代码收藏家技术教程 4天前

Python编程项目观与架构思维构建指南

一、软件项目的认识

二、软件的规模认识

三、如何应对规模较大的软件开发——软件架构

四、分层架构的python综合例子：

1、项目简介：

2、项目的分层结构与文件组织结构的对照图：

3、主要功能运行界面：

4.主要代码的部分实例：

附录：未分层代码可以参考，运行体会.

一、软件项目的认识

软件项目：是指使用编程语言开发的一套程序或软件，通常包含多个代码文件、模块、包以及相关资源，他们协同工作以实现特定的功能或解决特定的问题，除功能外还体现了一定的结构组织性。

软件项目包含的常见功能性和组织性成分如下：

.py文件:是Python中最基本的源代码程序文件，用于存储纯文本形式的源代码。开发者通过编辑.py文件来编写程序，它包含函数、类、变量定义以及执行逻辑，由Python解释器直接读取并执行，是编写和执行Python程序的主要载体。
模块（Module）:按照Python的惯用约定，模块通常与.py文件重合，对应一个包含函数定义、类定义、变量赋值的.py文件。模块可以被其他Python代码导入，以实现代码和功能重用。
与.py文件的区别：模块名是对功能的一种抽象表示，它暂时不直接对应具体的文件名或文件位置，执行时由Python解释器通过一定的机制动态（如搜索路径）对应到.py文件。

注意：意味着同一个模块名可以对应不同的.py文件，取决于当前工作路径里包含的.py名和解释器搜索路径里包含的.py名与模块名的对照一致性。
包：包是包含多个模块的文件夹，其中包含一个特殊的__init__.py文件（即使这个文件为空也可以）。包允许开发者按不同设计目的，实现结构清晰的组织模块和代码。例如，你可以创建一个名为mypackage的文件夹，其中包含一个__init__.py文

包、文件、模块形成了不同的层次区域性的、自己的命名空间，在此区间里不允许同名。意味着不同层次中的命名可以是相同的，而不会相互干扰，主要作用总结：

封装性：可以将一系列相关的函数和变量封装起来，形成一个独立的命名空间。

可重用性：通过导入，可以在不同的程序中重复使用。

组织性：可以帮助你组织代码，使得代码更加清晰、易于维护

命名空间（Namespace）‌是一种用于组织代码和防止命名冲突的重要机制。通过命名空间，开发者可以将标识符（如变量、函数、类等）封装在一个独立的作用域中，从而避免不同模块或库中的同名标识符发生冲突。‌

Python中的命名空间主要有内置、全局和局部三种类型。内置命名空间在解释器启动时创建，自动映射到全局空间，全局命名空间在模块定义时创建，局部命名空间在函数调用时创建。

二、软件的规模认识

软件按规模划分：

微型：代码行数较少，功能简单一，一般代码行数在两千行以内，通常一个人完成。
小型：功能较为单一或几个核心功能，代码行数在几千到几万行之间的项目，团队规模较小约1到5人。
中型：功能较为复杂，代码行数在几万到几，团队规模较约6到15人。
大型项：代码行数超过几十万行，甚至可能达到百万级。团队规模约16到50人。

三、如何应对规模较大的软件开发——软件架构

应对大规模软件开发的手段包括：需求管理机制、技术架构设计、开发过程控制、团队协作优化。这里只谈架构方面。

软件架构 是指软件系统中各要素的基本结构和组织方式，它定义了软件系统的各个部分之间的关系和交互方式，以及系统的整体设计方案。软件架构设计包括软件的组成部分和模块的划分、以及它们之间的关系和依赖等。

软件架构作用：软件架构是开发项目的蓝图，是设计团队布置需要执行的任务的依据，使复杂问题被规划成规模合理的子问题，简化问题，有助于提高系统的可维护性、可扩展性和可重用性，同时体现了工程思维。软件架构具体规划了如下内容：

软件的组成构件和功能：系统要实现的功能和业务是什么。

软件系统的性能和可靠性：包括系统的响应速度、容错能力、可用性和安全性等方面。

软件系统的接口和交互：包括系统内部构件间交互，软件系统与外界的接口和交互方式，涉及与用户的交互、与其他系统的数据交换等。

软件系统的部署和维护：考虑系统的可部署性、可配置性、可测试性和可监控性等方面。

1、常见软件架构：

分层架构：是最常见的架构模式之一，通常被称为n层架构。它将软件分为多个层次，如展现层、业务逻辑层和持久层。这种架构有助于提高代码的可维护性和可扩展性，但可能会导致性能下降，并且增加系统生产成本和复杂性。

事件驱动架构：组件通过事件进行通信，适用于需要高度解耦的系统，如实时数据处理和异步工作流。这种架构可以提高系统的响应速度和灵活性，但不适合交互性强的系统。

微服务架构：将应用程序划分为一组小的、松散耦合的服务，每个服务实现特定的业务功能并通过轻量级通信机制（如HTTP RESTful API）相互协作。适用于需要高度可扩展性和灵活性的大型复杂应用。

2、分层架构的设计：

在软件工程中，分层架构是一种将应用或系统划分为多个独立层次（或模块）的方法，每个层次负责不同的功能。分层架构的主要目的是降低层与层之间的依赖，实现功能模块的合理粒度规划和高内聚低耦合，以提高系统的灵活性和可维护性，同时实现开发任务的可控划分、分配与高效管理，这是分层架构软件设计的重点和精髓。

分层架构通常包括用户接口层、应用层、领域层（可选）和基础层。分层架构的实现是如何体现的，首先体现在项目的结构上，如下：

四、分层架构的python综合例子：

1、项目简介：

名称students_Score

功能包含登录注册功能、成绩录入与成绩可视化；

数据表成绩表（包含数学、英语、专业课字段）用户表（包含用户名和密码字段）。

系统软件的分层架构：数据访问层model，服务控制层service，界面显示层view。

特点：每层间的依赖是单向的，非跳跃的，通过分层设计，系统各层之间的依赖关系被明确界定，降低了层与层之间的耦合度，从而提高了系统的灵活性和可维护性。

2、项目的分层结构与文件组织结构的对照图：

数据访问层model

服务控制层service

界面显示层view

3、主要功能运行界面：

4.主要代码的部分实例：

服务控制层 service包里的loginuser模块代码如下：

附录：未分层代码可以参考，运行体会.

import streamlit as st
import pandas as pd
import hashlib
import sqlite3
if 'user' not in st.session_state:
    st.session_state.user = None

# Hashing password
def hash_password(password):
    return hashlib.sha256(password.encode()).hexdigest()

# Database connection
conn = sqlite3.connect('grades.db', check_same_thread=False)
c = conn.cursor()

# Create tables if they don't exist
def init_db():
    c.execute('''
        CREATE TABLE IF NOT EXISTS users (
            username TEXT PRIMARY KEY,
            password_hash TEXT
        )
    ''')
    c.execute('''
        CREATE TABLE IF NOT EXISTS grades (
            id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,
            math REAL,
            english REAL,
            major REAL
        )
    ''')
    conn.commit()

init_db()

# Login function
def login():
    st.subheader("登录")
    username = st.text_input("用户名")
    password = st.text_input("密码", type="password")
    if st.button("登录"):
        hashed_password = hash_password(password)
        c.execute("SELECT * FROM users WHERE username=? AND password_hash=?", (username, hashed_password))
        user = c.fetchone()
        if user:
            st.success(f"成功登录为 {username}")
            st.session_state.user = username
        else:
            st.error("无效的用户名或密码")

# Register function
def register():
    st.subheader("注册")
    new_username = st.text_input("新用户名")
    new_password = st.text_input("新密码", type="password")
    confirm_password = st.text_input("确认密码", type="password")
    if st.button("注册"):
        if new_password == confirm_password:
            hashed_password = hash_password(new_password)
            try:
                c.execute("INSERT INTO users (username, password_hash) VALUES (?, ?)", (new_username, hashed_password))
                conn.commit()
                st.success("用户注册成功！")
            except sqlite3.IntegrityError:
                st.error("用户名已存在")
        else:
            st.error("密码不匹配")

# Grades input function
def input_grades():
    st.subheader("输入成绩")
    math = st.number_input("数学成绩", min_value=0, max_value=100, step=1)
    english = st.number_input("英语成绩", min_value=0, max_value=100, step=1)
    major = st.number_input("专业课成绩", min_value=0, max_value=100, step=1)
    if st.button("提交"):
        c.execute("INSERT INTO grades (math, english, major) VALUES (?, ?, ?)", (math, english, major))
        conn.commit()
        st.success("成绩提交成功！")

# Grades visualization function
def visualize_grades():
    st.subheader("成绩可视化")
    c.execute("SELECT * FROM grades")
    grades_data = c.fetchall()
    if grades_data:
        df = pd.DataFrame(grades_data, columns=["ID", "Math", "English", "Major"])
        st.dataframe(df)
        st.bar_chart(df.set_index("ID"))
    else:
        st.warning("没有可用的成绩数据")

# Main application logic
def main():
    st.title("学生成绩管理系统")
    
    menu = ["登录", "注册", "输入成绩", "成绩可视化"]
    choice = st.sidebar.selectbox("菜单", menu)

    if choice == "登录":
        login()
    elif choice == "注册":
        register()
    elif choice == "输入成绩":
        if st.session_state.user:
            input_grades()
        else:
            st.warning("请先登录以访问此功能")
    elif choice == "成绩可视化":
        if st.session_state.user:
            visualize_grades()
        else:
            st.warning("请先登录以访问此功能")

if __name__ == "__main__":
    main()

总结：分层架构系统代码相较未分层模块化设计，复杂度增加、代码量、存储消耗稍有增加，需要仔细规划依赖和依赖传递。付出这些一次性、不大的代价，换来了功能模块的合理粒度的规划和高内聚低耦合，提高了系统的灵活性和日后的可维护性，同时实现了开发任务的可控性 边界清晰的划分、分配与高效管理等，是应对规模较大软件开发时，可选的常用架构设计方案之一。

非常感谢你每一次的停留和阅读！这承载了满满厚爱与支持！愿你在编程的道路上日新月异，收获满满的成就和喜悦！

作者：free_6108

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