はじめに

この記事は個人的な勉強メモです。inputしたものはoutputしなくてはという強迫観念に駆られて記事を書いています。
あわよくば詳しい人に誤りの指摘やアドバイスを頂ければいいなという思いを込めてQiitaの記事にしています。

エンジニアとして社会人生活を送っていますが、デザインパターンについてちゃんと学んだことがなかったので勉強してみました。

ここに記載している内容は
https://github.com/ck-fm0211/notes_desigh_pattern
にuploadしています。

デザインパターンの基本

デザインパターンとは

オブジェクト指向で再利用性の高い設計とするためのパターン のこと
- オブジェクト指向（プログラミング）： クラス を定義し、そのクラスを実体化した オブジェクト 同士の相互作用を表現していく
- クラスを「再利用性が高く」「信頼性が高い」設計をすれば効率的な開発ができる
1995年に出版された「オブジェクト指向における再利用のためのデザインパターン」(通称「GoF本」)が指針
- デザインパターンが広く認知されるきっかけ
- 「よく出会う問題とそれに対処する良い設計」を23パターン紹介してくれる
一般にデザインパターンという場合には、これに限らず「よく出会う問題とそれに対処する良い設計」を指す

デザインパターンの使い方

設計に行き詰まったとき、デザインパターンをヒントに考える
よくある場面
- クラスを抽出したいとき
- 実装とインタフェースを切り分けたいとき
- 再利用性を高めたいとき
- 変更に強くしたいとき

Iteratorパターン

要素の集まりを保有するオブジェクトの各要素に順番にアクセスする方法を提供するためのパターン
- 例：Listクラス（要素として複数のオブジェクトを持つことができるもの）
  - このクラスのオブジェクトに順番にアクセスしたいとき、その走査方法は複数考えられるが、あらかじめすべてを洗い出すことは不可能
    - アルファベット順、パラメータを使うetc.
  - 走査方法を与えるクラスをListクラスとは別に独立しておくと、ユーザは独自で走査クラスを作成することができる

実際に使ってみる

題材

会社の上司と部下の関係
部下は5人
部下を表すクラス：

class Employee:

    def __init__(self, name, sex):
        self._name = name
        self._sex = sex

    def get_name(self):
        return self._name

    def get_sex(self):
        return self._sex

部下は名前と性別を持ち、名前を返すメソッドと性別を返すメソッドを持つ
部下を管理するための名簿：

class EmployeeList:

    def __init__(self, employee_count):
        self._employees = [0] * employee_count
        self._last = 0

    def add(self, employee):
        self._employees[self._last] = employee
        self._last += 1

    def get_employee_at(self, idx):
        return self._employees[idx]

    def get_last_num(self) -> int:
        return self._last

この名簿は自由に拡張可能
上司の持つ能力とそれを表現するコード：
- 与えられた名簿に自分の部下を追加できる
- 名簿順に部下を呼ぶことができる

class Boss(metaclass=ABCMeta):

    def __init__(self):
        self._employeesList = None

    @abstractmethod
    def create_employee_list(self):
        pass

    @abstractmethod
    def call_employee(self):
        pass

これに対し、5人の部下を名簿に追加し、追加した順番に名前を呼び出すプログラムを作成する

実装１：デザインパターンを意識しない

class MyBoss(Boss):

    def __init__(self):
        super(MyBoss, self).__init__()

    def create_employee_list(self):
        self._employeesList = EmployeeList(5)
        self._employeesList.add(Employee("Tom", 1))
        self._employeesList.add(Employee("Mary", 2))
        self._employeesList.add(Employee("Sam", 1))
        self._employeesList.add(Employee("John", 1))
        self._employeesList.add(Employee("Ann", 2))

    def call_employee(self):
        size = self._employeesList.get_last_num()
        for i in range(size):
            print(self._employeesList.get_employee_at(i).get_name())


def main():
    you = MyBoss()
    you.create_employee_list()
    you.call_employee()


if __name__ == "__main__":
    main()

Iteratorパターンの考え方

動くものはできたが、これでは変更に強くない
例えば名簿（EmployeeListクラス）が変更された場合に、MyBossクラスは変更を余儀なくされる
EmployeeListクラスの変更例：

class NewEmployeeList:

    def __init__(self):
        self._employees = []  # 可変長

    def add(self, employee):
        self._employees.append(employee)

    def get_employee_at(self, idx):
        return self._employees[idx]

Iteratorパターンを導入する
Iteratorパターンでは何らかの集約体が必ずAggregateインタフェースを実装する
Aggregate インタフェースでは iterator() メソッド（Iteratorインタフェースの実装クラスを返す）のみ定義する
集約体を操作するために必要なメソッドとして、この集約体に次の要素が存在するかどうかをboolean型で返す has_next() メソッドと、次の要素を返す next() メソッドを定義する。

Aggregateクラス

class Aggregate(metaclass=ABCMeta):

    @abstractmethod
    def iterator(self):
        pass

Iteratorクラス

class Iterator(metaclass=ABCMeta):

    @abstractmethod
    def has_next(self):
        pass

    @abstractmethod
    def next(self):
        pass

今回の例だと、集約体はEmployeeListクラスを拡張したもの（MyEmployeeListクラスとする）
このクラスはAggregateインタフェースを実装する必要がある

MyEmployeeListクラス

class MyEmployeeList(EmployeeList, Aggregate):
  def iterator:
    return hoge # iterateorオブジェクトを返す

また、Iteratorクラスの実装クラス（MyEmployeeIteratorクラス）も必要

MyEmployeeListクラス

class MyEmployeeList(Iterator):

  def has_next():
      return foo # boolean

  def next():
      return var # Employeeオブジェクト

実装１では、 call_employee() メソッドが集約体のメソッド（ get_last_num() ）に依存するなど、集約体が変更されたときに合わせて修正が必要となっている
Iteratorパターンに合わせて実装すると、集約体に依存する必要がなくなる

Iteratorを使ったときのcall_employeeメソッド（イメージ）

def call_employee():
  irt = EmployeeList.iterator()
  while itr.has_next():
    print(itr.next().get_name())

実装２：デザインパターンを意識する

上記を踏まえて実装すると以下のようになる

# -*- coding:utf-8 -*-
from abc import ABCMeta, abstractmethod


class Employee:

    def __init__(self, name, sex):
        self._name = name
        self._sex = sex

    def get_name(self):
        return self._name

    def get_sex(self):
        return self._sex


class NewEmployeeList:

    def __init__(self):
        self._employees = []  # 可変長

    def add(self, employee):
        self._employees.append(employee)

    def get_employee_at(self, idx):
        return self._employees[idx]


class Boss(metaclass=ABCMeta):

    def __init__(self):
        self._employeesList = None

    @abstractmethod
    def create_employee_list(self):
        pass

    @abstractmethod
    def call_employee(self):
        pass

# ここまでが事前に提供されるもの


class Aggregate(metaclass=ABCMeta):

    @abstractmethod
    def iterator(self):
        pass


class Iterator(metaclass=ABCMeta):

    @abstractmethod
    def has_next(self):
        pass

    @abstractmethod
    def next(self):
        pass


class MyEmployeeList(NewEmployeeList, Aggregate): # EmployeeListが変更されたら修正

    def __init__(self):
        super(MyEmployeeList, self).__init__()

    def iterator(self):
        return MyEmployeeIterator(self)

    def get_list_len(self):
        return len(self._employees)


class MyEmployeeIterator(Iterator): # EmployeeListが変更されたら修正

    def __init__(self, employee_list):
        self._index = 0
        self._my_employee_list = employee_list

    def has_next(self):
        if self._my_employee_list.get_list_len() > self._index:
            return True
        else:
            return False

    def next(self):
        emp = self._my_employee_list.get_employee_at(self._index)
        self._index += 1
        return emp

# ここまでがIteratorパターンのために実装したもの


class GoodBoss(Boss): # EmployeeListが変更されても修正の必要がない

    def __init__(self):
        super(GoodBoss, self).__init__()

    def create_employee_list(self):
        self._employeesList = MyEmployeeList()
        self._employeesList.add(Employee("Tom", 1))
        self._employeesList.add(Employee("Mary", 2))
        self._employeesList.add(Employee("Sam", 1))
        self._employeesList.add(Employee("John", 1))
        self._employeesList.add(Employee("Ann", 2))

    def call_employee(self):
        itr = self._employeesList.iterator()
        while itr.has_next():
            print(itr.next().get_name())


def main():
    you = GoodBoss()
    you.create_employee_list()
    you.call_employee()


if __name__ == "__main__":
    main()

Iteratorパターンのまとめ

Iteratorパターンは集約オブジェクトの種類や実装に依存しない、統一的な走査方法を提供したいような場合に利用するとよい
Iteratorパターンのクラス図は以下のようになる

Adapterパターン

インタフェースに互換性の無いクラス同士を組み合わせることを目的としたパターン
- これまで利用していたメソッドと同じ機能を、よりすぐれた形で提供するメソッドを持つクラスの存在を知ったとする。
- このすぐれたメソッドは、これまで利用していたメソッドとは異なるインタフェースを持つため、切り替えには多大な変更が必要となる場合がある
- このとき、この2つのメソッドのインタフェースの違いを吸収してやる Adapter を準備することで、少ない変更で新しいメソッドに切り替えることができる

実際に使ってみる

題材

部下の中にリーダーを用意する
enjoy_with_all_person ができるTomにリーダーを任せたい
リーダーには organizeAll ができる必要がある

class Tom:
    def enjoy_with_all_person(self):
        print("enjoy Everyone!!")


class ChairPerson(metaclass=ABCMeta):

    @abstractmethod
    def organize_all(self):
        pass


class Boss:
    def main(self):
        chair_person = Tom()
        chair_person.organize_all()

この状態だとうまくいかない（Tomには organizeAll の能力がない）。Tomに ChairPerson インタフェースを実装させる必要がある。
Adapterパターンには継承パターン、委譲パターンがある。今回は継承パターン。

実装１：継承パターン

class NewTom(Tom, ChairPerson):
    def organize_all(self):
        super().enjoy_with_all_person()


# Bossクラスの変更
class Boss:
    def main(self):
        chair_person = NewTom()
        chair_person.organize_all()

これにより、BossがTomに対して「みんなをまとめて」と声をかければ、Tomの enjoy_with_all_person の能力を使うことができる。
ChairPerson クラスのようなAdaptorクラス（インタフェース）を用意することで元々もっていたメソッドをそのまま流用することができる。

委譲パターン

Tomにどうしても ChairPerson させられない場合。Maryにリーダーを任せて、うまくTomの能力を使わせることを考える。

class Mary(ChairPerson):

    def __init__(self):
        self._tom = Tom()

    def organize_all(self):
        self._tom.enjoy_with_all_person()


# Bossクラスの変更
class Boss:
    def main(self):
        chair_person = Mary()
        chair_person.organize_all()

Adapterパターンのまとめ

利用したいインタフェースを強制的に変えたいときに使える
利用方法は継承/委譲の２パターン。
Adapterパターンのクラス図は以下のようになる

参考

https://www.techscore.com/tech/DesignPattern/index.html/