Шаблон проектирования

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Шаблон проектирования или паттерн (англ. design pattern) в разработке программного обеспечения — повторимая архитектурная конструкция, представляющая собой решение проблемы проектирования в рамках некоторого часто возникающего контекста.

Обычно шаблон не является законченным образцом, который может быть прямо преобразован в код; это лишь пример решения задачи, который можно использовать в различных ситуациях. Объектно-ориентированные шаблоны показывают отношения и взаимодействия между классами или объектами, без определения того, какие конечные классы или объекты приложения будут использоваться.

«Низкоуровневые» шаблоны, учитывающие специфику конкретного языка программирования, называются идиомами. Это хорошие решения проектирования, характерные для конкретного языка или программной платформы, и потому не универсальные.

На наивысшем уровне существуют архитектурные шаблоны, они охватывают собой архитектуру всей программной системы.

Алгоритмы по своей сути также являются шаблонами, но не проектирования, а вычисления, так как решают вычислительные задачи.

История[править | править вики-текст]

В 1970-е годы архитектор Кристофер Александр составил набор шаблонов проектирования. В области архитектуры эта идея не получила такого развития, как позже в области программной разработки.

В 1987 году Кент Бэк (Kent Beck) и Вард Каннингем (Ward Cunningham) взяли идеи Александра и разработали шаблоны применительно к разработке программного обеспечения для разработки графических оболочек на языке Smalltalk.

В 1988 году Эрих Гамма (Erich Gamma) начал писать докторскую диссертацию при цюрихском университете об общей переносимости этой методики на разработку программ.

В 1989—1991 годах Джеймс Коплин (James Coplien) трудился над разработкой идиом для программирования на C++ и опубликовал в 1991 году книгу Advanced C++ Idioms.

В этом же году Эрих Гамма заканчивает свою докторскую диссертацию и переезжает в США, где в сотрудничестве с Ричардом Хелмом (Richard Helm), Ральфом Джонсоном (Ralph Johnson) и Джоном Влиссидсом (John Vlissides) публикует книгу Design Patterns — Elements of Reusable Object-Oriented Software. В этой книге описаны 23 шаблона проектирования. Также команда авторов этой книги известна общественности под названием «Банда четырёх» (англ. Gang of Four, часто сокращается до GoF). Именно эта книга стала причиной роста популярности шаблонов проектирования.

Польза[править | править вики-текст]

В сравнении с полностью самостоятельным проектированием, шаблоны обладают рядом преимуществ. Основная польза от использования шаблонов состоит в снижении сложности разработки за счёт готовых абстракций для решения целого класса проблем. Шаблон даёт решению свое имя, что облегчает коммуникацию между разработчиками, позволяя ссылаться на известные шаблоны. Таким образом, за счёт шаблонов производится унификация деталей решений: модулей, элементов проекта, — снижается количество ошибок. Применение шаблонов концептуально сродни использованию готовых библиотек кода. Правильно сформулированный шаблон проектирования позволяет, отыскав удачное решение, пользоваться им снова и снова. Набор шаблонов помогает разработчику выбрать возможный, наиболее подходящий вариант проектирования.[1]

Критика[править | править вики-текст]

Хотя легкое изменение кода под известный шаблон может упростить понимание кода, по мнению Стива Макконнелла, с применением шаблонов могут быть связаны две сложности. Во-первых, слепое следование некоторому выбранному шаблону может привести к усложнению программы. Во-вторых, у разработчика может возникнуть желание попробовать некоторый шаблон в деле без особых оснований.[2]

Типы шаблонов проектирования[править | править вики-текст]

Основные[править | править вики-текст]

Название Оригинальное название Описание Описан в Design Patterns
Основные шаблоны (Fundamental)
Шаблон делегирования Delegation pattern Объект внешне выражает некоторое поведение, но в реальности передаёт ответственность за выполнение этого поведения связанному объекту. Н/Д
Шаблон функционального дизайна Functional design Гарантирует, что каждый модуль компьютерной программы имеет только одну обязанность и исполняет её с минимумом побочных эффектов на другие части программы. Н/Д
Неизменяемый интерфейс Immutable interface Создание неизменяемого объекта. Н/Д
Интерфейс Interface Общий метод для структурирования компьютерных программ для того, чтобы их было проще понять. Н/Д
Интерфейс-маркер Marker interface В качестве атрибута (как пометки объектной сущности) применяется наличие или отсутствие реализации интерфейса-маркера. В современных языках программирования вместо этого могут применяться атрибуты или аннотации. Н/Д
Контейнер свойств Property Container Позволяет добавлять дополнительные свойства для класса в контейнер (внутри класса), вместо расширения класса новыми свойствами. Н/Д
Event Channel Event Channel Расширяет шаблон Publish/Subscribe, создавая централизованный канал для событий. Использует объект-представитель для подписки и объект-представитель для публикации события в канале. Представитель существует отдельно от реального издателя или подписчика. Подписчик может получать опубликованные события от более чем одного объекта, даже если он зарегистрирован только на одном канале. Н/Д
Порождающие шаблоны (Creational) — шаблоны проектирования, которые абстрагируют процесс инстанцирования. Они позволяют сделать систему независимой от способа создания, композиции и представления объектов. Шаблон, порождающий классы, использует наследование, чтобы изменять инстанцируемый класс, а шаблон, порождающий объекты, делегирует инстанцирование другому объекту.
Абстрактная фабрика Abstract factory Класс, который представляет собой интерфейс для создания компонентов системы. Да
Строитель Builder Класс, который представляет собой интерфейс для создания сложного объекта. Да
Фабричный метод Factory method Определяет интерфейс для создания объекта, но оставляет подклассам решение о том, какой класс инстанцировать. Да
Отложенная инициализация Lazy initialization Объект, инициализируемый во время первого обращения к нему. Нет
Пул одиночек Multiton Гарантирует, что класс имеет поименованные экземпляры объекта и обеспечивает глобальную точку доступа к ним. Нет
Объектный пул Object pool Класс, который представляет собой интерфейс для работы с набором инициализированных и готовых к использованию объектов. Нет
Прототип Prototype Определяет интерфейс создания объекта через клонирование другого объекта вместо создания через конструктор. Да
Получение ресурса есть инициализация Resource acquisition is initialization (RAII) Получение некоторого ресурса совмещается с инициализацией, а освобождение — с уничтожением объекта. Нет
Одиночка Singleton Класс, который может иметь только один экземпляр. Да
Структурные шаблоны (Structural) определяют различные сложные структуры, которые изменяют интерфейс уже существующих объектов или его реализацию, позволяя облегчить разработку и оптимизировать программу.
Адаптер Adapter / Wrapper Объект, обеспечивающий взаимодействие двух других объектов, один из которых использует, а другой предоставляет несовместимый с первым интерфейс. Да
Мост Bridge Структура, позволяющая изменять интерфейс обращения и интерфейс реализации класса независимо. Да
Компоновщик Composite Объект, который объединяет в себе объекты, подобные ему самому. Да
Декоратор или Wrapper/Обёртка Decorator Класс, расширяющий функциональность другого класса без использования наследования. Да
Фасад Facade Объект, который абстрагирует работу с несколькими классами, объединяя их в единое целое. Да
Единая точка входа Front Controller Обеспечивает унифицированный интерфейс для интерфейсов в подсистеме. Front Controller определяет высокоуровневый интерфейс, упрощающий использование подсистемы. Нет
Приспособленец Flyweight Это объект, представляющий себя как уникальный экземпляр в разных местах программы, но по факту не являющийся таковым. Да
Заместитель Proxy Объект, который является посредником между двумя другими объектами, и который реализует/ограничивает доступ к объекту, к которому обращаются через него. Да
Поведенческие шаблоны (Behavioral) определяют взаимодействие между объектами, увеличивая таким образом его гибкость.
Цепочка ответственности Chain of responsibility Предназначен для организации в системе уровней ответственности. Да
Команда, Action, Transaction Command Представляет действие. Объект команды заключает в себе само действие и его параметры. Да
Интерпретатор Interpreter Решает часто встречающуюся, но подверженную изменениям, задачу. Да
Итератор, Cursor Iterator Представляет собой объект, позволяющий получить последовательный доступ к элементам объекта-агрегата без использования описаний каждого из объектов, входящих в состав агрегации. Да
Посредник Mediator Обеспечивает взаимодействие множества объектов, формируя при этом слабую связанность и избавляя объекты от необходимости явно ссылаться друг на друга. Да
Хранитель, Token Memento Позволяет не нарушая инкапсуляцию зафиксировать и сохранить внутреннее состояния объекта так, чтобы позднее восстановить его в этом состоянии. Да
Null Object Null object Предотвращает нулевые указатели, предоставляя объект «по умолчанию». Нет
Наблюдатель, Dependents, Publish-Subscribe, Listener Observer или Publish/subscribe Определяет зависимость типа «один ко многим» между объектами таким образом, что при изменении состояния одного объекта все зависящие от него оповещаются об этом событии. Да
Слуга Servant Используется для обеспечения общей функциональности группе классов. Нет
Спецификация Specification Служит для связывания бизнес-логики. Нет
Состояние, Objects for States State Используется в тех случаях, когда во время выполнения программы объект должен менять свое поведение в зависимости от своего состояния. Да
Стратегия Strategy Предназначен для определения семейства алгоритмов, инкапсуляции каждого из них и обеспечения их взаимозаменяемости. Да
Шаблонный метод Template method Определяет основу алгоритма и позволяет наследникам переопределять некоторые шаги алгоритма, не изменяя его структуру в целом. Да
Посетитель Visitor Описывает операцию, которая выполняется над объектами других классов. При изменении класса Visitor нет необходимости изменять обслуживаемые классы. Да
Простая политика Simple Policy Нет
Event listener Нет
Single-serving visitor Single-serving visitor Оптимизирует реализацию шаблона посетитель, который инициализируется, единожды используется, и затем удаляется. Нет
Hierarchical visitor Hierarchical visitor Предоставляет способ обхода всех вершин иерархической структуры данных (напр. древовидной). Нет

Concurrency — Параллелизм

Частные[править | править вики-текст]

Шаблоны параллельного программирования (Concurrency)[править | править вики-текст]

Используются для более эффективного написания многопоточных программ, и предоставляет готовые решения проблем синхронизации.

Название Оригинальное название Описание
Active Object Active object Служит для отделения потока выполнения метода от потока, в котором он был вызван. Использует шаблоны асинхронный вызов методов и планировщик.
Balking Balking Служит для выполнения действия над объектом только тогда, когда тот находится в корректном состоянии.
Binding Properties Комбинирует несколько наблюдателей для обеспечения синхронизации свойств в различных объектах[3]
Обмен сообщениями Messaging design pattern (MDP) Позволяет компонентам и приложениям обмениваться информацией (сообщениями).
Блокировка с двойной проверкой Double-checked locking Предназначен для уменьшения накладных расходов, связанных с получением блокировки.
Event-based asynchronous Адресные проблемы с Асинхронным паттерном которые возникают в программах с несколькими потоками.[4]
Guarded suspension Guarded suspension Используется для блокировки выполнения действия над объектом только тогда, когда тот находится в корректном состоянии.
Half-Sync/Half-Async
Leaders/followers
Lock Один поток блокирует ресурс для предотвращения доступа или изменения его другими потоками.[5]
Монитор Monitor object Объект, предназначенный для безопасного использования более чем одним потоком.
Reactor Reactor Предназначен для синхронной передачи запросов сервису от одного или нескольких источников.
Read write lock Read-write lock Позволяет нескольким потокам одновременно считывать информацию из общего хранилища, но позволяя только одному потоку в текущий момент времени её изменять.
Планировщик Scheduler Обеспечивает механизм реализации политики планирования, но при этом не зависящих ни от одной конкретной политики.
Thread pool Thread pool Предоставляет пул потоков для обработки заданий, представленных обычно в виде очереди.
Thread-Specific Storage Thread-specific storage Служит для предоставления различных глобальных переменных для разных потоков.
Однопоточное выполнение Single Thread Execution Препятствует конкурентному вызову метода, тем самым запрещая параллельное выполнение этого метода.
Кооперативный паттерн Cooperative pattern Обеспечивает механизм безопасной остановки потоков исполнения, используя общий флаг для сигнализирования прекращения работы потоков.

MVC[править | править вики-текст]

Enterprise[править | править вики-текст]

Прочие[править | править вики-текст]

Другие типы шаблонов[править | править вики-текст]

Также на сегодняшний день существует ряд других шаблонов:

  • Carrier Rider Mapper описывают предоставление доступа к хранимой информации
  • Аналитические шаблоны описывают основной подход для составления требований для программного обеспечения (requirement analysis) до начала самого процесса программной разработки
  • Коммуникационные шаблоны описывают процесс общения между отдельными участниками/сотрудниками организации
  • Организационные шаблоны описывают организационную иерархию предприятия/фирмы
  • Анти-паттерны (Anti-Design-Patterns) описывают, как не следует поступать при разработке программ, показывая характерные ошибки в дизайне и в реализации

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Макконнелл, 2005, с. 100-101
  2. Макконнелл, 2005, с. 101
  3. Binding Properties
  4. Christian Nagel, Bill Evjen, Jay Glynn, Karli Watson, and Morgan Skinner Event-based Asynchronous Pattern // Professional C# 2008. — Wiley, 2008. — P. 570–571. — ISBN 0470191376
  5. Lock Pattern

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]