Паттерны проектирования

Что такое паттерны

При создании программных систем перед разработчиками часто встает проблема выбора тех или иных проектных решений. В этих случаях на помощь приходят паттерны.  Дело в том, что почти наверняка подобные задачи уже решались ранее и уже существуют хорошо продуманные элегантные решения, составленные экспертами. Если эти решения описать и систематизировать в каталоги, то они станут доступными менее опытным разработчикам, которые после изучения смогут использовать их как шаблоны или образцы для решения задач подобного класса. Паттерны как раз описывают решения таких повторяющихся задач.

Концепция создания программного обеспечения с использованием паттернов, несомненно, очень важная, но относительно молодая, быть может, поэтому до сих пор нет четкого определения, что же такое паттерн. Об этом свидетельствуют непрекращающиеся дискуссии в популярной литературе и на соответствующих форумах в сети.

Например, следует ли считать алгоритмы и структуры данных паттернами? По этому вопросу существуют противоположные мнения. Согласно одному из них, алгоритмы являются вычислительными паттернами, а хорошо известная фундаментальная монография Дональда Кнута «Искусство программирования» по сути, представляет собой каталог таких паттернов. Согласно другому мнению, алгоритмы не являются паттернами, так как решаемые ими проблемы слишком малы (оперируют такими понятиями как вычислительная сложность и потребление ресурсов), а область решения хорошо очерчена. Паттерны же решают проблемы большего масштаба, при этом паттерн дает не конкретное решение, а некий путь к решению, причем, выбор правильного паттерна — задача нетривиальная, предполагающая от архитектора наличие интуиции, опыта, определенного творчества.

Классификация паттернов

В силу популярности каталога GoF часто под паттернами проектирования подразумевают все виды паттернов программной индустрии, что является не совсем корректным. В области разработки программных систем существует множество паттернов, которые отличаются областью применения, масштабом, содержимым, стилем описания. Например, в зависимости от сферы применения существуют такие паттерны как паттерны анализа, проектирования, тестирования, документирования, организации процесса разработки, планирования проектов и другие. В настоящее время наиболее популярными паттернами являются паттерны проектирования. Одной из распространенных классификаций таких паттернов является классификация по степени детализации и уровню абстракции рассматриваемых систем.

Паттерны делятся на следующие категории:

• Архитектурные паттерны
• Паттерны проектирования
• Идиомы

Архитектурные паттерны, являясь наиболее высокоуровневыми паттернами, описывают структурную схему программной системы в целом. В данной схеме указываются отдельные функциональные составляющие системы, называемые подсистемами, а также взаимоотношения между ними. Примером архитектурного паттерна является хорошо известная программная парадигма «модель-представление-контроллер» (model-view-controller — MVC). В свою очередь, подсистемы могут состоять из архитектурных единиц уровнем ниже.

Паттерны проектирования описывают схемы детализации программных подсистем и отношений между ними, при этом они не влияют на структуру программной системы в целом и сохраняют независимость от реализации языка программирования. Паттерны GoF относятся именно к этой категории. Под паттернами проектирования объектно-ориентированных систем понимается описание взаимодействия объектов и классов, адаптированных для решения общей задачи проектирования в конкретном контексте. В русскоязычной литературе обычно встречаются несколько вариантов перевода оригинального названия design patterns — паттерны проектирования, шаблоны проектирования, образцы. Здесь в основном используется первый вариант, иногда второй.

Идиомы, являясь низкоуровневыми паттернами, имеют дело с вопросами реализации какой-либо проблемы с учетом особенностей данного языка программирования. При этом часто одни и те же идиомы для разных языков программирования выглядят по-разному или не имеют смысла вовсе. Например, в C++ для устранения возможных утечек памяти могут использоваться интеллектуальные указатели. Интеллектуальный указатель содержит указатель на участок динамически выделенной памяти, который будет автоматически освобожден при выходе из зоны видимости. В среде Java такой проблемы просто не существует, так как там используется автоматическая сборка мусора. Обычно, для использования идиом нужно глубоко знать особенности применяемого языка программирования. Следует отметить, что в программной области существуют и другие виды паттернов, не относящиеся к проектированию вообще, например, паттерны анализа, тестирования, документирования и др.

Типы паттернов проектирования

Порождающие паттерны

• Абстрактная фабрика (Abstract factory) — класс, который представляет собой интерфейс для создания компонентов системы.
• Фабричный метод (Factory method) — определяет интерфейс для создания объекта, но оставляет подклассам решение о том, какой класс инстанцировать.
• Прототип (Prototype) — определяет интерфейс создания объекта через клонирование другого объекта вместо создания через конструктор.
• Строитель (Builder) — класс, который представляет собой интерфейс для создания сложного объекта.
• Одиночка (Singleton) — класс, который может иметь только один экземпляр.
• Отложенная инициализация (Lazy initialization) — объект, инициализируемый во время первого обращения к нему.

Структурные паттерны

• Адаптер (Adapter) — объект, обеспечивающий взаимодействие двух других объектов, один из которых использует, а другой предоставляет несовместимый с первым интерфейс.
• Компоновщик (Composite) — объект, который объединяет в себе объекты, подобные ему самому.
• Декоратор или Обёртка (Decorator) — класс, расширяющий функциональность другого класса без использования наследования.
• Фасад (Facade) — объект, который абстрагирует работу с несколькими классами, объединяя их в единое целое.
• Единая точка входа (Front Controller) — обеспечивает унифицированный интерфейс для интерфейсов в подсистеме. Front Controller определяет высокоуровневый интерфейс, упрощающий использование подсистемы.
• Заместитель (Proxy) — объект, который является посредником между двумя другими объектами, и который реализует/ограничивает доступ к объекту, к которому обращаются через него.

Поведенческие паттерны

• Команда, Экшен, Транзакция (Command) — представляет действие. Объект команды заключает в себе само действие и его параметры.
• Стратегия (Strategy) — предназначен для определения семейства алгоритмов, инкапсуляции каждого из них и обеспечения их взаимозаменяемости.
• Шаблонный метод (Template method) — определяет основу алгоритма и позволяет наследникам переопределять некоторые шаги алгоритма, не изменяя его структуру в целом.
• Наблюдатель, Слушатель (Observer) — определяет зависимость типа «один ко многим» между объектами таким образом, что при изменении состояния одного объекта все зависящие от него оповещаются об этом событии.
• Цепочка обязанностей (Chain of responsibility) — предназначен для организации в системе уровней ответственности.