专业实践 · 设计模式专题

课程定位、时间安排与提交方式

本讲是《专业实践》课程中一个小专题的组成部分：教师先讲清设计模式在工程里的位置，再给可照抄照改的样例；学生按作业要求独立完成 3～5 个模式的仓库。面向专业硕士研究生（专硕），强调动手与表达，而非死记硬背定义。

时间与提交

• 本节：课堂讲授 + 当堂可跟着敲的 Java / Python 最小示例。
• 截止：本周讲完后，下周内提交即可（具体时刻以课程群通知为准）。
• 提交方式：每位同学在自己常用的 Git 托管平台（GitHub、GitLab、Gitee 等）建好公开或教师可访问的仓库后，将仓库网址发到课程群；教师按链接检查并登记成绩。

本课课堂示范（与作业区别）

课堂上教师会用 Java 与 Python 各走一遍下面两个教材经典例子：Observer（气象站）、Strategy（鸭子飞行行为）。作业仍要求每人自选 3～5 个不同模式分别建库；本页后半的「分步讲义」可直接当课堂板书稿使用。

参考书与版权声明

《Head First Design Patterns》（深入浅出设计模式）用图示与对话讲解 GoF 经典模式。课堂示范的例子尽量贴合书中叙事（气象站、鸭子），方便学生回到教材对照插图与章节。

作业实现语言建议以本课示范的 Java 或 Python 为主；若你更熟悉其他语言，也可与教师沟通，但须在 README 中写清环境与运行方式。

本节课目标（专硕）

1. 理解「设计模式」对应的是可预期的变化方向，目标是解耦与可扩展，而不是背类图。
2. 能对照教材故事，说出 Observer / Strategy 各自解决的变化是什么、关键角色有哪些。
3. 在 Java 里会用 interface 表达角色契约；在 Python 里会用 typing.Protocol（或 ABC）模拟接口思路，并结合类型注解帮助阅读与重构。
4. 能从「Hello World 级」的最小文件出发，一步一步拆出类、组合关系与调用顺序，跑通终端输出。
5. 为下周作业做好准备：独立仓库、README、运行截图与简短图注。

模式地图（便于选题）

下列为 GoF 二十三式常用分类。作业要求从中自选 3～5 个（每个模式一个独立仓库）。本课课堂只精讲其中与教材高度贴合的两例：Observer、Strategy，其余模式请自学教材 + 作业实践。

课堂讲授要点（教师可展开）

1. 从「变化」出发

模式背后往往是：需求里存在某种不稳定方向（例如算法多变、通知方式多变、对象创建方式多变）。好的设计把变化封装在少数扩展点，让其余代码稳定。

2. 意图优于名字

同样的代码外形可能被误贴标签。判断模式时优先对照 GoF Intent：这段结构究竟在解决什么问题？

3. 结构图与运行时序

讲解时建议白板或画图：关键类型、组合/继承关系、一次典型调用的时序（谁创建谁、谁调用谁、回调从哪来）。

4. 与重构的关系

许多模式体现为「在坏味道出现后如何安全演进」。可点到为止：小步重构、测试保护（若课程未要求单测，至少在 README 说明如何手动验证）。

5. 工具：Trae CN

允许使用 Trae CN 等 AI 辅助编码，但课堂练习与作业的核心代码路径须由你自己理解并能口述。建议在 README 中诚实标注：哪些部分主要手写、哪些借助了提示，以及你如何验证其正确性。

课堂示范一：观察者模式（Observer）— 气象站

教材故事：气象数据（温度、湿度、气压）更新时，多个布告板（当前状况、统计、预报等）需要自动刷新。若把「更新显示」写在气象站类里 if-else 维护所有布告板，会难以扩展。Observer 让主题（Subject）维护观察者列表，数据变化时统一 notify，每个观察者自己实现 update。

Java 分步：从空项目到可运行

1. 第 0 步：Hello World。先建一个目录，创建 WeatherStation.java，写出 main 打印一行字，确认 javac / java 环境可用。
2. 第 1 步：写角色契约（接口）。Subject 负责注册/移除/通知；Observer 负责 update(...)；教材里的 DisplayElement 用于强调「展示」职责，可先保留为空实现再填充。
3. 第 2 步：实现具体主题 WeatherData。内部一个 List<Observer>；setMeasurements 被调用时更新字段并调用 notifyObservers。
4. 第 3 步：实现具体观察者 CurrentConditionsDisplay。构造器里向 Subject registerObserver(this)；update 保存读数并调用 display 打印终端。
5. 第 4 步：在 main 里串联。创建 WeatherData，new CurrentConditionsDisplay(weatherData)，再两次调用 setMeasurements，观察两行输出。

Java · 核心接口与主题（节选）

public interface Subject {
    void registerObserver(Observer o);
    void removeObserver(Observer o);
    void notifyObservers();
}

public class WeatherData implements Subject {
    private final java.util.List<Observer> observers = new java.util.ArrayList<>();
    private float temperature, humidity, pressure;

    public void setMeasurements(float t, float h, float p) {
        this.temperature = t;
        this.humidity = h;
        this.pressure = p;
        notifyObservers();
    }

    public void notifyObservers() {
        for (Observer o : observers) {
            o.update(temperature, humidity, pressure);
        }
    }
    // register/remove 同理补全
}

Java · 观察者注册与展示（节选）

public class CurrentConditionsDisplay implements Observer, DisplayElement {
    private float temperature, humidity;

    public CurrentConditionsDisplay(Subject weatherData) {
        weatherData.registerObserver(this);
    }

    public void update(float t, float h, float p) {
        this.temperature = t;
        this.humidity = h;
        display();
    }

    public void display() {
        System.out.printf("当前状况：%.1f°F，湿度 %.1f%%%n", temperature, humidity);
    }
}

Python 分步：Protocol + 类型提示

1. 第 0 步：单文件 weather_station.py，先 print("ok") 确认 python3 版本（建议 3.10+，Protocol 在标准库 typing 中）。
2. 第 1 步：声明 Observer、Subject 为 Protocol，只写方法签名与 -> 返回类型——这是给读者与工具的契约，不是运行时的父类继承。
3. 第 2 步：实现 WeatherData，用 List[Observer] 保存观察者；方法名可用蛇形 register_observer（Python 惯用法），与 Java camelCase 不同但角色一致。
4. 第 3 步：实现 CurrentConditionsDisplay，在 __init__ 里 weather_data.register_observer(self)。
5. 第 4 步：main() 里两次 set_measurements，终端应打印与 Java 版语义一致的行。

Python · Protocol 契约（节选）

from typing import Protocol, List

class Observer(Protocol):
    def update(self, temp: float, humidity: float, pressure: float) -> None: ...

class WeatherData:
    def __init__(self) -> None:
        self._observers: List[Observer] = []

    def register_observer(self, o: Observer) -> None:
        self._observers.append(o)

    def notify_observers(self) -> None:
        for o in self._observers:
            o.update(self._temperature, self._humidity, self._pressure)

完整可运行代码见本页 示例工程 中 examples/python-observer/weather_station.py。

课堂示范二：策略模式（Strategy）— 鸭子飞行

教材故事：不同鸭子飞行方式不同（真飞、不会飞、甚至火箭飞）。若把飞行动作写在 Duck 基类的各个子类里，会出现大量重复或难以在运行时改变行为。Strategy 把「会变的部分」抽成接口/协议，由 Duck 组合一个 FlyBehavior，通过 setXxxBehavior 替换。

本示范与 Observer 形成对照：Observer 解决「一对多通知」；Strategy 解决「算法/行为可替换」。

Java 分步

1. Hello World：MiniDuckSimulator 只打印一行，确认环境。
2. 定义 FlyBehavior 及 FlyWithWings / FlyNoWay 两个具体策略。
3. 写抽象类 Duck：字段 protected FlyBehavior flyBehavior；方法 performFly() 委托给 flyBehavior.fly()。
4. MallardDuck 构造器里 flyBehavior = new FlyWithWings()；RubberDuck 用 FlyNoWay。
5. 在 main 里对橡皮鸭调用 setFlyBehavior(new FlyWithWings()) 再 performFly()，演示运行时替换策略。

Java · 组合与委托（节选）

public abstract class Duck {
    protected FlyBehavior flyBehavior;

    public void performFly() {
        flyBehavior.fly();
    }

    public void setFlyBehavior(FlyBehavior fb) {
        this.flyBehavior = fb;
    }

    public abstract void display();
}

Python 分步

1. 用 class FlyBehavior(Protocol): 定义 fly(self) -> None。
2. 普通类 FlyWithWings、FlyNoWay 实现该方法（无需显式 implements）。
3. Duck 基类持有 _fly_behavior，perform_fly 调用策略对象。
4. 子类在 __init__ 里 set_fly_behavior(...)；main 里演示替换。

Python · 策略字段（节选）

class Duck:
    def __init__(self) -> None:
        self._fly_behavior: FlyBehavior = FlyNoWay()

    def set_fly_behavior(self, fb: FlyBehavior) -> None:
        self._fly_behavior = fb

    def perform_fly(self) -> None:
        self._fly_behavior.fly()

完整代码见 examples/java-strategy/ 与 examples/python-strategy/duck_simulator.py。

可运行示例工程（供课堂演示与学生拷贝）

以下目录与本讲义网页位于同一项目根目录 test-project/ 下，可直接打开文件对照讲解。

作业布置

总要求

• 从经典设计模式（建议以教材与 GoF 分类为准）中自选 3～5 个模式；每个模式一个独立 Git 仓库（命名示例：经典设计模式讲解-01-观察者模式、经典设计模式讲解-02-策略模式 …）。
• 实现语言优先使用本课示范的 Java 或 Python；若选其他语言，须在 README 说明理由与环境。
• 将仓库推送到你可用的托管平台（GitHub、GitLab、Gitee 等），保证教师能打开链接阅读。
• 核心代码以键盘手敲为主；可使用 Trae CN 等工具辅助，但必须能独立讲解、修改与演示。

每个仓库必须包含

1. README.md（重点），至少包含：
   • 模式原理：意图、适用场景、关键参与者、与教材或 GoF 描述的对照（可用 Mermaid 简易类图）。
   • 示例故事：你选用的具体场景是什么？与代码中类/函数如何一一对应？
   • 运行说明：目录结构、依赖、编译或运行命令（写清 JDK / Python 版本）。
   • 运行截图 + 图注：至少一张，说明截图证明的输出含义（例如「第二次 setMeasurements 触发 notify」）。
2. 可运行入口（含 main 或 if __name__ == "__main__" 等），禁止只有空接口。
3. 建议有若干次 Git commit，体现迭代过程。

提交与截止

• 截止时间：本周课后，下周内在课程群提交即可（具体以群公告为准）。
• 提交方式：每位同学将各自仓库的 URL 发到课程群；教师按链接检查并登记成绩。
• 成绩定位：以完成度与文档清晰度为主，重在提供可仿照的样板仓库；请仍认真对待格式与可复现性。

自查清单（交作业前逐项打勾）

• 是否 3～5 个模式、且每个模式独立仓库？
• 是否已在课程群发送每个仓库的 URL（链接可打开、非失效）？
• README 是否讲清原理 + 你的例子 + 运行方式？
• 是否有运行截图且配有图注讲解？
• 代码是否能在他人机器上按 README 复现（JDK / Python 版本写清楚）？
• 能否用 3～5 分钟口述该模式解决了什么变化、你的例子哪里体现了这一点？

延伸阅读（教师备课可参考）

• O’Reilly：Head First Design Patterns（再版目录与介绍）
• Refactoring Guru：Design Patterns（模式意图与图示，英文为主）
• Wikipedia：Design Patterns (book) — GoF 原著背景

本地启动静态服务器

在本目录（含 index.html 与 css/）下打开终端，任选一种方式：

Python 3

cd "/mnt/c/Users/Administrator/Desktop/test-project"
python3 -m http.server 8080

浏览器访问：http://127.0.0.1:8080/

Node.js（如已安装 npx）

npx --yes serve -l 8080 .

若仅在 WSL 中访问，也可将地址栏中的主机名换成本机 IP（跨设备演示时需注意防火墙）。