Python原型模式介绍、使用；浅拷贝/深拷贝原理

一、Python原型模式（Prototype Pattern）简介

1. 概念

原型模式是一种创建型设计模式，它通过复制（克隆）现有对象来创建新对象。这样可以避免使用复杂的构造函数来创建对象，提高程序的性能和可维护性。

2. 功能

原型模式的功能是通过复制现有对象来创建新对象，从而提高程序的性能和可维护性。

3. 优点

• 可以避免重复创建相同的对象，提高性能；
• 可以更加方便地创建复杂对象，减少代码的量；
• 可以通过克隆来获取对象，避免了使用复杂的对象构造函数。

4. 缺点

• 实现对象克隆方法需要一定的技巧性，对开发者的要求较高；
• 克隆方法可能需要比使用构造函数创建对象更加复杂。

5. 应用场景

• 在需要频繁创建相同对象的场景中，原型模式可以提高程序的性能；
• 在需要创建复杂对象的场景中，原型模式能够简化对象创建的过程。

6. 使用方式

在 Python 中，可以通过实现 __copy__() 和 __deepcopy__() 方法来实现原型模式。其中，__copy__() 方法用于浅拷贝，__deepcopy__() 方法用于深拷贝。

在 Python 中，许多内置的数据类型和标准库中的对象都实现了原型模式，如：字典、列表、集合、datetime 对象等。在自己的代码中，我们也可以使用原型模式来减少代码的量，提高程序的性能。特别是在需要创建大量相似对象的场景中，使用原型模式可以帮助我们大大提高效率。

二、原型模式使用：

原型模式是一种设计模式，它允许我们通过复制现有的对象来创建新的实例。在 Python 中，原型模式可以通过 copy 模块中的 copy() 和 deepcopy() 函数来实现。

下面是一个简单的例子，说明如何使用原型模式创建新的对象：

我们定义了一个 Person 类，该类有一个 clone() 方法，该方法使用 deepcopy() 函数来复制 Person 对象并返回一个新的实例。此外，该方法还接受一个可选的 kwargs 参数，该参数是一个字典，可以用来更新新的对象的属性。

现在，我们可以创建 Person 对象，并使用 clone() 方法创建一个新的实例。例如：

import copy
class Person():
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    # 使用 print() 函数或字符串格式化操作符 % 将对象打印为字符串时，实际上是调用了该对象的 __str__() 方法
    def __str__(self): # __str__() 用于返回类的字符串表示形式
        return 'Person(name={}, age={})'.format(self.name, self.age)

    def clone(self, **kwargs):
        print("*********开始克隆")
        clone_obj = copy.deepcopy(self)
        clone_obj.__dict__.update(kwargs)
        return clone_obj

p1 = Person("Alice", 28)
p2 = p1.clone(name="Bob")
p3 = p1.clone(name="Charlie", age=30)
print(p1, p1.name, p1.age)
print(p2, p2.name, p2.age)
print(p3, p3.name, p3.age)

运行上述代码，输出结果为：

*********开始克隆

*********开始克隆

Person(name=Alice, age=28) Alice 28

Person(name=Bob, age=28) Bob 28

Person(name=Charlie, age=30) Charlie 30

从上面的输出结果可以看出，我们可以通过原型模式创建新的对象，并使用可选的参数来修改属性。这种模式非常适用于那些需要创建大量相似对象的场景，例如许多游戏中的敌人或NPC对象。

三、浅拷贝/深拷贝

浅拷贝和深拷贝都是 Python 中用来复制对象的方式。

1. 概念：

   1. 浅拷贝（Shallow Copy）：复制对象时，创建一个新对象，但该对象的某些属性仍然引用原始对象中的属性对象。
   2. 深拷贝（Deep Copy）：复制对象时，创建一个新对象，并对原始对象中的所有属性进行递归复制。

2. 工作原理：

   1. 浅拷贝：浅拷贝创建的新对象，其属性对象还是和原始对象中的属性对象相同。这意味着，如果修改新对象的属性对象，则原始对象和其他浅拷贝对象中的相同属性对象也会发生变化。
   2. 深拷贝：深拷贝创建的新对象和原始对象完全独立。这意味着，如果修改新对象的属性对象，则原始对象和其他深拷贝对象中的相同属性对象不会受到影响。

3. 优点：

   1. 浅拷贝：比起深拷贝，浅拷贝更加高效，因为它不需要递归复制所有属性。同时，浅拷贝可以避免不必要的内存占用。
   2. 深拷贝：深拷贝可以保证复制后的对象和原始对象完全独立，不会出现因为共享引用导致的修改冲突问题。

4. 缺点：

   1. 浅拷贝：由于浅拷贝只是复制了对象的引用，所以在修改属性对象时，会影响到原始对象和其他浅拷贝对象中的相同属性对象。
   2. 深拷贝：由于递归复制对象属性，所以深拷贝可能会消耗大量的内存和时间。

5. 使用场景：

   1. 浅拷贝：当需要复制对象，但不需要深入复制对象属性时使用。比如，复制一个列表，但不需要复制列表中的元素。
   2. 深拷贝：当需要完全独立的副本时使用。比如，复制一个对象，但需要修改复制后的对象而不会影响原始对象。

Python 中实现浅拷贝和深拷贝的方式分别是 copy 和 deepcopy 方法。例如：

import copy

# a = [1,2]
a = [[1,2], [3,4]]
b = copy.copy(a)
print(a,b)
# b[1] = 3
b[1][1] = 5
print(a,b)

a = [[1,2], [3,4]]
b = copy.deepcopy(a)
print(a,b)
b[1][1] = 5
print(a,b)

运行结果：

[[1, 2], [3, 4]] [[1, 2], [3, 4]]

[[1, 2], [3, 5]] [[1, 2], [3, 5]]

[[1, 2], [3, 4]] [[1, 2], [3, 4]]

[[1, 2], [3, 4]] [[1, 2], [3, 5]]

四、Python相关方法介绍

1. __str__() 方法介绍

在 Python 中，__str__() 方法是一种特殊的方法，用于返回类的字符串表示形式。当我们使用 print() 函数或字符串格式化操作符 % 将对象打印为字符串时，实际上是调用了该对象的 __str__() 方法。

通常情况下，__str__() 方法返回的字符串应该是可读性较好的字符串，方便人类阅读。比如，如果一个类 Person 表示一个人的信息，我们可以在该类中定义如下的 __str__() 方法：

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def __str__(self):
        return 'Person(name={}, age={})'.format(self.name, self.age)

在上面的例子中，__str__() 方法返回了一个类似于 Person(name=Alice, age=28) 的字符串表示形式，表示该对象的名字和年龄信息。通过这种方式，我们可以方便地打印或记录对象的信息，便于开发和调试。

需要注意的是，__str__() 方法应该返回一个字符串类型的值，否则会抛出 TypeError 异常。

2.__init__(self) 方法介绍

在 Python 中，__init__(self) 是一种特殊的方法，用于在创建一个新的对象时初始化该对象的属性。该方法在类中只能被定义一次，通常用于定义类的属性及其初始值。

在 Python 中，每次创建一个新的对象时，都会自动调用该对象所属类的 __init__(self) 方法进行初始化。在 __init__(self) 方法中，可以通过 self 参数来访问该对象的属性，从而给属性设置初始值。

例如，假设我们有一个类 Person 表示一个人的信息，可以在该类中定义如下的 __init__(self) 方法：

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

在上面的例子中，__init__(self) 方法定义了两个参数 name 和 age，并将它们分别赋值给了对象的 name 和 age 属性。在创建一个新的 Person 对象时，可以通过传递相应的参数来初始化该对象的属性，例如：

p1 = Person('Alice', 28)
p2 = Person('Bob', 30)

在上面的例子中，我们分别创建了两个 Person 对象，并传递了不同的参数，从而初始化了这两个对象的属性。

3.del关键字介绍

在 Python 中，del 是一种关键字，用于删除对象或对象属性。当使用 del 关键字时，它会执行对应对象的 __del__() 方法，方法内可以进行一些清理操作，通常在不再需要对象时使用。

使用 del 关键字可以删除一个对象，例如：

x = 10     # 创建一个整数对象
del x     # 删除该对象

使用 del 关键字也可以删除一个对象的属性，例如：

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

p = Person('Alice', 28)
del p.age       # 删除 p 对象的 age 属性

在上面的例子中，我们先创建了一个 Person 对象 p，然后使用 del 关键字删除了它的 age 属性。删除属性时不会影响对象本身的存在，只是将属性删除。

需要注意的是，在类中定义了 __del__() 方法并不能确保它会被立即执行。对于垃圾回收机制，Python 中的实现是引用计数机制，当一个对象的引用计数为 0 时，Python 会自动调用它的 __del__() 方法。但是，由于引用计数并不是完全准确的，因此 __del__() 方法可能会有延迟执行的情况，不能依赖它进行一些重要的操作。

4.obj.dic.update(kwargs)介绍

在 Python 中，obj.__dict__ 是一个字典，用于存储对象的属性和值。而 kwargs 则是一个字典，包含键值对，表示要更新的属性和值。

obj.__dict__.update(kwargs) 表示将 kwargs 字典中的键值对更新到 obj 对象的 __dict__ 中。也就是说，使用 update() 方法可以动态地修改对象的属性值，这在某些情况下是非常有用的。

例如，在实例化对象的时候，如果需要动态地为对象设置属性，可以使用 __dict__ 和 update() 方法，如下所示：

class Person:
    def __init__(self, **kwargs):
        self.__dict__.update(kwargs)

p = Person(name='Alice', age=28)
print(p.name)   # 输出：Alice
print(p.age)    # 输出：28

在上面的例子中，我们定义了一个 Person 类，可以接收任意数量的关键字参数。在实例化对象时，我们使用 __dict__ 和 update() 方法将关键字参数更新到对象的 __dict__ 中，从而动态地为对象设置属性。