为了扩充软件的功能，通常我们会把软件设计成插件式结构。插件机制是代码/功能反向依赖注入到主体程序的一种方法，编译型语言通过动态加载动态库实现插件。对于Python这样的脚本语言，实现插件机制更简单。Python这样的动态语言天生就支持插件式编程。与C++相比，Python已经定义好模块的接口，想要载入一个插件，一个__import__()就能很轻松地搞定。不需要特定的底层知识。而且与C++等静态语言相比，Python的插件式结构更显灵活。因为插件载入后，可以利用Python语言的动态性，充分地修改核心的逻辑。
简单地说一个__import__()可能不大清楚。现在就来看一个最简单的插件式结构程序。它会扫描plugins文件夹下的所有.py文件。然后把它们载入。
#-*- encoding: utf-8 -*-
#main1.py
import os
class Platform:
def __init__(self):
self.loadPlugins()
def sayHello(self, from_):
print "hello from %s." % from_
def loadPlugins(self):
for filename in os.listdir("plugins"):
if not filename.endswith(".py") or filename.startswith("_"):
continue
self.runPlugin(filename)
def runPlugin(self, filename):
pluginName=os.path.splitext(filename)[0]
plugin=__import__("plugins."+pluginName, fromlist=[pluginName])
#Errors may be occured. Handle it yourself.
plugin.run(self)
if __name__=="__main__":
platform=Platform()
然后在plugins子目录里面放入两个文件：
#plugins1.py
def run(platform):
platform.sayHello("plugin1")
#plugins2.py
def run(platform):
platform.sayHello("plugin2")
再创建一个空的__init__.py在plugins文件夹里面。从package里面导入模块的时候，Python要求一个__init__.py。
运行main1.py，看一下运行的结果。首先是打印一下文件夹结构方便大家理解：
|---main1.py
\---plugins
plugin1.py
plugin2.py
__init__.py
python3 main1.py
hello from plugin1.
hello from plugin2.
一般地，载入插件前要首先扫描插件，然后依次载入并运行插件。我们上面的示例程序main1.py也是如此，分为两个函数。第一个loadPlugins()扫描插件。它把plugins目录下面所有.py的文件除了__init__.py都当成插件。runPlugin()载入并运行插件。其中两个关键：使用__import__()函数把插件当成模块导入，它要求所有的插件都定义一个run()函数。各种语言实现的插件式结构其实也基本上分为这两个步骤。所不同的是，Python语言实现起来更加的简洁。
或许听起来还有点玄奥。详细地说一下__import__()。它和常见的import语句很相似，只不过换成函数形式并且返回模块以供调用。
import module相当于__import__("module")
from module import func相当于__import__("module", fromlist=["func"])
不过与想象有点不同
import package.module相当于__import__("package.module", fromlist=["module"])
如何调用插件一般有个约定。像我们这里就约定每个插件都实现一个run()。有时候还可以约定实现一个类，并且要求这个类实现某个管理接口，以方便核心随时启动、停止插件。要求所有的插件都有这几个接口方法：
#interfaces.py
class Plugin:
def setPlatform(self, platform):
self.platform=platform
def start(self):
pass
def stop(self):
pass
想要运行这个插件，我们的runPlugin()要改一改，另外增加一个shutdown()来停止插件:
class Platform:
def __init__(self):
self.plugins=[]
self.loadPlugins()
def sayHello(self, from_):
print "hello from %s." % from_
def loadPlugins(self):
for filename in os.listdir("plugins"):
if not filename.endswith(".py") or filename.startswith("_"):
continue
self.runPlugin(filename)
def runPlugin(self, filename):
pluginName=os.path.splitext(filename)[0]
plugin=__import__("plugins."+pluginName, fromlist=[pluginName])
clazz=plugin.getPluginClass()
o=clazz()
o.setPlatform(self)
o.start()
self.plugins.append(o)
def shutdown(self):
for o in self.plugins:
o.stop()
o.setPlatform(None)
self.plugins=[]
if __name__=="__main__":
platform=Platform()
platform.shutdown()
插件改成这样：
#plugins1.py
class Plugin1:
def setPlatform(self, platform):
self.platform=platform
def start(self):
self.platform.sayHello("plugin1")
def stop(self):
self.platform.sayGoodbye("plugin1")
def getPluginClass():
return Plugin1
#plugins2.py
def sayGoodbye(self, from_):
print "goodbye from %s." % from_
class Plugin2:
def setPlatform(self, platform):
self.platform=platform
if platform is not None:
platform.__class__.sayGoodbye=sayGoodbye
def start(self):
self.platform.sayHello("plugin2")
def stop(self):
self.platform.sayGoodbye("plugin2")
def getPluginClass():
return Plugin2
运行结果：
python main.py
hello from plugin1.
hello from plugin2.
goodbye from plugin1.
goodbye from plugin2.
详细观察的朋友们可能会发现，上面的main.py,plugin1.py, plugin2.py干了好几件令人惊奇的事。
首先，plugin1.py和plugin2.py里面的插件类并没有继承自interfaces.Plugin，而platform仍然可以直接调用它们的start()和stop()方法。这件事在Java、C++里面可能是件麻烦的事情，但是在Python里面却是件稀疏平常的事，仿佛吃饭喝水一般正常。事实上，这正是Python鼓励的约定编程。Python的文件接口协议就只规定了read(), write(), close()少数几个方法。多数以文件作为参数的函数都可以传入自定义的文件对象，只要实现其中一两个方法就行了，而不必实现一个什么FileInterface。如果那样的话，需要实现的函数就多了，可能要有十几个。
再仔细看下来，getPluginClass()可以把类型当成值返回。其实不止是类型，Python的函数、模块都可以被当成普通的对象使用。从类型生成一个实例也很简单，直接调用clazz()就创建一个对象。不仅如此，Python还能够修改类型。上面的例子我们就演示了如何给Platform增加一个方法。在两个插件的stop()里面我们都调用了sayGoodbye()，但是仔细观察Platform的定义，里面并没有定义。原理就在这里：
#plugins2.py
def sayGoodbye(self, from_):
print "goodbye from %s." % from_
class Plugin2:
def setPlatform(self, platform):
self.platform=platform
if platform is not None:
platform.__class__.sayGoodbye=sayGoodbye
这里首先通过platform.__class__得到Platform类型，然后Platform.sayGoodbye=sayGoodbye新增了一个方法。使用这种方法，我们可以让插件任意修改核心的逻辑。这正在文首所说的Python实现插件式结构的灵活性，是静态语言如C++、Java等无法比拟的。当然，这只是演示，我不大建议使用这种方式，它改变了核心的API，可能会给其它程序员造成困惑。但是可以采用这种方式替换原来的方法，还可以利用“面向切面编程”，增强系统的功能。
接下来我们还要再改进一下载入插件的方法，或者说插件的布署方法。前面我们实现的插件体系主要的缺点是每个插件只能有一个源代码。如果想附带一些图片、声音数据，又怕它们会和其它的插件冲突。即使不冲突，下载时分成单独的文件也不方便。最好是把一个插件压缩成一个文件供下载安装。
Firefox是一个支持插件的著名软件。它的插件以.xpi作为扩展名，实际上是一个.zip文件，里面包含了javascript代码、数据文件等很多内容。它会把插件包下载复制并解压到%APPDATA%\Mozilla\Firefox\Profiles\XXXX.default\extensions里面，然后调用其中的install.js安装。与此类似，实用的Python程序也不大可能只有一个源代码，也要像Firefox那样支持.zip包格式。
实现一个类似于Firefox那样的插件布署体系并不会很难，因为Python支持读写.zip文件，只要写几行代码来做压缩与解压缩就行了。首先要看一下zipfile这个模块。用它解压缩的代码如下：
import zipfile, os
def installPlugin(filename):
with zipfile.ZipFile(filename) as pluginzip:
subdir=os.path.splitext(filename)[0]
topath=os.path.join("plugins", subdir)
pluginzip.extractall(topath)
ZipFile.extractall()是Python 2.6后新增的函数。它直接解压所有压缩包内的文件。不过这个函数只能用于受信任的压缩包。如果压缩包内包含了以/或者盘符开始的绝对路径，很有可能会损坏系统。推荐看一下zipfile模块的说明文档，事先过滤非法的路径名。
这里只有解压缩的一小段代码，安装过程的界面交互相关的代码很多，不可能在这里举例说明。我觉得UI是非常考验软件设计师的部分。常见的软件会要求用户到网站上查找并下载插件。而Firefox和KDE提供了一个“组件(部件)管理界面”，用户可以直接在界面内查找插件，查看它的描述，然后直接点击安装。安装后，我们的程序遍历插件目录，载入所有的插件。一般地，软件还需要向用户提供插件的启用、禁用、依赖等功能，甚至可以让用户直接在软件界面上给插件评分，这里就不再详述了。
有个小技巧，安装到plugins/subdir下的插件可以通过__file__得到它自己的绝对路径。如果这个插件带有图片、声音等数据的时候，可以利用这个功能载入它们。比如上面的plugin1.py这个插件，如果它想在启动的时候播放同目录的message.wav，可以这样子：
#plugins1.py
import os
def alert():
soundFile=os.path.join(os.path.dirname(__file__), "message.wav")
try:
import winsound
winsound.PlaySound(soundFile, winsound.SND_FILENAME)
except (ImportError, RuntimeError):
pass
class Plugin1:
def setPlatform(self, platform):
self.platform=platform
def start(self):
self.platform.sayHello("plugin1")
alert()
def stop(self):
self.platform.sayGoodbye("plugin1")
def getPluginClass():
return Plugin1
接下来我们再介绍一种Python/Java语言常用的插件管理方式。它不需要事先有一个插件解压过程，因为Python支持从.zip文件导入模块，很类似于Java直接从.jar文件载入代码。所谓安装，只要简单地把插件复制到特定的目录即可，Python代码自动扫描并从.zip文件内载入代码。下面是一个最简单的例子，它和上面的几个例子一样，包含一个main.py，这是主程序，一个plugins子目录，用于存放插件。我们这里只有一个插件，名为plugin1.zip。plugin1.zip有以下两个文件，其中description.txt保存了插件内的入口函数和插件的名字等信息，而plugin1.py是插件的主要代码:
description.txt
plugin1.py
其中description.txt的内容是:
[general]
name=plugin1
description=Just a test
code=plugin1.Plugin1
plugin1.py与前面的例子类似，为了省事，我们去掉了stop()方法，它的内容是:
class Plugin1:
def setPlatform(self, platform):
self.platform=platform
def start(self):
self.platform.sayHello("plugin1")
重写的main.py的内容是:
# -*- coding: utf-8 -*-
import os, zipfile, sys, ConfigParser
class Platform:
def __init__(self):
self.loadPlugins()
def sayHello(self, from_):
print "hello from %s." % from_
def loadPlugins(self):
for filename in os.listdir("plugins"):
if not filename.endswith(".zip"):
continue
self.runPlugin(filename)
def runPlugin(self, filename):
pluginPath=os.path.join("plugins", filename)
pluginInfo, plugin = self.getPlugin(pluginPath)
print "loading plugin: %s, description: %s" % \
(pluginInfo["name"], pluginInfo["description"])
plugin.setPlatform(self)
plugin.start()
def getPlugin(self, pluginPath):
pluginzip=zipfile.ZipFile(pluginPath, "r")
description_txt=pluginzip.open("description.txt")
parser=ConfigParser.ConfigParser()
parser.readfp(description_txt)
pluginInfo={}
pluginInfo["name"]=parser.get("general", "name")
pluginInfo["description"]=parser.get("general", "description")
pluginInfo["code"]=parser.get("general", "code")
sys.path.append(pluginPath)
moduleName, pluginClassName=pluginInfo["code"].rsplit(".", 1)
module=__import__(moduleName, fromlist=[pluginClassName, ])
pluginClass=getattr(module, pluginClassName)
plugin=pluginClass()
return pluginInfo, plugin
if __name__=="__main__":
platform=Platform()
与前一个例子的主要不同之处是getPlugin()。它首先从.zip文件内读取描述信息，然后把这个.zip文件添加到sys.path里面。最后与前面类似地导入模块并执行。
解压还是不解压，两种方案各有优劣。一般地，把.zip文件解压到独立的文件夹内需要一个解压缩过程，或者是人工解压，或者是由软件解压。解压后的运行效率会高一些。而直接使用.zip包的话，只需要让用户把插件复制到特定的位置即可，但是每次运行的时候都需要在内存里面解压缩，效率降低。另外，从.zip文件读取数据总是比较麻烦。推荐不包含没有数据文件的时候使用。
