self._observers.remove(observer)

    def notify(self):
        for observer in self._observers:
            observer.update(self._state)

    @property
    def state(self):
        return self._state

    @state.setter
    def state(self, new_state):
        self._state = new_state
        self.notify()


class Observer:
    def update(self, state):
        raise NotImplementedError


class ConcreteObserverA(Observer):
    def update(self, state):
        print(f"ConcreteObserverA: State changed to {state}")


class ConcreteObserverB(Observer):
    def update(self, state):
        print(f"ConcreteObserverB: State changed to {state}")


# Primjer upotrebe
subject = Subject()

observer_a = ConcreteObserverA()
observer_b = ConcreteObserverB()

subject.attach(observer_a)
subject.attach(observer_b)

subject.state = "New State"
subject.detach(observer_a)
subject.state = "Another State"

U ovom primjeru, `Subject` održava popis objekata `Observer`. Kada se promijeni `state` od `Subject`, poziva se metoda `notify()`, koja iterira kroz popis promatrača i poziva njihovu metodu `update()`. Svaki `ConcreteObserver` zatim reagira na promjenu stanja u skladu s tim.

Primjene u stvarnom svijetu

• Rukovanje događajima: U GUI okvirima, uzorak promatrača se opsežno koristi za rukovanje događajima. Kada korisnik komunicira s elementom korisničkog sučelja (npr. klikom na gumb), element (subjekt) obavještava registrirane slušatelje (promatrače) o događaju.
• Emitiranje podataka: U financijskim aplikacijama, ticker burze (subjekti) emitiraju ažuriranja cijena registriranim klijentima (promatračima).
• Aplikacije proračunskih tablica: Kada se ćelija u proračunskoj tablici promijeni, ovisne ćelije (promatrači) se automatski preračunavaju i ažuriraju.
• Obavijesti na društvenim mrežama: Kad netko objavi na platformi društvenih medija, njegovi sljedbenici (promatrači) dobivaju obavijest.

Prednosti uzorka promatrača

• Labavo sprezanje: Subjekt i promatrači ne trebaju znati konkretne klase jedni drugih, što promiče modularnost i ponovnu upotrebljivost.
• Skalabilnost: Novi promatrači mogu se jednostavno dodati bez izmjene subjekta.
• Fleksibilnost: Subjekt može obavijestiti promatrače na razne načine (npr. sinkrono ili asinkrono).

Nedostatci uzorka promatrača

• Neočekivana ažuriranja: Promatrači mogu biti obaviješteni o promjenama koje ih ne zanimaju, što dovodi do rasipanja resursa.
• Lanac ažuriranja: Kaskadna ažuriranja mogu postati složena i teška za otklanjanje pogrešaka.
• Curenje memorije: Ako promatrači nisu pravilno odvojeni, mogu biti sakupljeni smećem, što dovodi do curenja memorije.

Uzorak strategije

Što je uzorak strategije?

Uzorak strategije definira obitelj algoritama, enkapsulira svaki od njih i čini ih zamjenjivima. Strategija dopušta da se algoritam razlikuje neovisno o klijentima koji ga koriste. Ovaj je uzorak koristan kada imate više načina za izvođenje zadatka i želite se moći prebacivati između njih tijekom izvođenja bez modificiranja koda klijenta.

Zamislite da putujete iz jednog grada u drugi. Možete birati različite strategije prijevoza: uzeti avion, vlak ili automobil. Uzorak strategije omogućuje vam da odaberete najbolju strategiju prijevoza na temelju čimbenika kao što su troškovi, vrijeme i praktičnost, bez promjene odredišta.

Komponente uzorka strategije

• Strategija: Sučelje ili apstraktna klasa koja definira algoritam.
• ConcreteStrategy: Konkretne implementacije sučelja strategije, od kojih svaka predstavlja drugačiji algoritam.
• Kontekst: Klasa koja održava referencu na objekt strategije i delegira izvršenje algoritma na njega. Kontekst ne mora znati specifičnu implementaciju strategije; samo komunicira sa sučeljem strategije.

Python implementacija

Evo primjera Pythona koji ilustrira uzorak strategije:

class Strategy:
    def execute(self, data):
        raise NotImplementedError


class ConcreteStrategyA(Strategy):
    def execute(self, data):
        print("Executing Strategy A...")
        return sorted(data)


class ConcreteStrategyB(Strategy):
    def execute(self, data):
        print("Executing Strategy B...")
        return sorted(data, reverse=True)


class Context:
    def __init__(self, strategy):
        self._strategy = strategy

    def set_strategy(self, strategy):
        self._strategy = strategy

    def execute_strategy(self, data):
        return self._strategy.execute(data)


# Primjer upotrebe
data = [1, 5, 3, 2, 4]

strategy_a = ConcreteStrategyA()
context = Context(strategy_a)
result = context.execute_strategy(data)
print(f"Result with Strategy A: {result}")

strategy_b = ConcreteStrategyB()
context.set_strategy(strategy_b)
result = context.execute_strategy(data)
print(f"Result with Strategy B: {result}")

U ovom primjeru, sučelje `Strategy` definira metodu `execute()`. `ConcreteStrategyA` i `ConcreteStrategyB` pružaju različite implementacije ove metode, sortirajući podatke uzlaznim i silaznim redoslijedom. Klasa `Context` održava referencu na objekt `Strategy` i delegira izvršenje algoritma na njega. Klijent se može prebacivati između strategija tijekom izvođenja pozivom metode `set_strategy()`.

Primjene u stvarnom svijetu

• Obrada plaćanja: Platforme e-trgovine koriste uzorak strategije za podršku različitim načinima plaćanja (npr. kreditna kartica, PayPal, bankovni transfer). Svaki način plaćanja implementiran je kao konkretna strategija.
• Izračun troškova dostave: Internetski trgovci koriste uzorak strategije za izračun troškova dostave na temelju čimbenika kao što su težina, odredište i način dostave.
• Kompresija slike: Softver za uređivanje slika koristi uzorak strategije za podršku različitim algoritmima kompresije slike (npr. JPEG, PNG, GIF).
• Validacija podataka: Obrazci za unos podataka mogu koristiti različite strategije validacije na temelju vrste podataka koji se unose (npr. adresa e-pošte, telefonski broj, datum).
• Algoritmi usmjeravanja: GPS navigacijski sustavi koriste različite algoritme usmjeravanja (npr. najkraća udaljenost, najbrže vrijeme, najmanji promet) na temelju korisničkih preferencija.

Prednosti uzorka strategije

• Fleksibilnost: Možete jednostavno dodati nove strategije bez izmjene konteksta.
• Ponovna upotrebljivost: Strategije se mogu ponovno koristiti u različitim kontekstima.
• Inkapsulacija: Svaka strategija je enkapsulirana u vlastitoj klasi, promičući modularnost i jasnoću.
• Princip otvorenog/zatvorenog: Možete proširiti sustav dodavanjem novih strategija bez modificiranja postojećeg koda.

Nedostatci uzorka strategije

• Povećana složenost: Broj klasa može se povećati, što sustav čini složenijim.
• Svjesnost klijenta: Klijent mora biti svjestan različitih dostupnih strategija i odabrati odgovarajuću.

Uzorak naredbe

Što je uzorak naredbe?

Uzorak naredbe enkapsulira zahtjev kao objekt, čime se klijenti mogu parametrizirati s različitim zahtjevima, stavljati zahtjeve u red ili ih zapisivati u zapisnik te podržavati operacije poništavanja. On odvaja objekt koji poziva operaciju od onog koji zna kako je izvesti.

Razmislite o restoranu. Vi (klijent) naručujete (naredba) konobaru (pozivatelju). Konobar ne priprema hranu sam; proslijeđuje narudžbu kuharu (primatelju), koji zapravo izvršava radnju. Uzorak naredbe omogućuje vam da odvojite proces naručivanja od procesa kuhanja.

Komponente uzorka naredbe

• Naredba: Sučelje ili apstraktna klasa koja deklarira metodu za izvršavanje zahtjeva.
• ConcreteCommand: Konkretne implementacije sučelja naredbe, koje povezuju objekt primatelja s radnjom.
• Primatelj: Objekt koji obavlja stvarni posao.
• Pozivatelj: Objekt koji traži od naredbe da izvrši zahtjev. Sadrži objekt Command i poziva njegovu metodu izvršavanja kako bi pokrenuo operaciju.
• Klijent: Stvara objekte ConcreteCommand i postavlja njihovog primatelja.

Python implementacija

Evo primjera Pythona koji ilustrira uzorak naredbe:

class Command:
    def execute(self):
        raise NotImplementedError


class ConcreteCommand(Command):
    def __init__(self, receiver, action):
        self._receiver = receiver
        self._action = action

    def execute(self):
        self._receiver.action(self._action)


class Receiver:
    def action(self, action):
        print(f"Receiver: Performing action '{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()


# Primjer upotrebe
receiver = Receiver()

command1 = ConcreteCommand(receiver, "Operation 1")
command2 = ConcreteCommand(receiver, "Operation 2")

invoker = Invoker()
invoker.add_command(command1)
invoker.add_command(command2)

invoker.execute_commands()

U ovom primjeru, sučelje `Command` definira metodu `execute()`. `ConcreteCommand` povezuje objekt `Receiver` s određenom radnjom. Klasa `Invoker` održava popis objekata `Command` i izvršava ih redom. Klijent stvara objekte `ConcreteCommand` i dodaje ih u `Invoker`.

Primjene u stvarnom svijetu

• GUI alatne trake i izbornici: Svaki gumb ili stavka izbornika može biti predstavljena kao naredba. Kada korisnik klikne na gumb, izvršava se odgovarajuća naredba.
• Obrada transakcija: U sustavima baza podataka, svaka se transakcija može predstaviti kao naredba. To omogućuje funkcionalnost poništavanja/ponavljanja i evidentiranje transakcija.
• Snimanje makronaredbi: Značajke snimanja makronaredbi u softverskim aplikacijama koriste uzorak naredbe za snimanje i ponovno pokretanje korisničkih radnji.
• Redovi zadataka: Sustavi koji obrađuju zadatke asinkrono često koriste redove zadataka, gdje je svaki zadatak predstavljen kao naredba.
• Udaljeni pozivi procedura (RPC): RPC mehanizmi koriste uzorak naredbe za enkapsulaciju udaljenih poziva metoda.

Prednosti uzorka naredbe

• Odvojeno: Pozivatelj i primatelj su odvojeni, što omogućuje veću fleksibilnost i ponovnu upotrebljivost.
• Red čekanja i prijava: Naredbe se mogu stavljati u red i evidentirati, omogućujući značajke kao što su poništavanje/ponavljanje i revizijski tragovi.
• Parametrizacija: Naredbe se mogu parametrizirati s različitim zahtjevima, što ih čini svestranijima.
• Podrška za poništavanje/ponavljanje: Uzorak naredbe olakšava implementaciju funkcionalnosti poništavanja/ponavljanja.

Nedostatci uzorka naredbe

• Povećana složenost: Broj klasa može se povećati, što sustav čini složenijim.
• Režijski troškovi: Stvaranje i izvršavanje objekata naredbi može uvesti određene režijske troškove.

Zaključak

Uzorci promatrača, strategije i naredbe moćni su alati za izgradnju fleksibilnih, održivih i skalabilnih softverskih sustava u Pythonu. Razumijevanjem njihove svrhe, implementacije i primjene u stvarnom svijetu, možete iskoristiti ove uzorke za rješavanje uobičajenih problema dizajna i stvaranje robusnijih i prilagodljivijih aplikacija. Ne zaboravite razmotriti kompromise povezane sa svakim uzorkom i odabrati onaj koji najbolje odgovara vašim specifičnim potrebama. Savladavanje ovih uzoraka ponašanja značajno će poboljšati vaše sposobnosti kao softverskog inženjera.