Шаблоны проектирования программного обеспечения. Шаблоны программирования на примере Java

Материал статьи для уровня Beginners. Здесь не будет Moose, только чистый Perl. Предполагается, что какое-то ООП в Perl уже знакомо

Паттерны это стандартные приемы, решающие небольшую конкретную задачу. Это не инструкция, как писать код, а схема или принцип организации кода, модулей и т. п. Уверена, что если вы их не знаете на уровне диаграмм UML, то встречали в коде. Этот небольшой обзор познакомит с самыми простыми, полезными и часто используемыми паттернами.

Singleton (Одиночка)

Порождающий паттерн. Используется в случае, когда в системе должен быть только один экземпляр какого-то класса. Например, подключение к базе, распарсенный файл конфигурации и т. д. Но при этом вы не хотите таскать с собой какие-то глобальные переменные. Невероятно удобен для отложенных инициализаций тех же конфигов.

Реализация

Пусть у нас будет какой-то абстрактный класс с именем MyClass .

Package MyClass; use strict; our $singleton = undef; sub new { my $class = shift; return $singleton if defined $singleton; my $self = {}; $singleton = bless($self, $class); $singleton->init(); return $singleton; } # other methods sub init { #... } 1;

$singleton->init(); - вот тут, к примеру, проводится какая-то инициализация (либо она может быть отложена до вызова конкретных функций).

Пример использования

use MyClass; use strict; sub f { print MyClass->new()->{name}, "\n"; } sub f2 { print MyClass->new()->{name}, "\n"; } my $obj = MyClass->new(); $obj->{name} = "Bob"; # это не ООП! f(); f2(); $obj->{name} = "Mike"; # и это тоже f(); f2();

На выходе

Bob Bob Mike Mike

В результате вызова функций f() и f2() мы получим один и тот же созданный объект, ссылка на который хранится у нас в $MyClass::singleton , с ней можно работать напрямую, но это моветон и делать так не надо (за исключением ситуаций, когда требуется высокая производительность, а использование аксессоров создаёт ощутимые накладные расходы).

Таким образом, можно в любом месте кода создавать объект через конструктор и не волноваться, что он каждый раз будет создаваться заново.

На CPAN, кстати, есть Class::Singleton , MooseX::Singleton , Apache::Singleton и еще куча других.

Abstract Factory (Абстрактная фабрика)

Порождающий паттерн. Берет на себя ответственность за создание объекта нужного класса. Мы просто обращаемся к ее конструктору, а какой нам вернуть объект, фабрика решает сама. Создаваемые объекты, конечно, должны быть из одного семейства и иметь идентичный интерфейс. То есть, они должны быть взаимозаменяемыми.

В качестве примеров использования: в номере 21 в статье паттерн использован для создания объекта-логгера в зависимости от способа вывода: либо stderr, либо file. В более бизнесовом мире встречаются разные способы доставки (там все одинаковое, но разные формочки, разные коэффициенты какие-нибудь), разные форматы прайсов от поставщиков (у кого-то Excel, у кого-то XML), разные способы отправки уведомлений (e-mail, SMS).

У меня будет пример очень абстрактный, но очень понятный. Допустим, у нас есть ферма с животными. Нам, с точки зрения логики, все равно, какое животное будет создано, мы только задаем в параметрах, сколько у него ног. (В реальности значение количества ног мы получаем из внешнего конфига, а не задаем в коде).

Пример использования

use AnimalFactory; my $animal_one = AnimalFactory->new(legs => 2); print ref $animal_one, "\n"; my $animal_two = AnimalFactory->new(legs => 4); print ref $animal_two, "\n"; $animal_one->walk(); $animal_two->walk();

На выходе

Chicken Cow

Реализация

package AnimalFactory; use Chicken; use Cow; sub new { my $class = shift; my $opt = {@_}; return Cow->new() if $opt->{legs} == 4; return Chicken->new() if $opt->{legs} == 2; } 1;

Тут важно понимать, что обращаясь к конструктору AnimalFactory, мы получаем объект класса вовсе не AnimalFactory, а того, который она решит создать.

Если нам понадобится класс Snake , то мы просто добавим логику его создания в AnimalFactory , как-нибудь так:

Return Snake->new() if $opt->{legs} == 0;

Если вдруг Cow нужно будет заменить на Horse , это нужно будет сделать только в одном месте - в AnimalFactory , не затрагивая других участков кода.

Абстрактную фабрику стоит использовать там, где класс объекта зависит от каких-нибудь внешних факторов: пользовательских настроек, версии браузера, ОС и т. п.

(В некоторых случаях не очень хорошо, что мы подгружаем все возможные классы сразу через use , это можно изменить: внести внутрь конструктора и подключать классы через require уже после анализа параметров и до создания конкретного объекта.)

Template Method (Шаблонный метод)

Паттерн поведения. Паттерн используется для определения основного алгоритма для всех подклассов. Берем алгоритм, делим его на много мелких этапов, пишем в базовом классе, а все подклассы реализуют различающиеся части.

Самый простой пример: импорт товаров от поставщика. Нужно распарсить файл, пройти по всем товарам от поставщика, если товар найден - обновить его, если не найден - создать, подсчитать конечную стоимость, записать операцию с товаром в журнал, проделать что-нибудь еще с чем-нибудь.

Использование

my $import = ImportFactory->new(type => "Bekka"); $import->do;

(Здесь я использую фабрику для создания нужного мне объекта по имени поставщика, от которого загружается файл.)

Но можно обойтись и без фабрики, а сделать вот так (хотя гибкость это явно снижает, но она и не всегда такая нужна):

My $type = "Bekka"; my $import = $type->new(); $import->do;

Реализация

Допустим, у меня тут два поставщика: Bekka

Package Bekka; use base "Import"; sub parse { # parse Excel } sub count_price { # price * 2 } 1;

который присылает файлы в Excel, и у которого цену из файла нужно увеличивать в два раза.

И Pukka , у которого файлы в XML, а цену нужно делить пополам:

Package Pukka; use base "Import"; sub parse { # parse XML } sub count_price { # price / 2 } 1;

Оба эти класса имеют родителя Import , который и описывает основной алгоритм загрузки файла (sub do). В нем определяются все используемые методы, но работающие по какому-то умолчанию. (У методов, конечно, еще есть какой-нибудь код, но здесь он не нужен, поэтому его не привожу.)

Package Import; ... sub do { my $self = shift; $self->parse(); while ($self->next) { if ($self->find) { $self->update; } else { $self->insert; } $self->count_price; $self->log; } $self->finish; } sub next; sub find; sub update; sub insert; sub count_price { my $self = shift; # use original price } 1;

Получается: фабрика создает нам объект нужного класса, основываясь на имени поставщика. Базовый объект для него описывает весь процесс импорта товара от любого поставщика. Объект конкретного класса переопределяет те методы, которые ему не подходят, на свою реализацию - в нашем случае методы count_price и parse .

Метод do из класса Import и есть наш шаблонный метод - он описывает шаблон поведения. И вовсе необязательно, что он должен его реализовывать. В реальности сложно найти задачи такого плана, которые могут быть удовлетворены поведением по умолчанию.

Удобно использовать констукцию can для методов, которые не обязательно должны быть в базовом классе, но могут быть в подклассах: $self->do_smth if $self->can("do_smth") , тогда метод будет вызваться только в том случае, если он реально определен. Это избавит от кучи пустого кода, а также позволяет писать довольно удобно хуки, типа:

$self->before_update() if $self->can("before_update"); $self->update(); $self->after_update() if $self->can("after_update");

Strategy (Стратегия)

Паттерн поведения. Другое название - Политика. Используется для взаимозаменяемости алгоритмов или их фрагментов. Например, когда у нас есть разные способы расчета скидки на заказ. (Пример высосан из пальца, и для таких случаев делать подобные схемы - роскошь. Но он прост и понятен.)

Использование

use DiscountFactory; use Order; my $order = Order->new(); $order->{summa} = 200; # так делать - не ООП! Это только для примера my $discounter = DiscountFactory->new(type => "Visa"); print $order->get_summa(discounter => $discounter), "\n"; $discounter = DiscountFactory->new(type => "yandex"); print $order->get_summa(discounter => $discounter), "\n";

На выходе

Реализация

Класс Заказ

Package Order; sub new { return bless {}, shift } sub get_summa { my $self = shift; my $opt = {@_}; my $summa = $opt->{discounter}->do(summa => $self->{ summa }); return $summa; } 1;

Фабрика DiscountFactory (ее кода здесь нет, там все как и в обычной фабрике) возвращает объекты класса либо DiscountVisa , либо DiscountYM:

Package DiscountVisa; sub new { return bless {}, shift } sub do { my $self = shift; my $opt = {@_}; # Здесь я позволила себе использовать # «магическое число» --- это только для наглядности # примера. Так делать плохо. return $opt->{summa} * (1 - 0.02); } package DiscountYM; sub new { return bless {}, shift } sub do { my $self = shift; my $opt = {@_}; return $opt->{summa} * (1 + 0.05); } 1;

В классе Order у нас есть метод get_summa , который возвращает конечную стоимость заказа, но он должен учитывать и скидку на заказ. А скидка на заказ определяется способом оплаты заказа.

my $discounter = DiscountFactory->new(type => "Visa") - создали наш объект-дискаунтер, который знает, как считать скидку при оплате картой Visa.

$order->get_summa(discounter => $discounter) - вызываем метод для получения итоговой стоимости заказа, передавая туда нашу «стратегию» расчета скидки.

my $summa = $opt->{discounter}->do(summa => $self->{ summa }); - в методе get_summa мы вызываем операцию применения скидки к нашей базовой стоимости заказа.

То есть, мы передаем стратегию расчета скидки для заказа в качестве параметра. Эту же стратегию мы можем в дальнейшем использовать и в других функциях, работающих со стоимостью заказа, заменять ее, не меняя остальной код.

На деле все очень просто, в следующей статье обязательно расскажу про другие очень используемые паттерны с чуть более сложной реализацией.

←

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.

Классификация паттернов

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 проектирования программных систем делятся на следующие категории:

Архитектурные паттерны

Паттерны проектирования

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.

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.

Описание паттернов

Задача каждого паттерна - дать четкое описание проблемы и ее решения в соответствующей области. Для этого могут использоваться разные форматы описаний от художественно-описательного до строгого, академического. В общем случае описание паттерна всегда содержит следующие элементы:

Название паттерна. Представляет собой уникальное смысловое имя, однозначно определяющее данную задачу или проблему и ее решение.

Решаемая задача. Здесь дается понимание того, почему решаемая проблема действительно является таковой, четко описывает ее границы.

Решение. Здесь указывается, как именно данное решение связано с проблемой, приводится пути ее решения.

Результаты использования паттерна. Обычно приводятся достоинства, недостатки и компромиссы.

Результаты применения паттернов

Они (паттерны) позволяют суммировать опыт экспертов и сделать его доступным рядовым разработчикам.

Имена паттернов образуют своего рода словарь, который позволяет разработчикам лучше понимать друг друга.

Если в документации системы указано, какие паттерны в ней используются, это позволяет читателю быстрее понять систему.

Паттерны упрощают реструктуризацию системы независимо от того, использовались ли паттерны при ее проектировании.

Правильно выбранные паттерны проектирования позволяют сделать программную систему более гибкой, ее легче поддерживать и модифицировать, а код такой системы в большей степени соответствует концепции повторного использования.

http://citforum.ru/SE/project/pattern/#3

Типы шаблонов проектирования

Основные

Шаблон делегирования

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, Прототип, Строитель

Структурные шаблоны (Structural ) определяют различные сложные структуры, которые изменяют интерфейс уже существующих объектов или его реализацию, позволяя облегчить разработку и оптимизировать программу.

Адаптер, Мост, Приспособленец, Заместитель

Поведенческие шаблоны (Behavioral ) определяют взаимодействие между объектами, увеличивая таким образом его гибкость.

Стратегия, Состояние

Concurrency - Параллелизм

Частные

Шаблоны параллельного программирования (Concurrency)

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

Лучшие книги о шаблонах проектирования, рассчитанные как для новичков, так и для уже более опытных программистов.

1. Тепляков С. - Паттерны проектирования на платформе.NET

В книге каждый паттерн «разжевывается», демонстрируются несколько способов реализации от классического до более подходящих для платформы.NET. Много ссылок на статьи и книги других авторов, в том числе по другим темам. Книга изначально заточена под C#, дает лучшие варианты реализаций паттернов на нём и примеры, в каких местах.NET framework они используются. В отличие от заумных талмудов архитектурных астронавтов прошлого тут всего 300 страниц. Знания даются исключительно компактно и всегда по делу.

2. Эрик Фримен, Элизабет Фримен, Кэтти Сьерра, Берт Бейтс - Паттерны проектирования

В отличие от книги «Банды четырех», которая написана очень тяжело для начинающего, книга более подходит для новичка. Всё расписано, разжёвано, с примерами. Язык книги очень простой, первые 100 страниц читаются на одном дыхании. Очень своеобразный стиль изложения материала, характерный для книг серии Head First. Книга представляет собой новый подход к написанию технической литературы, которая теперь сочетает в себе элементы художественной.

3. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. - Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования

4. Дастин Босуэлл, Тревор Фаучер - Читаемый код, или Программирование как искусство

Издание очень информативно: включает обилие функций и переменных, примеры кодов на различных языках, развёрнутое решение задач и советы по улучшению процесса программирования. Встречаются многие элементарные вещи, но даже о них можно усвоить что-то новое. Книга, которую следует просмотреть каждому, кто пишет код в расчете на то, что его придется поддерживать.

В паттерне "Модель - представление - контроллер " модель представляет данные приложения и связанную с ними бизнес-логику. Модель может быть представлена одним объектом или сложным графом связанных объектов. В приложении для плат­формы Java ЕЕ данные инкапсулируются в объектах предметной области, часто раз­вертываемых в EJB-модуле. Данные передаются в БД и из нее в объектах передачи данных (ОТО), и к ним обращаются с помощью объектов доступа к данным (ОАО).

Представление - это наглядное отображение содержащихся в модели данных.Подмножество модели содержится в отдельном представлении, таким образом, представление действует в качества фильтра для данных модели. Пользователь взаимодействует с данными модели с помощью предлагаемого представлением наглядного отображения и обращается к бизнес логике, которая, в свою очередь, воздействует на данные модели.

Язык Jаvа обеспечивает готовую для использования реализацию паттерна "Наблю­датель" . Разработчики легко могут реализовать этот паттерн с помощью интерфей­са Observer и расширения класса Observable .

Первое, что нам необходимо сделать - это создать класс, расширяющий класс Observable. В следующем примере когда новостное агентство оповещает несколько типов подпис­чиков в момент публикации нового материала. Подписчик может добавить соб­ственное поведение после получения обновления.

Язык Jаvа с самого начала поддерживал потоки, которые вы легко можете исполь­зовать для выполнения асинхронного кода :

public class AsyncRunnable implements Runnable { public void run() { System.out.println("Running!"); } }

public class AsyncRunnable implements Runnable { public void run () { System . out . println ("Running!" ) ;

Для выполнения класса Runnable инициализируйте его в потоке и вызовите метод run , обратившись к методу start() только что созданного потока.

Опубликовано в | Метки , | |

Паттерн программирования "Асинхронность " - особый, хорошо интегрирован­ный случай множественных потоков. Вследствие самой сущности потоков много­ поточные модели нуждаются в системах уведомления и зависят от шаблонного кода для запуска потоков.

Асинхронные обращения используются даже в одногопоточных средах, таких как NodeJS. Почти все пользовательские интерфейсы поддерживают асинхронное выполнение для удержания UI в активном, реагирующем на действия пользовате­ля состоянии.

Тем не менее асинхронное программирование может быть полезным и в других местах, помимо пользовательских интерфейсов, обычно на серверной стороне. Hи J2SE , ни J2ЕЕ не предоставляли встроенной "легкой" реализации для асинхрон­ного программирования.

Опубликовано в | Метки , | |

Паттерн "Декоратор" Java динамически добавляет объекту поведение во время выпол­нения или тогда, когда невозможно или нецелесообразно создавать производные классы (возможно, потому, что при этом создаются множественные подклассы).

Показывает, как добавить поведение к объекту пиццы во вре­мя выполнения на основе сделанного посетителем выбора.

Функциональность интерфейса программирования приложений (API ) может быть расширена и усовершенствована посредством оборачивания в декоратор. Подобным образом часто декорируются потоки данных. java.iо.BufferedInputStream - хороший пример декоратора, оборачивающего низкоуровневое API и добавля­ющего функциональность буферу потока ввода.

Что такое паттерн программирования?

В процессе разработки программного обеспечения очень часто встречаются одни и те же проблемы и задачи, очень часто они даже не зависят от того, какой конкретно язык программирования используется. Для таких проблем существуют известные способы решения, хорошо зарекомендовавшие и ставшие обычными. Такие решения и принято называть паттернами программирования (шаблонами проектирования и т.п.). Паттерн программирования - это независимая от языка стратегия решения проблем при разработке средствами ООП. Если вы разработчик, то вам следует знать названия распространенных шаблонов. Изучение паттернов помогает обмениваться информацией с другими разработчиками более эффективно за счет использования общих терминов. В действительности, вы скорее всего уже знакомы с некоторыми шаблонами, просто, возможно, не используете общеизвестные названия для этих приемов.

Должен ли я пользоваться шаблонами проектирования?

Ну, если вы хотите стать профессиональным Java-разработчиком, то вам следует знать по крайней мере популярные решения встречающихся проблем. Эти решения были отточены и улучшены опытными программистами. Как только вы освоите их, вы начнете получать от них пользу и сделаете огромный скачок на пути становления мастером проектирования и разработки. Более того, вы сможете использовать эти термины для более эффективного общения с вашими коллегами.

Многие программисты с многолетним опытом работы не знают паттерны программирования, но как ООП-программист, вы должны их хорошо знать, особенно это касается новоиспеченных Java-программистов. Вообще-то, когда вы решаете задачу программирования, вы пользуетесь паттерном проектирования. И если вы не знаете паттернов, то не можете использовать понятное другим название того приема, которым воспользовались, чтобы описать его, вы также не можете выбрать более эффективный путь для того, чтобы проконтролировать то, что создали. Изучение того, как опытные программисты решают задачи программирования и попытки использовать эти знания в вашем проекте - это лучший путь для получения нового опыта и сертификации.

Помните - изучение паттернов изменит ваш стиль написания кода; вы не только будете образованнее, вы также будете выглядеть более образованными.

Сколько всего шаблонов программирования?

Много. Всего насчитывается по крайней мере 250 паттернов, используемых в мире ООП, включая Спагетти, который относится к небольшим привычкам. Широко известны 23 паттерна программирования, и еще больше станет известно по пути.

Заметьте, что паттерны - это не идиомы и алгоритмы и не компоненты.

Каковы взаимосвязи между этими паттернами?

Вообще, чтобы построить систему, вам может понадобиться совместить много паттернов вместе. Разные разработчики могут решать одну и ту же проблему используя разные паттерны. Обычно:

• Некоторые паттерны естественным образом подходят друг к другу.
• Один паттерн вытекает из другого.
• Некоторые паттерны похожи или альтернативны
• Новые паттерны можно обнаружить и задокументировать
• Паттерны - это не методы, не фреймворки.
• Паттерны дают вам намек на то, как решить проблему эффективным способом.