31 мая 2023 г.

10 шаблонов проектирования программного обеспечения, которые должен знать каждый разработчик

Разработка элегантных, надежных и производительных программных приложений всегда сложна, поскольку сфера разработки программных приложений поражена многочисленными проблемами. Создание программы обычно предполагает, что разработчик сталкивается со многими проблемами, которые они должны решить. Эта ситуация известна как проблема в контексте. Решением всегда является шаблон проектирования.

Шаблоны проектирования программного обеспечения – это многократные решения повторяющихся проблем в определенном контексте разработки программного обеспечения. Шаблон проектирования программного обеспечения не является готовым дизайном, который можно напрямую превратить в код; это шаблон для решения типовых задач, которые разработчики могут использовать в различных ситуациях.

Что такое шаблон разработки программного обеспечения?

Патерны проектирования — это универсальные решения проблем, часто возникающих в разработке программного обеспечения. Они напоминают готовые чертежи, которые можно изменить, чтобы решить постоянную проблему дизайна в вашем коде.

Шаблоны проектирования программного обеспечения для веб-разработки предлагают модели и методы разработки и решения регулярных проблем с программным обеспечением и задачами. Внедряя проверенные шаблоны, разработчики программного обеспечения могут создавать расширяемый, гибкий и высококачественный код, демонстрирующий их мастерство.

Шаблоны часто принимаются за алгоритмы, поскольку обе идеи описывают решение определенных проблем. Шаблон проектирования программирования — это описание решения более высокого уровня, чем алгоритм, всегда определяющий отдельный набор шагов, приводящих к определенному результату. Код может отличаться даже при использовании одного шаблона с двумя разными приложениями.

Структура шаблона разработки программного обеспечения

Большинство современных шаблонов проектирования описано обобщенно, чтобы разработчики могли использовать их во многих контекстах. Разделы, составляющие описание шаблона, обычно следующие:

• Цель шаблона описывает как проблему, так и решение.
• Мотивация дополнительно объясняет проблему и то, как шаблон может решить ее.
• Структура классов описывает каждый компонент шаблона и их связь.
• Пример кода на популярном языке программирования облегчает понимание концепции шаблона.

Некоторые списки шаблонов дизайна предоставляют дополнительную полезную информацию, в частности о применимости шаблона, этапах реализации и связях с другими шаблонами.

Типы шаблонов проектирования

Шаблоны разработки программного обеспечения отличаются по сложности, уровню детализации и области применения ко всей системе. Для лучшего понимания это сравнимо со строительством дорог: вы можете сделать пешеходный переход более безопасным, добавив светофоры или построив многоуровневую развязку с пешеходными тоннелями.

Архитектурные паттерны являются наиболее универсальными и высокоуровневыми. Разработчики могут использовать эти шаблоны почти на любом языке. В отличие от других шаблонов, их можно использовать для создания архитектуры всей программы.

Все узоры можно классифицировать по назначению. Три основных типа шаблонов проектирования:

• Шаблоны создания включают методы создания объектов, улучшающих гибкость и повторное использование текущего кода.
• Структурные шаблоны описывают, как поместить классы в более сложные структуры, сохраняя эффективность и гибкость.
• Патерны поведения обеспечивают быстрое общение и распределение функций между объектами.
• Патерны проектирования параллелизма – это шаблоны проектирования программного обеспечения, используемые в многопоточном программировании.

Преимущества шаблонов проектирования

Шаблон проектирования программного обеспечения может ускорить процесс разработки. Он предлагает проверенные парадигмы разработки, экономя время, предотвращая необходимость создания новых шаблонов всякий раз, когда возникает проблема. Использование шаблонов проектирования имеет два основных преимущества.

Во-первых, они предлагают способ решения проблем, связанных с разработкой программного обеспечения с помощью проверенной техники. Решение облегчает создание модулей высокой когезии с небольшим сцеплением. Они отделяют любые потенциальные вариации системных требований, что делает систему легче для понимания и обслуживания.

Во-вторых, шаблоны проектирования улучшают эффективность общения между дизайнерами. При обсуждении дизайна системы профессионалы программного обеспечения могут обратиться к шаблону, используемому для решения конкретной проблемы, и мгновенно визуализировать дизайн высокого уровня в своем сознании.

Лучшие шаблоны проектирования программного обеспечения

Хотя на сегодняшний день обнаружено 26 шаблонов проектирования программного обеспечения, включая 23 шаблона "Банды четырех", только некоторые из них считаются наиболее значимыми или влиятельными. В этом разделе описано 7 лучших шаблонов проектирования программного обеспечения, их значение и соответствующее приложение.

Шаблон Singleton

Singleton — это шаблон разработки программного обеспечения, ограничивающий создание объекта класса отдельным экземпляром. Класс имеет только один экземпляр, который обеспечивает глобальную точку доступа к этому экземпляру.

Это один из известных шаблонов программирования «Банды четырех», объясняющий, как решать повторяющиеся проблемы в объектно-ориентированном программном обеспечении. Шаблон полезен, когда для координации действий в системе требуется только один объект.

Аналогия по реальной жизни

Пример правительства может проиллюстрировать шаблон Синглтона. Легитимное правительство каждой страны всегда в единственном экземпляре. Термин «правительство А» – это глобальная точка доступа, описывающая группу ответственных лиц.

Когда применять?

• Используйте Singleton design+pattern, когда класс должен иметь только один экземпляр, доступный всем клиентам; примером может служить один объект базы данных, совместно используемый различными компонентами программы.
• Используйте шаблон Singleton, если вам нужен более точный контроль над глобальными переменными.

Преимущества:

• Класс имеет один экземпляр
• Вы получаете глобальную точку доступа к этому экземпляру
• Только первые запросы инициализируют одиночный объект.

Недостатки:

• Принцип единой ответственности нарушен. Шаблон одновременно решает две проблемы.
• Шаблон программирования Singleton может скрывать плохой дизайн. Например, когда компоненты программы слишком многое знают друг о друге.

Заводской метод

Фабричный метод, также известный как виртуальный конструктор, позволяет создавать объекты в суперклассе, а подклассы могут изменять тип создаваемых объектов.

При необходимости к фабрике можно добавлять новые классы. На первый взгляд, это изменение может показаться бессмысленным: мы переместили вызов конструктора из одной программной области в другую. Но считайте, что теперь можно изменить класс продуктов, созданный фабричным методом, переопределив его в подклассе.

Используйте заводской метод

• когда вы все еще определяете типы и зависимости объектов, с которыми ваш код должен работать;
• если вы хотите предоставить пользователям вашей библиотеки или фреймворку способ изменять его внутренние компоненты;
• если вы хотите сохранить системные ресурсы, повторно используя существующие объекты, а не перестраивая их каждый раз.

Преимущества

• Между создателем и продуктом нет жесткой связи.
• Принцип единой ответственности. Код создания продукта можно переместить в одно место в программе, которая упростит его обслуживание.
• Принцип открытости/закрытости. Программа может добавлять новые типы продуктов, не изменяя код клиента.

Недостатки:

• Добавление многих новых подклассов для реализации шаблона проектирования программного обеспечения может сделать код более сложным. Сценарий, когда вы вводите шаблон в существующую иерархию классов создателей, является лучшим.

Фасад

Фасад — это структурный шаблон разработки программы, предоставляющий упрощенный интерфейс для сложного набора классов, таких как библиотека, фреймворк или любая другая подсистема с большим количеством движущихся частей.

Это может быть идеальным решением, когда вам нужно интегрировать свое приложение со сложной библиотекой с десятками функций, но вам нужна небольшая часть ее функций.

Шаблон программирования фасада является невероятно эффективным в маркетинговых стратегиях персонализации, поскольку он реагирует на местонахождение или действия клиента, чтобы предоставить каждому пользователю уникальный опыт.

Аналогия по реальной жизни

Когда клиент магазина делает заказы по телефону, оператор службы поддержки является фронтом для всех отделов и услуг магазина. Он предоставляет пользователю простой голосовой интерфейс для платежных шлюзов, систему заказа и службы доставки.

Примените узор фасада

• когда вам нужен простой, но ограниченный интерфейс для сложной подсистемы.
• Если необходимо расслоить структуру подсистемы.

Преимущества

• Вы можете отделить свой код от сложности подсистемы.

Недостатки

• Фасады имеют потенциал превращаться в божественные объекты, связанные с каждым классом программы.

Стратегия

Иногда его называют шаблоном политики, шаблон проектирования стратегии позволяет определить семейство алгоритмов, разделить каждый алгоритм на другой класс и сделать объекты каждого класса взаимозаменяемыми. Например, группу алгоритмов можно использовать для сортировки продуктов на веб-сайте электронной коммерции по таким факторам, как размер, цвет, цена и т.д. На основе поведения клиента стратегия реализуется на практике.

Стратегический дизайн+шаблон — простой шаблон проектирования для маркетинговых стратегий персонализации. Чтобы предоставить каждому пользователю уникальный опыт, шаблон разработки стратегии реагирует на расположение клиента, введенные данные или действия.

Аналогия по реальной жизни

Подумайте о том, что вам придется ехать в аэропорт. Вы можете прокатиться на велосипеде, заказать такси или сесть в автобус. Это ваши средства передвижения. Вы можете выбрать одну из стратегий в зависимости от таких факторов, как ваш бюджет и временные ограничения.

Используйте шаблон стратегии

• когда вам нужно использовать различные варианты алгоритма в объекте и иметь возможность переключаться между ними при использовании объекта.
• когда большое количество тесно связанных классов отличается только тем, как они выполняют определенное поведение.
• чтобы отделить детали реализации алгоритма от его бизнес-логики, что может быть менее критично.

Преимущества

• Во время выполнения вы можете изменить алгоритмы, используемые внутри объекта.
• Вы можете отделить специфику реализации алгоритма от использующего его кода.
• Вы можете использовать композицию вместо наследования.

Недостатки

• Не нужно добавлять новые классы и интерфейсы в программу, связанную с шаблоном, если у вас есть несколько алгоритмов, и они лишь незначительно изменяются.
• Чтобы выбрать лучшую стратегию, клиенты должны знать об их отличиях.

Наблюдатель

Наблюдатель — это поведенческий шаблон разработки программного обеспечения, позволяющий указать механизм подписки для оповещения нескольких объектов о любых событиях, влияющих на объект, за которым они наблюдают.

Шаблон программирования наблюдателя устанавливает связь «один ко многим» между объектом (субъектом) и зависимыми лицами (наблюдателями). Испытуемый информируется всякий раз, когда один из наблюдателей меняется.

Любое программирование, управляемое событиями, например уведомление пользователя о новом комментарии в Facebook или отправка электронного письма, когда товар отправляется, может извлечь выгоду из использования шаблона дизайна наблюдателя.

Аналогия по реальной жизни

Если вы подписались на газету или журнал, вы можете не идти в магазин, чтобы проверить, есть ли будущий номер. Вместо этого издатель доставляет свежие выпуски прямо в ваш почтовый ящик.

Список подписчиков хранится в файле, и издатель знает их предпочтения в журнале. Если подписчики больше не хотят, чтобы издатель отправлял им новые выпуски журнала, они могут никогда не удалить свои имена из списка.

Примените шаблон наблюдателя

• когда набор объектов динамически меняется или заранее неизвестен, а изменение состояния одного объекта может потребовать изменения состояний других объектов.
• в определенных ситуациях или в течение короткого периода некоторые объекты в вашей программе должны наблюдать за другими.

Преимущества

• Принцип открытости/закрытости. Вы можете добавлять новые классы подписчиков, не внося изменений в код издателя, если есть интерфейс издателя.
• Во время выполнения вы можете создавать связи между объектами.

Недостатки

• Сообщение подписчиков происходит в произвольном порядке.

Конструктор

Builder — это шаблон проектирования творческой программы, позволяющий строить сложные объекты по частям. Используя тот же код конструкции, шаблон позволяет создавать разные типы объектов и представления.

Паттерн конструктора вызывает только шаги, необходимые для каждой итерации объекта, поскольку он создается в серии последовательных шагов.

Патерн разделяет процесс создания объекта на несколько этапов (buildWalls, buildDoor и т.д.). Немаловажным моментом является то, что не все шаги нужно вызвать. Могут быть вызваны только процессы, необходимые для создания конкретной конфигурации объекта.

Используйте шаблон Builder

• устранить "телескопический конструктор".
• когда вам нужно, чтобы ваш код создавал разные представления определенного продукта.
• собирать сложные объекты, например деревья.

Преимущества

• У вас есть три варианта создания объектов: последовательное, асинхронное или рекурсивное.
• Вы можете применить один и тот же конструктивный код к различным изображениям продукта.
• Принцип единой ответственности. Вы можете отделить бизнес-логику продукта от кода сложной конструкции.

Недостатки

• Поскольку шаблон требует создания многих новых классов, общая сложность кода растет.

Адаптер

Адаптер — структурный шаблон проектирования, обеспечивающий взаимодействие между объектами с несовместимыми интерфейсами.

Адаптер окутывает один из объектов, чтобы скрыть сложное преобразование за кулисами. Обернутый объект даже не знает, что он находится в адаптивной обертке. Как пример, вы можете поместить устройство, использующее метры и километры, в адаптер, который превращает всю информацию в имперские единицы, например футы и мили.

Аналогия по реальной жизни

Вы можете быть удивлены, когда попытаетесь зарядить свой ноутбук во время первого посещения Европы из США. В разных странах существуют разные стандарты для вилок и розеток. Поэтому немецкая розетка не принимает вашу американскую вилку. Адаптер питания с розетками американского и европейского образцов может решить проблему.

Используйте шаблон адаптера

• если вы используете существующий класс, интерфейс которого конфликтует с вашим кодом.
• при создании класса среднего уровня, действующего как транслятор между кодом и устаревшим классом, классом третьей стороны или любым другим классом с несовместимым интерфейсом.
• если вы хотите повторно использовать многие уже существующие подклассы, которые не имеют общей функции и непригодны для включения в суперкласс.

Преимущества шаблона адаптера

Принцип единой ответственности. Вы можете оставить интерфейс или код преобразования данных отдельно от основной бизнес-логики программы. Открытый/закрытый принцип. Вы можете добавлять новые типы адаптеров в программу, не вызывая неисправности кода текущего клиента.

Недостатки шаблона адаптера

Поскольку вам нужно добавить много новых классов и интерфейсов, общая сложность кода растет. Иногда проще обновить класс обслуживания, чтобы он соответствовал остальному коду.

Архитектурные шаблоны против шаблонов проектирования

Патерны архитектуры устанавливают физическое расположение компонентов, диктуют, как они должны взаимодействовать друг с другом, и, наконец, решают, какие инструменты следует использовать для создания компонентов.

Шаблоны проектирования в архитектуре программного обеспечения должны детально разбираться в том, как реализовать отдельные компоненты, в то время как шаблоны архитектуры больше сосредотачиваются на общей картине. Классы, интерфейсы, абстрактные классы и другие функции ориентированной ориентировки используются в дизайне компонентов для выполнения задач, определенных для каждого компонента.

Программные системы построены в соответствии с архитектурными шаблонами. Шаблоны проектирования решают повторяющиеся проблемы в проектировании программного обеспечения.

Патерны архитектуры против шаблонов проектирования:

• Архитектура возникает на этапе проектирования, а модели проектирования - на этапе строительства.
• Паттерн проектирования — это фактическая реализация, тогда как архитектурный шаблон — это как проект.
• Архитектура служит основой, на которой строятся все остальные элементы, а шаблоны проектирования организуют классы для решения общих проблем.

Заключительные мнения

Наличие опытной команды является ключом к знанию, когда использовать шаблоны разработки программного обеспечения, а когда нет, и как эффективно внедрять каждый шаблон.

Stfalcon является ведущей компанией по разработке программного обеспечения с 13-летним опытом. Мы ставим приоритетом для установления прочных отношений с нашими клиентами и создания программного обеспечения, которым ваша компания с удовольствием будет пользоваться.

Если вы ищете специальную команду разработчиков программного обеспечения, которая воплотит вашу идею в код, свяжитесь с нами, чтобы получить бесплатную консультацию наших специалистов.