【Python OOP Diary 3】高级特性与设计模式练习题（七至十三） - 实践

Python面向对象编程进阶：高级特性与设计模式练习题

已经掌握了OOP基础？现在让我们挑战更高级的题目，学习特殊方法、设计模式、组合关系等进阶概念！

题目七：魔术方法练习 - 向量类

问题描述

创建一个Vector类，实现向量的基本运算。要求使用Python的魔术方法（特殊方法）来支持数学运算、比较运算和内置函数。

输入格式

程序需要支持向量创建和多种运算：

• 创建向量：Vector(x, y, z)
• 向量加法：v1 + v2
• 向量减法：v1 - v2
• 点乘：v1 * v2
• 数乘：k * v 或 v * k
• 求模：abs(v)
• 字符串表示：str(v)
• 比较：v1 == v2

输出格式

根据运算输出相应结果。

样例输入

v1 = Vector(1, 2, 3)
v2 = Vector(4, 5, 6)
print(v1 + v2)
print(v1 - v2)
print(v1 * v2)  # 点乘
print(2 * v1)
print(abs(v1))
print(v1)
print(v1 == Vector(1, 2, 3))

样例输出

Vector(5, 7, 9)
Vector(-3, -3, -3)
32
Vector(2, 4, 6)
3.74
Vector(1, 2, 3)
True

要求

1. 实现以下魔术方法：
   • __init__, __repr__, __str__
   • __add__, __sub__, __mul__
   • __rmul__ (右乘)
   • __abs__, __eq__
2. 点乘返回标量，数乘返回向量
3. 模长计算使用欧几里得距离

解题思路

• 使用魔术方法让类支持Python内置运算符
• 注意区分点乘和数乘的逻辑
• 实现__rmul__支持标量左乘

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题目八：组合关系练习 - 电脑组装系统

问题描述

创建一个电脑组装系统，使用组合关系（Composition）来构建复杂的对象。电脑由CPU、内存、硬盘等组件组成。

输入格式

多行输入，每行一个命令：

• add_cpu 型号 频率：添加CPU
• add_memory 容量 类型：添加内存
• add_disk 容量 类型：添加硬盘
• assemble 电脑名：组装电脑
• show 电脑名：显示电脑配置
• benchmark 电脑名：性能测试
• exit：退出

输出格式

根据命令输出相应结果。

样例输入

add_cpu i7-12700K 3.6
add_memory 16 DDR4
add_disk 1024 SSD
assemble MyPC
show MyPC
benchmark MyPC
exit

样例输出

电脑 'MyPC' 组装完成！
电脑配置：
CPU: i7-12700K (3.6GHz)
内存: 16GB DDR4
硬盘: 1024GB SSD
性能得分: 8750

要求

1. 使用组合关系：电脑"拥有"各个组件
2. 每个组件都是独立的类
3. 性能得分基于组件参数计算
4. 支持同一电脑添加多个内存条和硬盘

解题思路

• 创建组件类：CPU, Memory, Disk
• 电脑类包含组件对象作为属性
• 使用列表管理多个同类组件
• 性能计算考虑各组件的协同效应

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题目九：观察者模式练习 - 股票交易系统

问题描述

实现一个股票交易系统，使用观察者模式（Observer Pattern）。当股票价格变化时，自动通知所有观察者（投资者）。

输入格式

多行输入，每行一个命令：

• add_stock 代码 名称 初始价格：添加股票
• add_investor 姓名：添加投资者
• subscribe 投资者 股票：订阅股票
• set_price 股票 新价格：设置股票价格
• show_investors 股票：显示订阅者
• exit：退出

输出格式

价格变化时自动通知所有订阅者。

样例输入

add_stock AAPL 苹果 150
add_stock TSLA 特斯拉 200
add_investor 张三
add_investor 李四
subscribe 张三 AAPL
subscribe 李四 AAPL
subscribe 李四 TSLA
set_price AAPL 155
set_price TSLA 190

样例输出

通知 张三: AAPL(苹果) 价格变化: 150.00 -> 155.00
通知 李四: AAPL(苹果) 价格变化: 150.00 -> 155.00
通知 李四: TSLA(特斯拉) 价格变化: 200.00 -> 190.00

要求

1. 实现观察者模式：主题（股票）和观察者（投资者）
2. 支持一对多的通知关系
3. 投资者可以订阅多个股票
4. 价格变化时自动通知所有相关投资者

解题思路

• 主题接口：添加、删除、通知观察者
• 观察者接口：接收更新
• 股票作为具体主题，投资者作为具体观察者
• 使用字典管理订阅关系

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题目十：工厂模式练习 - 图形绘制系统

问题描述

创建一个图形绘制系统，使用工厂模式（Factory Pattern）来创建不同类型的图形对象。

输入格式

多行输入，每行描述要创建的图形：

• circle 半径 x y：创建圆形
• rectangle 长 宽 x y：创建矩形
• triangle 边1 边2 边3 x y：创建三角形
• draw all：绘制所有图形
• area all：计算总面积
• exit：退出

输出格式

根据命令输出绘制结果或计算信息。

样例输入

circle 5 10 10
rectangle 8 6 20 20
triangle 3 4 5 30 30
draw all
area all
exit

样例输出

在(10,10)绘制圆形(半径=5)
在(20,20)绘制矩形(8x6)
在(30,30)绘制三角形(3,4,5)
总面积: 110.27

要求

1. 使用工厂模式创建图形对象
2. 每个图形都有draw()和area()方法
3. 支持多种图形类型
4. 统一管理所有创建的图形

解题思路

• 图形工厂类根据输入参数创建具体图形
• 基类定义统一接口
• 具体图形类实现具体逻辑
• 使用列表管理所有图形对象

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题目十一：装饰器模式练习 - 咖啡订单系统

问题描述

实现一个咖啡订单系统，使用装饰器模式（Decorator Pattern）来动态添加配料。基础咖啡可以添加牛奶、糖、奶油等配料，每种配料都会影响价格和描述。

输入格式

多行输入，每行一个命令：

• order 咖啡类型：订购基础咖啡
• add 配料：添加配料
• show：显示当前订单
• price：计算总价
• new_order：开始新订单
• exit：退出

样例输入

order 拿铁
add 牛奶
add 糖
show
price
new_order
order 美式
add 奶油
show
price
exit

样例输出

拿铁 + 牛奶 + 糖
价格: 32.00
美式 + 奶油
价格: 28.00

要求

1. 使用装饰器模式动态添加功能
2. 每种配料都是一个装饰器
3. 配料可以任意组合
4. 价格自动累加计算

解题思路

• 组件接口：get_description(), cost()
• 具体组件：各种基础咖啡
• 装饰器基类：继承组件接口
• 具体装饰器：各种配料

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题目十二：策略模式练习 - 数据压缩系统

问题描述

创建一个数据压缩系统，使用策略模式（Strategy Pattern）来支持不同的压缩算法。用户可以选择使用ZIP、RAR或7Z算法来压缩文件。

输入格式

多行输入，每行一个命令：

• set_algorithm 算法：设置压缩算法
• compress 文件名：压缩文件
• decompress 文件名：解压文件
• show_algorithms：显示可用算法
• exit：退出

输出格式

根据命令输出压缩结果。

样例输入

show_algorithms
set_algorithm ZIP
compress document.txt
set_algorithm RAR
compress image.jpg
decompress archive.rar
exit

样例输出

可用算法: ZIP, RAR, 7Z
使用ZIP算法压缩: document.txt -> document.zip
使用RAR算法压缩: image.jpg -> image.rar
使用RAR算法解压: archive.rar -> extracted/

要求

1. 使用策略模式封装压缩算法
2. 可以在运行时切换算法
3. 支持多种压缩格式
4. 统一的压缩/解压接口

解题思路

• 策略接口：compress(), decompress()
• 具体策略：各种压缩算法实现
• 上下文类：维护当前策略引用
• 客户端可以动态切换策略

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题目十三：迭代器模式练习 - 图书目录系统

问题描述

创建一个图书目录系统，使用迭代器模式（Iterator Pattern）来遍历图书集合。支持按不同方式遍历：顺序遍历、按分类过滤、按作者过滤等。

输入格式

多行输入，每行一个命令：

• add_book 书名 作者 分类：添加图书
• list_books：顺序列出所有图书
• list_by_category 分类：按分类列出图书
• list_by_author 作者：按作者列出图书
• search 关键词：搜索图书
• exit：退出

输出格式

根据遍历方式输出图书列表。

样例输入

add_book Python编程 张三 编程
add_book 算法导论 李四 计算机科学
add_book 设计模式 王五 编程
list_books
list_by_category 编程
search Python
exit

样例输出

所有图书:
1. Python编程 - 张三 [编程]
2. 算法导论 - 李四 [计算机科学]
3. 设计模式 - 王五 [编程]
编程类图书:
1. Python编程 - 张三
2. 设计模式 - 王五
搜索 'Python':
Python编程 - 张三 [编程]

要求

1. 使用迭代器模式提供多种遍历方式
2. 迭代器接口：has_next(), next()
3. 聚合接口：create_iterator()
4. 支持多种迭代策略

解题思路

• 迭代器接口定义遍历方法
• 具体迭代器实现不同遍历逻辑
• 聚合类提供创建迭代器的方法
• 客户端通过迭代器访问元素，不暴露内部结构

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学习建议

1. 理解模式意图：每个设计模式解决特定类型的问题
2. 对比不同模式：理解各种模式的适用场景和区别
3. 实际应用思考：思考这些模式在真实项目中的应用
4. 组合使用模式：在实际项目中，经常需要组合使用多个模式

设计模式总结

通过这些题目，你将掌握：

1. 创建型模式：工厂模式（对象创建）
2. 结构型模式：装饰器模式（功能扩展）、组合模式（部分-整体）
3. 行为型模式：观察者模式（事件通知）、策略模式（算法封装）、迭代器模式（集合遍历）

这些高级OOP概念和设计模式将帮助你构建更加灵活、可维护和可扩展的软件系统。