Шаблон проектирования

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон проектирования (паттерн, от англ. design pattern) — повторяемая архитектурная конструкция в сфере проектирования программного обеспечения, предлагающая 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

В 1970-е годы архитектор Кристофер Александер 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 Александера 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 Влиссидесом (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.

Плюсы

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 своё 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]

Минусы

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 (см. Золотой молоток).[2]

Многие шаблоны проектирования в объектно-ориентированном проектировании можно рассматривать как идиоматическое воспроизведение элементов функциональных языков[3]. Питер Норвиг утверждает, что 16 из 23 шаблонов, описанных в книге «Банды четырёх», в динамически-типизируемых языках реализуются существенно проще, чем в C++, либо оказываются незаметны[4]. Пол Грэхэм считает саму идею шаблонов проектирования — антипаттерном, сигналом о том, что система не обладает достаточным уровнем абстракции, и необходима её тщательная переработка[5]. Нетрудно видеть, что само определение шаблона как «готового решения, но не прямого обращения к библиотеке» по сути означает отказ от повторного использования в пользу дублирования. Это, очевидно, может быть неизбежным для сложных систем при использовании языков, не поддерживающих комбинаторы и полиморфизм типов, и это в принципе может быть исключено в языках, обладающих свойством гомоиконичности (хотя и не обязательно эффективно), так как любой шаблон может быть реализован в виде исполнимого кода[6].

Типы шаблонов проектирования

Основные

Название Оригинальное название Описание Описан в Design Patterns
Основные шаблоны (Fundamental)
Шаблон делегированияDelegation pattern Объект внешне выражает некоторое поведение, но в реальности передаёт ответственность за выполнение этого поведения связанному объекту. н/д
Шаблон функционального дизайнаFunctional 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 интерфейсImmutable interface Создание неизменяемого объекта. н/д
ИнтерфейсInterface Общий метод для структурирования компьютерных программ для того, чтобы их было проще понять. н/д
Интерфейс-маркерMarker 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 свойствProperty container Позволяет добавлять дополнительные свойства для класса в контейнер (внутри класса), вместо расширения класса новыми свойствами. н/д
Канал событийEvent channel Расширяет шаблон «издатель — подписчик», 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 фабрикаAbstract factory Класс, который представляет собой интерфейс для создания компонентов системы. Да
СтроительBuilder Класс, который представляет собой интерфейс для создания сложного объекта. Да
Фабричный методFactory 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
МультитонMultiton Гарантирует, что класс имеет поименованные экземпляры объекта и обеспечивает глобальную точку доступа к ним. Нет
Объектный пулObject pool Класс, который представляет собой интерфейс для работы с набором инициализированных и готовых к использованию объектов. Нет
ПрототипPrototype Определяет интерфейс создания объекта через клонирование другого объекта вместо создания через конструктор. Да
Получение ресурса есть инициализацияResource acquisition is initialization (RAII) Получение некоторого ресурса совмещается с инициализацией, а освобождение — с уничтожением объекта. Нет
ОдиночкаSingleton 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.
АдаптерAdapter / Wrapper Объект, обеспечивающий взаимодействие двух других объектов, один из которых использует, а другой предоставляет несовместимый с первым интерфейс. Да
МостBridge 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
ФасадFacade Объект, который абстрагирует работу с несколькими классами, объединяя их в единое целое. Да
Единая точка входаFront 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 фактически 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 обязанностей 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
ХранительMemento Позволяет не нарушая инкапсуляцию зафиксировать и сохранить внутренние состояния объекта так, чтобы позднее восстановить его в этих состояниях. Да
Null Object Null Object Предотвращает нулевые указатели, предоставляя объект «по умолчанию». Нет
Наблюдатель или Издатель — подписчикObserver 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[англ.]Servant Используется для обеспечения общей функциональности группе классов. Нет
СпецификацияSpecification Служит для связывания бизнес-логики. Нет
СостояниеState Используется в тех случаях, когда во время выполнения программы объект должен менять своё поведение в зависимости от своего состояния. Да
СтратегияStrategy Предназначен для определения семейства алгоритмов, инкапсуляции каждого из них и обеспечения их взаимозаменяемости. Да
Шаблонный методTemplate method Определяет основу алгоритма и позволяет наследникам переопределять некоторые шаги алгоритма, не изменяя его структуру в целом. Да
ПосетительVisitor 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 Event listener Нет
Одноразовый посетитель[англ.]Single-serving visitor Оптимизирует реализацию шаблона посетитель, который инициализируется, единожды используется, и затем удаляется. Нет
Иерархический посетитель[англ.]Hierarchical visitor Предоставляет способ обхода всех вершин иерархической структуры данных (напр. древовидной). Нет


Частные

Шаблоны параллельного программирования

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

Название Оригинальное название Описание
Активный объектActive object Служит для отделения потока выполнения метода от потока, в котором он был вызван. Использует шаблоны асинхронный вызов методов и планировщик.
Balking[англ.]Balking Служит для выполнения действия над объектом только тогда, когда тот находится в корректном состоянии.
Связывающие свойства[англ.]Binding properties Комбинирует несколько наблюдателей для обеспечения синхронизации свойств в различных объектах[7].
Обмен сообщениями[англ.]Messaging pattern, 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.
Асинхронная модель на основе событий[англ.]Event-Based Asynchronous Адресные проблемы с Асинхронным паттерном, которые возникают в программах с несколькими потоками[8].
Охраняемая приостановка[англ.]Guarded suspension Используется для блокировки выполнения действия над объектом только тогда, когда тот находится в корректном состоянии.
Half-Sync/Half-Async
Leaders/followers
БлокировкаLock Один поток блокирует ресурс для предотвращения доступа или изменения его другими потоками[9].
МониторMonitor Объект, предназначенный для безопасного использования более чем одним потоком.
РеакторReactor Предназначен для синхронной передачи запросов сервису от одного или нескольких источников.
Блокировка чтения-записи[англ.]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[англ.]Предоставляет пул потоков для обработки заданий, представленных обычно в виде очереди.
Thread-Specific Storage[англ.]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.

Шаблоны генерации объектов

Шаблоны программирования гибких объектов

Шаблоны выполнения задач

Шаблоны архитектуры системы

Основная статья: Архитектурный шаблон

Enterprise

  • Active Record — способ доступа к данным реляционных баз данных в объектно-ориентированном программировании.
  • Business Delegate.
  • Composite Entity/Составная Сущность.
  • Composite View.
  • DAO (Data Access Object) Объект Доступа к Данным.
  • Dispatcher View.
  • Front Controller.
  • Intercepting Filter.
  • Registry.
  • Service Activator.
  • Service Locator/Локатор Служб.
  • Service to Worker.
  • Session Facade/Фасад Сессии.
  • Transfer Object Assembler.
  • Transfer Object/Объект Перемещения.
  • Value List Handler/Обработчик Списка Значений.
  • View Helper.
  • Unit of Work.

Шаблоны проектирования потоковой обработки

  • Обработка событий по отдельности
  • Обработка с использованием локального состояния
  • Многоэтапная обработка/повторное разделение на разделы
  • Обработка с применением внешнего справочника: соединение потока данных с таблицей
  • Соединение потоков данных
  • Внеочередные события
  • Повторная обработка

Шаблоны проектирования распределённых систем

Шаблоны Баз Данных

  • Data Mapper
  • Identity Map
  • Unit of Work
  • Lazy Load

Прочие

  • Repository/Хранилище.

Другие типы шаблонов

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
  • Антипаттерны (Anti-Design-Patterns) описывают, как не следует поступать при разработке программ, показывая характерные ошибки в дизайне и в реализации.

См. также

Примечания

  1. ↑ Макконнелл, 2005, с. 100—101.
  2. ↑ Макконнелл, 2005, с. 101.
  3. ↑ Design Patterns in Haskell. Дата обращения: 5 декабря 2014. Архивировано 13 декабря 2014 года.
  4. ↑ Peter Norvig — Design Patterns in Dynamic Languages (slides). Дата обращения: 5 декабря 2014. Архивировано 12 декабря 2014 года.
  5. ↑ Revenge of the Nerds. — «In the OO world you hear a good deal about "patterns". I wonder if these patterns are not sometimes evidence of case (c), the human compiler, at work. When I see patterns in my programs, I consider it a sign of trouble. The shape of a program should reflect only the problem it needs to solve. Any other regularity in the code is a sign, to me at least, that I'm using abstractions that aren't powerful enough-- often that I'm generating by hand the expansions of some macro that I need to write.» Дата обращения: 13 февраля 2015. Архивировано 7 июня 2019 года.
  6. ↑ Абельсон, Сассман. Структура и интерпретация компьютерных программ (SICP).. цитаты: «Можно строить абстракции процедур и данных, можно использовать функции высших порядков, чтобы охватить общие шаблоны их использования, … и можно с легкостью реализовывать встроенные языки.» (с.16); «Одна из тех вещей, которых мы должны требовать от мощного языка программирования — это возможность строить абстракции путём присвоения имен общим схемам, а затем прямо работать с этими абстракциями. … Часто одна и та же схема программы используется с различными процедурами. Для того чтобы выразить эти схемы как понятия, нам нужно строить процедуры, которые принимают другие процедуры как аргументы либо возвращают их как значения.» (с.70); «определение шаблонных схем в виде процедур служит средством абстракции.» (с.263); глава 4.1.5 «Данные как программы» (с.357-360); понятие о «средствах абстракции» и их роли дано на с.25.
  7. ↑ Binding Properties. Дата обращения: 10 марта 2011. Архивировано 11 апреля 2012 года.
  8. ↑ Christian Nagel, Bill Evjen, Jay Glynn, Karli Watson, and Morgan Skinner. Event-based Asynchronous Pattern // Professional C# 2008 (неопр.). — Wiley, 2008. — С. 570—571. — ISBN 9780470191378.
  9. ↑ Lock Pattern. Дата обращения: 10 марта 2011. Архивировано 23 октября 2012 года.
  10. ↑ Interview and Book Excerpt: Dan Haywood’s Domain-Driven Design Using Naked Objects. Дата обращения: 10 июля 2015. Архивировано 3 марта 2021 года.

Литература

  • Zandstra M. PHP Objects, Patterns, and Practice. — 5th Edition. — «Apress», 2016. — С. 583. — ISBN 978-1-4842-1995-9.
  • Зандстра М. PHP. Объекты, шаблоны и методики программирования. — 5-е изд.. — СПб.: «Диалектика», 2019. — С. 736. — ISBN 978-5-907144-54-5.
  • Фаулер, Мартин. Рефакторинг кода на JavaScript: улучшение проекта существующего кода. — 2-е изд.. — СПб.: «Диалектика», 2019. — С. 464. — ISBN 978-5-907144-59-0.
  • Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования = PHP Objects, Patterns and Practice, Third Edition. — 3-е издание. — М.: «Вильямс», 2015. — С. 368. — ISBN 978-5-496-00389-6.
  • Джейсон Мак-Колм Смит. Элементарные шаблоны проектирования = Elemental Design Patterns. — М.: «Вильямс», 2012. — 304 с. — ISBN 978-5-8459-1818-5.
  • Фаулер, Мартин, Бек, Кент, Брант, Джон, Опдайк, Уильям, Робертс, Дон. Рефакторинг: улучшение проекта существующего кода. — М.: «Диалектика», 2019. — 448 с. — ISBN 978-5-9909445-1-0.
  • Мартин Фаулер. Шаблоны корпоративных приложений (Signature Series) = Patterns of Enterprise Application Architecture (Addison-Wesley Signature Series). — М.: «Вильямс», 2012. — 544 с. — ISBN 978-5-8459-1611-2.
  • Марк Гранд. Шаблоны проектирования в JAVA. Каталог популярных шаблонов проектирования, проиллюстрированных при помощи UML = Patterns in Java, Volume 1. A Catalog of Reusable Design Patterns Illustrated with UML. — М.: «Новое знание», 2004. — С. 560. — ISBN 5-94735-047-5.
  • Крэг Ларман. Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования = Applying UML and Patterns : An Introduction to Object-Oriented Analysis and Design and Iterative Development. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 736. — ISBN 0-13-148906-2.
  • Стив Макконнелл. Совершенный код = Code complete. — СПб.: Питер, 2005. — С. 896. — (Мастер-класс). — ISBN 5-7502-0064-7, 5-469-00822-3.

Ссылки