31 травня 2023 р.

10 шаблонів проектування програмного забезпечення, які повинен знати кожен розробник

Розробка елегантних, надійних і продуктивних програмних додатків завжди складна, оскільки сфера розробки програмних додатків уражена численними проблемами. Створення програми зазвичай передбачає, що розробник стикається з багатьма проблемами, які вони повинен вирішити. Ця ситуація відома як проблема в контексті. Рішенням завжди є шаблон проектування.

Шаблони проектування програмного забезпечення – це багаторазові рішення повторюваних проблем у певному контексті розробки програмного забезпечення. Шаблон проектування програмного забезпечення не є готовим дизайном, який можна безпосередньо перетворити на код; це шаблон для вирішення типових задач, які розробники можуть застосовувати в різних ситуаціях.

Що таке шаблон розробки програмного забезпечення?

Патерни проектування — це універсальні рішення проблем, які часто виникають у розробці програмного забезпечення. Вони нагадують готові креслення, які ви можете змінити, щоб вирішити постійну проблему дизайну у вашому коді.

Шаблони проектування програмного забезпечення для веб-розробки пропонують моделі та методи розробки та вирішення регулярних проблем із програмним забезпеченням і завдань. Впроваджуючи перевірені шаблони, розробники програмного забезпечення можуть створювати розширюваний, гнучкий і високоякісний код, який демонструє їхню майстерність.

Шаблони часто приймають за алгоритми, оскільки обидві ідеї описують вирішення певних проблем. Шаблон проектування програмування — це опис рішення вищого рівня, ніж алгоритм, який завжди визначає окремий набір кроків, які призводять до певного результату. Код може відрізнятися навіть у разі використання одного шаблону з двома різними програмами.

Структура шаблону розробки програмного забезпечення

Більшість сучасних шаблонів проектування описано узагальнено, щоб розробники могли використовувати їх у багатьох контекстах. Розділи, які складають опис шаблону, зазвичай такі:

• Мета шаблону описує як проблему, так і рішення.
• Мотивація додатково пояснює проблему та те, як шаблон може її вирішити.
• Структура класів описує кожен компонент шаблону та їх зв’язок.
• Приклад коду на популярній мові програмування полегшує розуміння концепції шаблону.

Деякі списки шаблонів дизайну надають додаткову корисну інформацію, зокрема про застосовність шаблону, етапи реалізації та зв’язки з іншими шаблонами.

Типи шаблонів проектування

Шаблони розробки програмного забезпечення відрізняються за складністю, рівнем деталізації та сферою застосування до всієї системи. Для кращого розуміння це можна порівняти з будівництвом доріг: ви можете зробити пішохідний перехід безпечнішим, додавши світлофори або побудувавши багаторівневу розв’язку з пішохідними тунелями.

Архітектурні патерни є найбільш універсальними та високорівневими. Розробники можуть використовувати ці шаблони майже будь-якою мовою. На відміну від інших шаблонів, їх можна використовувати для створення архітектури всієї програми.

Усі візерунки також можна класифікувати за призначенням. Три основні типи шаблонів проектування:

• Шаблони створення включають методи створення об’єктів, які покращують гнучкість і повторне використання поточного коду.
• Структурні шаблони описують, як помістити класи в більш складні структури, зберігаючи ефективність і гнучкість.
• Патерни поведінки забезпечують швидке спілкування та розподіл функцій між об’єктами.
• Патерни проектування паралелізму – це шаблони проектування програмного забезпечення, які використовуються в багатопоточному програмуванні.

Переваги шаблонів проектування

Шаблон проектування програмного забезпечення може пришвидшити процес розробки. Він пропонує перевірені парадигми розробки, заощаджуючи час, запобігаючи необхідності створювати нові шаблони кожного разу, коли виникає проблема. Використання шаблонів проектування має дві основні переваги.

По-перше, вони пропонують спосіб вирішення проблем, пов’язаних із розробкою програмного забезпечення, за допомогою перевіреної техніки. Рішення полегшує створення модулів високої когезії з невеликим зчепленням. Вони відокремлюють будь-які потенційні варіації системних вимог, що робить всю систему легшою для розуміння та обслуговування.

По-друге, шаблони проектування покращують ефективність спілкування між дизайнерами. Під час обговорення дизайну системи професіонали програмного забезпечення можуть звернутися до шаблону, який використовується для вирішення конкретної проблеми, і миттєво візуалізувати дизайн високого рівня у своїй свідомості.

Найкращі шаблони проектування програмного забезпечення

Хоча на сьогоднішній день виявлено 26 шаблонів проектування програмного забезпечення, включаючи 23 шаблони "Банди чотирьох", лише деякі з них вважаються найбільш значущими чи впливовими. У цьому розділі описано 7 найкращих шаблонів проектування програмного забезпечення, їхнє значення та відповідне застосування.

Шаблон Singleton

Singleton — це шаблон розробки програмного забезпечення, який обмежує створення об’єкта класу окремим екземпляром. Клас має лише один екземпляр, що забезпечує глобальну точку доступу до цього екземпляра.

Це один із відомих шаблонів програмування «Банди чотирьох», який пояснює, як вирішувати повторювані проблеми в об’єктно-орієнтованому програмному забезпеченні. Шаблон корисний, коли для координації дій у системі потрібен лише один об’єкт.

Аналогія з реального життя

Приклад уряду може проілюструвати шаблон Сінглтона. Легітимний уряд кожної країни завжди в єдиному екземплярі. Термін «уряд А» — це глобальна точка доступу, що описує групу відповідальних осіб.

Коли застосовувати?

• Використовуйте Singleton design+pattern, коли клас має мати лише один екземпляр, доступний для всіх клієнтів; прикладом може бути один об’єкт бази даних, який спільно використовується різними компонентами програми.
• Використовуйте шаблон Singleton, якщо вам потрібен більш точний контроль над глобальними змінними.

Переваги:

• Клас має один екземпляр
• Ви отримуєте глобальну точку доступу до цього екземпляра
• Лише перші запити ініціалізують одиночний об’єкт.

Недоліки:

• Принцип єдиної відповідальності порушено. Шаблон одночасно вирішує дві проблеми.
• Шаблон програмування Singleton може приховувати поганий дизайн. Наприклад, коли компоненти програми занадто багато знають один про одного.

Заводський метод

Фабричний метод, також відомий як віртуальний конструктор, дозволяє створювати об’єкти в суперкласі, а підкласи можуть змінювати тип створюваних об’єктів.

За потреби до фабрики можна додавати нові класи. На перший погляд ця зміна може здатися безглуздою: ми перемістили виклик конструктора з однієї програмної області в іншу. Але вважайте, що тепер ви можете змінити клас продуктів, створений фабричним методом, перевизначивши його в підкласі.

Використовуйте заводський метод

• коли ви все ще визначаєте типи та залежності об’єктів, з якими ваш код має працювати;
• коли ви хочете надати користувачам вашої бібліотеки чи фреймворку спосіб змінювати його внутрішні компоненти;
• коли ви хочете зберегти системні ресурси, повторно використовуючи існуючі об’єкти, а не перебудовуючи їх щоразу.

Переваги

• Між творцем і продуктом немає жорсткого зв’язку.
• Принцип єдиної відповідальності. Код створення продукту можна перемістити в одне місце в програмі, що спростить його обслуговування.
• Принцип відкритості/закритості. Програма може додавати нові типи продуктів, не змінюючи код клієнта.

Недоліки:

• Додавання багатьох нових підкласів для реалізації шаблону проектування програмного забезпечення може зробити код складнішим. Сценарій, коли ви вводите шаблон в існуючу ієрархію класів творців, є найкращим.

Фасад

Фасад — це структурний шаблон розробки програми, який надає спрощений інтерфейс для складного набору класів, як-от бібліотека, фреймворк або будь-яка інша підсистема з великою кількістю рухомих частин.

Це може бути ідеальним рішенням, коли вам потрібно інтегрувати свою програму зі складною бібліотекою з десятками функцій, але вам потрібна невелика частина її функцій.

Шаблон програмування фасаду є неймовірно ефективним у маркетингових стратегіях персоналізації, оскільки він реагує на місцезнаходження або дії клієнта, щоб надати кожному користувачеві унікальний досвід.

Аналогія з реального життя

Коли клієнт магазину робить замовлення по телефону, оператор служби підтримки є фронтом для всіх відділів і послуг магазину. Він надає користувачеві простий голосовий інтерфейс для платіжних шлюзів, систему замовлення та служби доставки.

Застосуйте візерунок фасаду

• коли вам потрібен простий, але обмежений інтерфейс для складної підсистеми.
• Якщо потрібно розшарувати структуру підсистеми.

Переваги

• Ви можете відокремити свій код від складності підсистеми.

Недоліки

• Фасади мають потенціал перетворюватися на божественні об’єкти, пов’язані з кожним класом програми.

Стратегія

Іноді його називають шаблоном політики, шаблон проектування стратегії дає змогу визначити сімейство алгоритмів, розділити кожен алгоритм на інший клас і зробити об’єкти кожного класу взаємозамінними. Наприклад, групу алгоритмів можна використовувати для «сортування» продуктів на веб-сайті електронної комерції за такими факторами, як розмір, колір, ціна тощо. На основі поведінки клієнта стратегія реалізується на практиці.

Стратегічний дизайн+шаблон — це простий шаблон проектування для маркетингових стратегій персоналізації. Щоб надати кожному користувачеві унікальний досвід, шаблон розробки стратегії реагує на місце розташування клієнта, введені дані або дії.

Аналогія з реального життя

Подумайте про те, що вам доведеться їхати в аеропорт. Ви можете покататися на велосипеді, замовити таксі або сісти в автобус. Це ваші засоби пересування. Ви можете вибрати одну зі стратегій залежно від таких факторів, як ваш бюджет і часові обмеження.

Використовуйте шаблон стратегії

• коли вам потрібно використовувати різноманітні варіанти алгоритму в об’єкті та мати можливість перемикатися між ними під час використання об’єкта.
• коли велика кількість тісно пов’язаних класів відрізняється лише тим, як вони виконують певну поведінку.
• щоб відокремити деталі реалізації алгоритму від його бізнес-логіки, що може бути менш критичним.

Переваги

• Під час виконання ви можете змінити алгоритми, які використовуються всередині об’єкта.
• Ви можете відокремити специфіку реалізації алгоритму від коду, який його використовує.
• Ви можете використовувати композицію замість успадкування.

Недоліки

• Немає потреби додавати нові класи та інтерфейси до програми, пов’язаної з шаблоном, якщо у вас є лише кілька алгоритмів, і вони лише незначно змінюються.
• Щоб вибрати найкращу стратегію, клієнти повинні знати про їх відмінності.

Спостерігач

Спостерігач — це поведінковий шаблон розробки програмного забезпечення, який дає змогу вказати механізм підписки для сповіщення кількох об’єктів про будь-які події, які впливають на об’єкт, за яким вони спостерігають.

Шаблон програмування спостерігача встановлює зв’язок «один до багатьох» між об’єктом (суб’єктом) і залежними особами (спостерігачами). Піддослідний інформується щоразу, коли один із спостерігачів змінюється.

Будь-яке програмування, кероване подіями, як-от сповіщення користувача про новий коментар у Facebook або надсилання електронного листа, коли товар надсилається, може отримати вигоду від використання шаблону дизайну спостерігача.

Аналогія з реального життя

Якщо ви підписалися на газету чи журнал, ви можете не йти до магазину, щоб перевірити, чи є в наявності майбутній номер. Замість цього видавець доставляє свіжі випуски просто у вашу поштову скриньку.

Список передплатників зберігається у файлі, і видавець знає їхні вподобання щодо журналу. Якщо передплатники більше не хочуть, щоб видавець надсилав їм нові випуски журналу, вони можуть будь-коли видалити свої імена зі списку.

Застосуйте шаблон спостерігача

• коли набір об’єктів динамічно змінюється або заздалегідь невідомий, а зміна стану одного об’єкта може вимагати зміни станів інших об’єктів.
• у певних ситуаціях або протягом короткого періоду деякі об’єкти у вашій програмі мають спостерігати за іншими.

Переваги

• Принцип відкритості/закритості. Ви можете додавати нові класи підписників, не вносячи змін у код видавця, якщо є інтерфейс видавця.
• Під час виконання ви можете створювати зв’язки між об’єктами.

Недоліки

• Повідомлення підписників відбувається у довільному порядку.

Конструктор

Builder — це шаблон проектування творчої програми, який дає змогу будувати складні об’єкти по частинах. Використовуючи той самий код конструкції, шаблон дозволяє створювати різні типи об’єктів і представлення.

Патерн конструктора викликає лише кроки, необхідні для кожної ітерації об’єкта, оскільки він створюється в серії послідовних кроків.

Патерн поділяє процес створення об’єкта на кілька етапів (buildWalls, buildDoor тощо). Важливим моментом є те, що не всі кроки потрібно викликати. Можуть бути викликані лише процеси, необхідні для створення конкретної конфігурації об’єкта.

Використовуйте шаблон Builder

• усунути "телескопічний конструктор".
• коли вам потрібно, щоб ваш код створював різні представлення певного продукту.
• збирати складні об’єкти, наприклад складені дерева.

Переваги

• У вас є три варіанти створення об’єктів: послідовне, асинхронне або рекурсивне.
• Ви можете застосувати один і той самий конструкційний код до різноманітних зображень продукту.
• Принцип єдиної відповідальності. Ви можете відокремити бізнес-логіку продукту від коду складної конструкції.

Недоліки

• Оскільки шаблон вимагає створення багатьох нових класів, загальна складність коду зростає.

Адаптер

Адаптер — це структурний шаблон проектування, який забезпечує взаємодію між об’єктами з несумісними інтерфейсами.

Адаптер огортає один із об’єктів, щоб приховати складне перетворення за лаштунками. Обгорнутий об’єкт навіть не знає, що він знаходиться в адаптивній обгортці. Як приклад, ви можете помістити пристрій, який використовує метри та кілометри, в адаптер, який перетворює всю інформацію в імперські одиниці, як-от фути та милі.

Аналогія з реального життя

Ви можете бути здивовані, коли спробуєте зарядити свій ноутбук під час першого відвідування Європи зі США. У різних країнах існують різні стандарти для вилок і розеток. Через це німецька розетка не приймає вашу американську вилку. Адаптер живлення з розетками американського та європейського зразків може вирішити проблему.

Використовуйте шаблон адаптера

• коли ви використовуєте існуючий клас, інтерфейс якого конфліктує з вашим кодом.
• під час створення класу середнього рівня, який діє як транслятор між кодом і застарілим класом, класом третьої сторони або будь-яким іншим класом із несумісним інтерфейсом.
• коли ви хочете повторно використати багато вже існуючих підкласів, які не мають спільної функції та непридатні для включення в суперклас.

Переваги шаблону адаптера

Принцип єдиної відповідальності. Ви можете залишити інтерфейс або код перетворення даних окремо від основної бізнес-логіки програми. Відкритий/закритий принцип. Ви можете додавати нові типи адаптерів до програми, не спричиняючи несправності коду поточного клієнта.

Недоліки шаблону адаптера

Оскільки вам потрібно додати багато нових класів та інтерфейсів, загальна складність коду зростає. Іноді простіше оновити клас обслуговування, щоб він відповідав решті коду.

Архітектурні шаблони проти шаблонів проектування

Патерни архітектури встановлюють фізичне розташування компонентів, диктують, як вони повинні взаємодіяти один з одним, і, нарешті, вирішують, які інструменти слід використовувати для створення компонентів.

Шаблони проектування в архітектурі програмного забезпечення повинні детально розбиратися в тому, як реалізувати окремі компоненти, тоді як шаблони архітектури більше зосереджуються на загальній картині. Класи, інтерфейси, абстрактні класи та інші функції орієнтованого орієнтування використовуються в дизайні компонентів для виконання завдань, визначених для кожного компонента.

Програмні системи побудовані відповідно до архітектурних шаблонів. Шаблони проектування вирішують повторювані проблеми в проектуванні програмного забезпечення.

Патерни архітектури проти шаблонів проектування:

• Архітектура виникає на етапі проектування, а моделі проектування — на етапі будівництва.
• Патерн проектування — це фактична реалізація, тоді як архітектурний шаблон — це як проект.
• Архітектура служить основою, на якій будуються всі інші елементи, а шаблони проектування організовують класи для вирішення загальних проблем.

Заключні думки

Наявність досвідченої команди є ключем до знання, коли використовувати шаблони розробки програмного забезпечення, а коли ні, і як ефективно впроваджувати кожен шаблон.

Stfalcon є провідною компанією з розробки програмного забезпечення з 13-річним досвідом. Ми ставимо пріоритетом встановлення міцних стосунків із нашими клієнтами та створення програмного забезпечення, яким ваша компанія із задоволенням буде користуватися.

Якщо ви шукаєте спеціальну команду розробників програмного забезпечення, яка втілить вашу ідею в код, зв’яжіться з нами, щоб отримати безкоштовну консультацію наших спеціалістів.