Fundamentos de Programación: Patrones de Diseño y Arquitectura de Software

¡Domina los patrones de diseño y arquitectura de software! En este tutorial avanzado te guiaré paso a paso para que aprendas los principios fundamentales de diseño de software, patrones creacionales, estructurales y de comportamiento, junto con principios SOLID y arquitecturas en capas.

Objetivo: Aprender patrones de diseño fundamentales, principios SOLID, arquitecturas de software y mejores prácticas para crear aplicaciones mantenibles y escalables en Python.

Paso 1: ¿Qué son los patrones de diseño?

Los patrones de diseño son soluciones reutilizables a problemas comunes en el diseño de software. No son código específico, sino conceptos y mejores prácticas que puedes adaptar a diferentes situaciones.

# Analogía: Los patrones son como recetas de cocina para programadores
"""
Singleton → Una única instancia global
Factory → Fábrica de objetos
Observer → Sistema de notificaciones
Strategy → Algoritmos intercambiables
Decorator → Añadir funcionalidad dinámicamente
Adapter → Conectar interfaces incompatibles
"""

Paso 2: Patrones creacionales

Singleton - una única instancia

class DatabaseConnection:
    _instance = None

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
            cls._instance._initialize()
        return cls._instance

    def _initialize(self):
        print("Inicializando conexión a base de datos...")
        self.connection_count = 0

    def connect(self):
        self.connection_count += 1
        return f"Conexión #{self.connection_count} establecida"

# Uso: Siempre obtenemos la misma instancia
db1 = DatabaseConnection()
db2 = DatabaseConnection()

print(db1 is db2)  # True - misma instancia
print(db1.connect())
print(db2.connect())

Factory Method - creación flexible

from abc import ABC, abstractmethod

class Documento(ABC):
    @abstractmethod
    def abrir(self):
        pass

class PDF(Documento):
    def abrir(self):
        return "Abriendo documento PDF con Adobe Reader"

class Word(Documento):
    def abrir(self):
        return "Abriendo documento Word con Microsoft Word"

class DocumentoFactory:
    @staticmethod
    def crear_documento(tipo, *args):
        if tipo == "pdf":
            return PDF(*args)
        elif tipo == "word":
            return Word(*args)
        else:
            raise ValueError(f"Tipo de documento no soportado: {tipo}")

# Uso de la fábrica
factory = DocumentoFactory()
doc1 = factory.crear_documento("pdf")
doc2 = factory.crear_documento("word")

print(doc1.abrir())
print(doc2.abrir())

Paso 3: Patrones estructurales

Adapter - conectar interfaces incompatibles

# Sistema legacy que queremos adaptar
class SistemaLegacy:
    def obtener_datos_legacy(self):
        return {"nombre_completo": "Juan Pérez", "edad_años": 30, "correo_e": "[email protected]"}

# Nueva interfaz que esperamos
class NuevoSistema:
    def obtener_datos(self):
        return {"firstName": "Ana", "lastName": "García", "age": 25, "email": "[email protected]"}

# Adapter que convierte la interfaz legacy a la nueva
class LegacyAdapter:
    def __init__(self, legacy_system):
        self.legacy_system = legacy_system

    def obtener_datos(self):
        datos_legacy = self.legacy_system.obtener_datos_legacy()
        return {
            "firstName": datos_legacy["nombre_completo"].split()[0],
            "lastName": datos_legacy["nombre_completo"].split()[1],
            "age": datos_legacy["edad_años"],
            "email": datos_legacy["correo_e"]
        }

# Uso del adapter
legacy = SistemaLegacy()
adapter = LegacyAdapter(legacy)
nuevo_sistema = NuevoSistema()

print("Datos legacy adaptados:", adapter.obtener_datos())
print("Datos nuevos:", nuevo_sistema.obtener_datos())

Decorator - añadir funcionalidad dinámicamente

from abc import ABC, abstractmethod

class Notificador(ABC):
    @abstractmethod
    def enviar(self, mensaje):
        pass

class NotificadorBase(Notificador):
    def enviar(self, mensaje):
        return f"Enviando mensaje base: {mensaje}"

class DecoratorNotificador(Notificador):
    def __init__(self, notificador):
        self.notificador = notificador

    def enviar(self, mensaje):
        return self.notificador.enviar(mensaje)

class NotificadorFacebook(DecoratorNotificador):
    def enviar(self, mensaje):
        base_result = super().enviar(mensaje)
        return f"{base_result} + via Facebook"

class NotificadorSlack(DecoratorNotificador):
    def enviar(self, mensaje):
        base_result = super().enviar(mensaje)
        return f"{base_result} + via Slack"

class NotificadorSMS(DecoratorNotificador):
    def enviar(self, mensaje):
        base_result = super().enviar(mensaje)
        return f"{base_result} + via SMS"

# Uso: Podemos combinar decoradores dinámicamente
notificador = NotificadorBase()
notificador = NotificadorFacebook(notificador)
notificador = NotificadorSlack(notificador)
notificador = NotificadorSMS(notificador)

print(notificador.enviar("¡Hola Mundo!"))

Paso 4: Patrones de comportamiento

Observer - sistema de notificaciones

class Observable:
    def __init__(self):
        self._observers = []

    def agregar_observer(self, observer):
        self._observers.append(observer)

    def eliminar_observer(self, observer):
        self._observers.remove(observer)

    def notificar(self, *args, **kwargs):
        for observer in self._observers:
            observer.actualizar(*args, **kwargs)

class Observer(ABC):
    @abstractmethod
    def actualizar(self, *args, **kwargs):
        pass

# Implementaciones concretas
class Usuario(Observer):
    def __init__(self, nombre):
        self.nombre = nombre

    def actualizar(self, mensaje):
        print(f"{self.nombre} recibió: {mensaje}")

class SistemaLogging(Observer):
    def actualizar(self, mensaje):
        print(f"[LOG] Evento: {mensaje}")

# Uso del patrón Observer
sistema_notificaciones = Observable()

usuario1 = Usuario("Ana")
usuario2 = Usuario("Carlos")
logging = SistemaLogging()

sistema_notificaciones.agregar_observer(usuario1)
sistema_notificaciones.agregar_observer(usuario2)
sistema_notificaciones.agregar_observer(logging)

sistema_notificaciones.notificar("¡Nueva actualización disponible!")

Strategy - algoritmos intercambiables

from abc import ABC, abstractmethod

class EstrategiaPago(ABC):
    @abstractmethod
    def pagar(self, cantidad):
        pass

class PagoTarjeta(EstrategiaPago):
    def pagar(self, cantidad):
        return f"Pagando ${cantidad} con tarjeta de crédito"

class PagoPayPal(EstrategiaPago):
    def pagar(self, cantidad):
        return f"Pagando ${cantidad} con PayPal"

class PagoBitcoin(EstrategiaPago):
    def pagar(self, cantidad):
        return f"Pagando ${cantidad} con Bitcoin"

class CarritoCompra:
    def __init__(self):
        self.items = []
        self.estrategia_pago = None

    def agregar_item(self, item, precio):
        self.items.append((item, precio))

    def total(self):
        return sum(precio for _, precio in self.items)

    def set_estrategia_pago(self, estrategia):
        self.estrategia_pago = estrategia

    def checkout(self):
        if not self.estrategia_pago:
            raise ValueError("Estrategia de pago no configurada")

        total = self.total()
        return self.estrategia_pago.pagar(total)

# Uso del patrón Strategy
carrito = CarritoCompra()
carrito.agregar_item("Laptop", 1000)
carrito.agregar_item("Mouse", 50)

# Podemos cambiar la estrategia dinámicamente
carrito.set_estrategia_pago(PagoTarjeta())
print(carrito.checkout())

carrito.set_estrategia_pago(PagoPayPal())
print(carrito.checkout())

carrito.set_estrategia_pago(PagoBitcoin())
print(carrito.checkout())

Paso 5: Principios SOLID

Single Responsibility Principle (SRP)

# ❌ Violación del SRP
class UsuarioMalDiseñado:
    def __init__(self, nombre, email):
        self.nombre = nombre
        self.email = email

    def guardar_en_bd(self):
        # Lógica de persistencia
        print(f"Guardando {self.nombre} en base de datos")

    def enviar_email(self, mensaje):
        # Lógica de notificación
        print(f"Enviando email a {self.email}: {mensaje}")

    def validar_email(self):
        # Lógica de validación
        return "@" in self.email

# ✅ Cumpliendo SRP
class Usuario:
    def __init__(self, nombre, email):
        self.nombre = nombre
        self.email = email

class UsuarioRepository:
    def guardar(self, usuario):
        print(f"Guardando {usuario.nombre} en base de datos")

class EmailService:
    def enviar(self, usuario, mensaje):
        print(f"Enviando email a {usuario.email}: {mensaje}")

class ValidadorUsuario:
    @staticmethod
    def validar_email(usuario):
        return "@" in usuario.email

Open/Closed Principle (OCP)

from abc import ABC, abstractmethod

# ❌ Violación del OCP
class ProcesadorPagos:
    def procesar(self, tipo, cantidad):
        if tipo == "tarjeta":
            return f"Procesando pago con tarjeta: ${cantidad}"
        elif tipo == "paypal":
            return f"Procesando pago con PayPal: ${cantidad}"
        # Debemos modificar la clase para añadir nuevos métodos de pago

# ✅ Cumpliendo OCP
class MetodoPago(ABC):
    @abstractmethod
    def procesar(self, cantidad):
        pass

class TarjetaPago(MetodoPago):
    def procesar(self, cantidad):
        return f"Procesando pago con tarjeta: ${cantidad}"

class PayPalPago(MetodoPago):
    def procesar(self, cantidad):
        return f"Procesando pago con PayPal: ${cantidad}"

class BitcoinPago(MetodoPago):
    def procesar(self, cantidad):
        return f"Procesando pago con Bitcoin: ${cantidad}"

class ProcesadorPagosOCP:
    def procesar(self, metodo_pago, cantidad):
        return metodo_pago.procesar(cantidad)

# Podemos añadir nuevos métodos de pago sin modificar ProcesadorPagosOCP

Paso 6: Arquitectura en capas

Arquitectura MVC (Model-View-Controller)

# Modelo
class UsuarioModel:
    def __init__(self):
        self.usuarios = []

    def agregar_usuario(self, nombre, email):
        self.usuarios.append({"nombre": nombre, "email": email})

    def obtener_usuarios(self):
        return self.usuarios

# Vista
class UsuarioView:
    def mostrar_usuarios(self, usuarios):
        print("\n--- Lista de Usuarios ---")
        for usuario in usuarios:
            print(f"Nombre: {usuario['nombre']}, Email: {usuario['email']}")

# Controlador
class UsuarioController:
    def __init__(self):
        self.model = UsuarioModel()
        self.view = UsuarioView()

    def agregar_usuario(self, nombre, email):
        self.model.agregar_usuario(nombre, email)

    def mostrar_usuarios(self):
        usuarios = self.model.obtener_usuarios()
        self.view.mostrar_usuarios(usuarios)

# Uso del MVC
controller = UsuarioController()
controller.agregar_usuario("Ana", "[email protected]")
controller.agregar_usuario("Carlos", "[email protected]")
controller.mostrar_usuarios()

Arquitectura hexagonal (ports and adapters)

# Núcleo de la aplicación (sin dependencias externas)
class ServicioUsuarios:
    def __init__(self, repositorio):
        self.repositorio = repositorio

    def registrar_usuario(self, nombre, email):
        # Lógica de negocio
        if not email or "@" not in email:
            raise ValueError("Email inválido")

        usuario = {"nombre": nombre, "email": email}
        return self.repositorio.guardar(usuario)

# Puerto (interface)
class RepositorioUsuarios(ABC):
    @abstractmethod
    def guardar(self, usuario):
        pass

# Adaptadores
class RepositorioMemoria(RepositorioUsuarios):
    def __init__(self):
        self.usuarios = []

    def guardar(self, usuario):
        self.usuarios.append(usuario)
        return usuario

class RepositorioBaseDatos(RepositorioUsuarios):
    def guardar(self, usuario):
        # Conexión real a base de datos aquí
        print(f"Guardando en BD: {usuario}")
        return usuario

# Podemos cambiar el adaptador sin modificar el núcleo
servicio = ServicioUsuarios(RepositorioMemoria())
usuario = servicio.registrar_usuario("Laura", "[email protected]")
print(f"Usuario registrado: {usuario}")

Paso 7: Testing y calidad de código

Unit testing con unittest

import unittest

class Calculadora:
    def sumar(self, a, b):
        return a + b

    def restar(self, a, b):
        return a - b

    def multiplicar(self, a, b):
        return a * b

    def dividir(self, a, b):
        if b == 0:
            raise ValueError("No se puede dividir por cero")
        return a / b

class TestCalculadora(unittest.TestCase):
    def setUp(self):
        self.calc = Calculadora()

    def test_sumar(self):
        self.assertEqual(self.calc.sumar(2, 3), 5)
        self.assertEqual(self.calc.sumar(-1, 1), 0)

    def test_restar(self):
        self.assertEqual(self.calc.restar(5, 3), 2)
        self.assertEqual(self.calc.restar(0, 5), -5)

    def test_multiplicar(self):
        self.assertEqual(self.calc.multiplicar(3, 4), 12)
        self.assertEqual(self.calc.multiplicar(0, 5), 0)

    def test_dividir(self):
        self.assertEqual(self.calc.dividir(10, 2), 5)
        self.assertAlmostEqual(self.calc.dividir(1, 3), 0.333, places=3)

        with self.assertRaises(ValueError):
            self.calc.dividir(5, 0)

if __name__ == "__main__":
    unittest.main()

Test-Driven Development (TDD)

# Ejemplo de TDD: Desarrollamos una función usando tests primero

# Paso 1: Escribimos el test (fallará)
def test_contar_vocales():
    assert contar_vocales("hello") == 2
    assert contar_vocales("WORLD") == 1
    assert contar_vocales("") == 0
    assert contar_vocales("aeiou") == 5
    print("Todos los tests pasaron!")

# Paso 2: Implementamos la función mínima para que el test pase
def contar_vocales(texto):
    vocales = "aeiouAEIOU"
    return sum(1 for char in texto if char in vocales)

# Paso 3: Ejecutamos el test
try:
    test_contar_vocales()
    print("✅ Tests pasaron exitosamente!")
except AssertionError as e:
    print(f"❌ Test falló: {e}")

Paso 8: Proyecto completo - sistema de e-commerce con patrones

from abc import ABC, abstractmethod
from dataclasses import dataclass
from typing import List

@dataclass
class Producto:
    id: int
    nombre: str
    precio: float
    stock: int

class ObservadorCarrito(ABC):
    @abstractmethod
    def actualizar(self, carrito):
        pass

class CarritoCompra:
    def __init__(self):
        self.items = []
        self.observadores = []

    def agregar_observador(self, observador):
        self.observadores.append(observador)

    def notificar_observadores(self):
        for observador in self.observadores:
            observador.actualizar(self)

    def agregar_producto(self, producto, cantidad=1):
        if producto.stock >= cantidad:
            self.items.append({"producto": producto, "cantidad": cantidad})
            producto.stock -= cantidad
            self.notificar_observadores()
        else:
            raise ValueError("Stock insuficiente")

    def calcular_total(self):
        return sum(item["producto"].precio * item["cantidad"] for item in self.items)

    def vaciar(self):
        for item in self.items:
            item["producto"].stock += item["cantidad"]
        self.items = []
        self.notificar_observadores()

class ObservadorStock(ObservadorCarrito):
    def actualizar(self, carrito):
        print("🔄 Actualizando niveles de stock...")

class ObservadorTotal(ObservadorCarrito):
    def actualizar(self, carrito):
        total = carrito.calcular_total()
        print(f"💰 Total actual del carrito: ${total:.2f}")

# Factory para crear productos
class ProductoFactory:
    @staticmethod
    def crear_producto(tipo, *args):
        if tipo == "electronico":
            return Producto(*args, stock=50)
        elif tipo == "ropa":
            return Producto(*args, stock=100)
        elif tipo == "libro":
            return Producto(*args, stock=200)
        else:
            raise ValueError("Tipo de producto no válido")

# Uso del sistema
factory = ProductoFactory()

# Crear productos
laptop = factory.crear_producto("electronico", 1, "Laptop Gaming", 1200.00)
camiseta = factory.crear_producto("ropa", 2, "Camiseta Algodón", 25.00)
libro = factory.crear_producto("libro", 3, "Clean Code", 35.00)

# Configurar carrito con observadores
carrito = CarritoCompra()
carrito.agregar_observador(ObservadorStock())
carrito.agregar_observador(ObservadorTotal())

# Operaciones
carrito.agregar_producto(laptop, 1)
carrito.agregar_producto(camiseta, 2)
carrito.agregar_producto(libro, 1)

print(f"Stock laptop después de compra: {laptop.stock}")
print(f"Stock camiseta después de compra: {camiseta.stock}")

# Strategy para descuentos
class EstrategiaDescuento(ABC):
    @abstractmethod
    def aplicar_descuento(self, total):
        pass

class DescuentoPorcentaje(EstrategiaDescuento):
    def __init__(self, porcentaje):
        self.porcentaje = porcentaje

    def aplicar_descuento(self, total):
        return total * (1 - self.porcentaje / 100)

class DescuentoFijo(EstrategiaDescuento):
    def __init__(self, cantidad):
        self.cantidad = cantidad

    def aplicar_descuento(self, total):
        return max(0, total - self.cantidad)

# Aplicar descuento
descuento = DescuentoPorcentaje(10)  # 10% de descuento
total_con_descuento = descuento.aplicar_descuento(carrito.calcular_total())
print(f"Total con descuento: ${total_con_descuento:.2f}")

Paso 9: Ejercicios de práctica

# Ejercicio 1: Implementar el patrón Command
class Comando(ABC):
    @abstractmethod
    def ejecutar(self):
        pass

    @abstractmethod
    def deshacer(self):
        pass

class ComandoEncenderLuz(Comando):
    def __init__(self, luz):
        self.luz = luz

    def ejecutar(self):
        self.luz.encender()

    def deshacer(self):
        self.luz.apagar()

class Luz:
    def __init__(self, nombre):
        self.nombre = nombre
        self.encendida = False

    def encender(self):
        self.encendida = True
        print(f"{self.nombre}: Luz encendida")

    def apagar(self):
        self.encendida = False
        print(f"{self.nombre}: Luz apagada")

# Ejercicio 2: Implementar el patrón State
class EstadoDocumento(ABC):
    @abstractmethod
    def publicar(self, documento):
        pass

    @abstractmethod
    def renderizar(self, documento):
        pass

class EstadoBorrador(EstadoDocumento):
    def publicar(self, documento):
        documento.estado = EstadoPublicado()
        print("Documento publicado desde borrador")

    def renderizar(self, documento):
        print("Renderizando documento en modo borrador")

class EstadoPublicado(EstadoDocumento):
    def publicar(self, documento):
        print("El documento ya está publicado")

    def renderizar(self, documento):
        print("Renderizando documento en modo público")

class Documento:
    def __init__(self, contenido):
        self.contenido = contenido
        self.estado = EstadoBorrador()

    def publicar(self):
        self.estado.publicar(self)

    def renderizar(self):
        self.estado.renderizar(self)

# Probamos el patrón State
doc = Documento("Contenido del documento")
doc.renderizar()
doc.publicar()
doc.renderizar()
doc.publicar()

Paso 10: Próximos pasos en patrones de diseño

Temas para profundizar:

• Patrones avanzados: Command, State, Template Method
• Patrones de arquitectura: Microservicios, CQRS, Event Sourcing
• Testing avanzado: Mocks, stubs, integration tests
• DevOps y CI/CD: Automatización de despliegues

Paso 11: Recursos y herramientas

Recursos para aprender más:

• Design Patterns: Gang of Four book
• Clean Architecture: Robert C. Martin
• Refactoring: Martin Fowler
• SOLID Principles: Uncle Bob

Plataformas de práctica:

• Refactoring Guru: Patrones de diseño interactivos
• SourceMaking: Ejemplos de patrones
• Pluralsight: Cursos avanzados

Herramientas de análisis:

• pylint: Análisis estático de código
• black: Formateador automático
• mypy: Chequeo de tipos estático
• pytest: Framework de testing avanzado

Conclusión

¡Felicidades! Has dominado los fundamentos de los patrones de diseño y arquitectura de software. Practica estos conceptos en proyectos reales y aplica los principios SOLID para crear software mantenible.

Para más tutoriales sobre patrones de diseño avanzados y arquitectura de software, visita nuestra sección de tutoriales.

¡Con estos conocimientos ya puedes crear aplicaciones bien estructuradas y escalables!

💡 Tip Importante

📝 Mejores Prácticas en Patrones de Diseño y Arquitectura

Para aplicar efectivamente los patrones de diseño y principios de arquitectura, considera estos consejos esenciales:

• Elige el patrón correcto: Estudia el problema antes de seleccionar un patrón
• No abuses de los patrones: Usa patrones solo cuando realmente solucionen un problema
• Mantén la simplicidad: Un patrón simple es mejor que uno complejo innecesario
• Documenta tus decisiones: Explica por qué elegiste ciertos patrones en tu código
• Refactoriza gradualmente: Mejora la arquitectura de tu código con el tiempo
• Aprende de ejemplos reales: Estudia código de proyectos open source exitosos
• Combina patrones: Los patrones funcionan mejor cuando se usan juntos
• Prueba tus diseños: Asegúrate de que tus patrones funcionen correctamente

📚 Documentación: Revisa la documentación completa de patrones de diseño en Refactoring Guru y principios SOLID en Clean Code

¡Estos consejos te ayudarán a crear software bien diseñado y mantenible!