Презентация "Введение в паттерны проектирования"

Введение в паттерны проектирования

Занятие 13

План лекции

• Повторное использование кода
• Паттерны проектирования
• Порождающие паттерны
• Singleton
• Factory Method
• Структурные паттерны
• Adapter
• Decorator
• Proxy
• Паттерны поведения
• Iterator
• Observer

Повторное использование кода

• Использование кода существующих приложений для создания новых приложений
• Принципы создания хорошего повторно используемого кода
• Модульность (modularity)
• Слабая связность (low coupling)
• Высокая сфокусированность (high cohesion)
• Сокрытие информации (information hiding)
• Разделение ответственности (separation of concerns)
• Примеры повторного использования
• «Копипаста» (copy-and-paste)
• Библиотеки (software libraries)
• Паттерны проектирования (design patterns)
• Фреймворки (software frameworks)

Механизмы повторного использования в ООП

• Наследование
• Повторное использование родительского типа и/или реализации
• Определяется статически
• Нарушает инкапсуляцию
• Композиция
• Повторное использование кода используемых классов
• Определяется динамически
• Решение представляет собой совокупность взаимодействующих объектов и может быть изменено путём замены объекта
• Шаблоны
• Повторное использование реализации с частичным нарушением типа
• Определяется статически
• Типы и объекты требуют спецификации типов-параметров

Делегирование

• Один объект в части своей реализации полагается на другой объект
• Средство обеспечения композиции
• Программа становится тяжелее для понимания
• При написании кода предпочитайте композицию наследованию класса

Рекомендации по написанию повторно-используемого кода

• Программируйте в соответствии с интерфейсом, а не реализацией
• Не объявляйте переменные как экземпляры конкретных классов. Вместо этого придерживайтесь интерфейса, определенного абстрактным типом
• Создавая в системе объекты конкретных классов, используйте порождающие паттерны проектирования

Причины перепроектирования

• При создании объекта явно указывается класс
• Зависимость от конкретных операций
• Зависимость от аппаратной и программной платформ
• Зависимость от представления или реализации объекта
• Зависимость от алгоритмов
• Сильная связанность
• Расширение функциональности за счет порождения подклассов

Фреймворки

• Фреймворк (Framework, каркас) – это набор взаимодействующих классов, составляющих повторно используемое проектное решение для конкретного класса программ
• Диктует определенную структуру приложения или модуля
• Определяет общую структуру, ее разделение на классы и объекты, основные функции тех и других, методы взаимодействия потоков и классов, потоки управления

Паттерны проектирования

• Паттерн проектирования (Design Pattern, образец проектирования, шаблон проектирования) – описание взаимодействия объектов и классов, адаптированных для решения общей задачи проектирования в конкретном контексте
• Паттерн проектирования именует, абстрагирует и идентифицирует ключевые аспекты структуры общего решения, которые и позволяют применить его для создания повторно используемого проектного решения

Паттерны в ООП

• Результат проектирования на уровне ООП – распределение ответственностей и активностей по классам
• Паттерн – именованная конфигурация распределения ответственности по классам

Фреймворки vs Паттерны

• Паттерны проектирования более абстрактны, чем фреймворки
• Как архитектурные элементы паттерны проектирования мельче, чем фреймворки
• Паттерны проектирования менее специализированны, чем фреймворки

Описания паттернов

• GoF Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, and John Vlissides (1995). Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software
• POSA1 Frank Buschmann, Regine Meunier, Hans Rohnert, Peter Sommerlad (1996). Pattern-Oriented Software Architecture, Volume 1: A System of Patterns
• POSA2 Douglas Schmidt, Michael Stal, Hans Rohnert, Frank Buschmann (2000). Pattern-Oriented Software Architecture, Volume 2: Patterns for Concurrent and Networked Objects
• PoEAA Martin Fowler (2002). Patterns of Enterprise Application Architecture
• …

Порождающие паттерны

• Abstract Factory – Абстрактная фабрика
• Builder – Строитель
• Factory Method – Фабричный метод
• Prototype – Прототип
• Singleton – Одиночка

Singleton

• Название и классификация Одиночка – паттерн, порождающий объекты
• Назначение Гарантирует, что у класса есть только один экземпляр, и предоставляет к нему глобальную точку доступа
• Применимость
• Должен быть ровно один экземпляр некоторого класса, легко доступный всем клиентам
• Единственный экземпляр должен расширяться путем порождения подклассов, и клиентам нужно иметь возможность работать с расширенным экземпляром без модификации своего кода

Singleton: структура

• Структура
• Участники
• Singleton – одиночка, Определяет операцию Instance , которая позволяет клиентам получать доступ к единственному экземпляру

Factory Method

• Название и классификация Фабричный метод – паттерн, порождающий объекты
• Назначение Определяет интерфейс для создания объекта, но оставляет подклассам решение о том, какой класс инстанцировать. Фабричный метод позволяет классу делегировать инстанцирование в подклассы
• Известен также под именем Virtual Constructor

Factory Method Мотивация Factory Method Применимость Используйте паттерн фабричный метод, когда:

• классу заранее неизвестно, объекты каких классов ему нужно создавать
• класс спроектирован так, чтобы объекты, которые он создает, специфицировались подклассами
• класс делегирует свои обязанности одному из нескольких вспомогательных подклассов, и вы планируете локализовать знание о том, какой класс принимает эти обязанности на себя

Factory Method Структура Factory Method Особенности

• Две основных разновидности:
• класс Сгeator – абстрактный
• Creator – конкретный класс, в котором по умолчанию есть реализация фабричного метода
• Параметризованные фабричные методы

Структурные паттерны

Adapter Адаптер	Изменение интерфейса
Bridge Мост	Разделение реализации объекта
Composite Компоновщик	Сложная структура и состав объекта
Decorator Декоратор	Изменение обязанностей объекта без порождения подкласса
Facade Фасад	Интерфейс к подсистеме
Flyweight Приспособленец	Снижение накладных расходов на хранение объектов
Proxy Заместитель	Способ доступа к объекту, смена его местоположения

Adapter

• Название и классификация Адаптер – паттерн, структурирующий классы и объекты
• Назначение Преобразует интерфейс одного класса в интерфейс другого, который ожидают клиенты. Адаптер обеспечивает совместную работу классов с несовместимыми интерфейсами, которая без него была бы невозможна
• Известен также под именем Wrapper

Adapter Применимость

• Применяйте адаптер классов, когда:
• хотите использовать существующий класс, но его интерфейс не соответствует вашим потребностям
• собираетесь создать повторно используемый класс, который должен взаимодействовать с заранее неизвестными или не связанными с ним классами, имеющими несовместимые интерфейсы
• Применяйте адаптер объектов, когда
• нужно использовать несколько существующих подклассов, но непрактично адаптировать их интерфейсы путем порождения новых подклассов от каждого. В этом случае адаптер объектов может приспосабливать интерфейс их общего родительского класса

Adapter (класса)

• Неприменим, если требуется адаптировать не только конкретный класс, но и его подклассы
• Возможно изменение в адаптере операций адаптируемого класса
• Вводится только один объект (непосредственно адаптера)

Adapter (объекта)

• Один адаптер может работать со множеством адаптируемых объектов, включая объекты подклассов
• Затруднено замещение операций адаптируемого класса

Decorator

• Название и классификация Декоратор – паттерн, структурирующий объекты
• Назначение Динамически добавляет объекту новые обязанности. Является гибкой альтернативой порождению подклассов с целью расширения функциональности
• Известен также под именем Wrapper

Decorator Мотивация Decorator Применимость Используйте паттерн декоратор:

• для динамического, прозрачного для клиентов добавления обязанностей объектам
• для реализации обязанностей, которые могут быть сняты с объекта
• когда расширение путем порождения подклассов по каким-то причинам неудобно или невозможно

Decorator Структура Decorator Особенности

• Большая гибкость, чем у статического наследования
• Создание цепочек декораторов, в том числе из одних и тех же в одной цепочке
• Позволяет избежать перегруженных функциями классов на верхних уровнях иерархии
• Декоратор и его компонент не идентичны
• Множество мелких объектов

Decorator Особенности

• Соответствие интерфейсов декоратора и декорируемого объекта
• Возможное отсутствие абстрактного класса декоратора
• Облегчение, по возможности, декорируемого класса
• Изменяется «облик», а не внутренне устройство объекта

Proxy

• Название и классификация Заместитель – паттерн, структурирующий объекты
• Назначение Является суррогатом другого объекта и контролирует доступ к нему
• Известен также под именем Surrogate

Proxy

• Мотивация
• Применимость Заместитель применим во всех случаях, когда возникает необходимость сослаться на объект более изощренно, чем это возможно, если использовать простую ссылку

Proxy Применимость

• Удаленный заместитель предоставляет локального представителя вместо объекта, находящегося в другом адресном пространстве
• Виртуальный заместитель создает тяжелые объекты по требованию
• Защищающий заместитель контролирует доступ к исходному объекту

Proxy Применимость

• Умная ссылка замена обычного указателя:
• подсчет числа ссылок на реальный объект
• загрузка объекта в память при первом обращении к нему
• проверка и установка блокировки на реальный объект при обращении к нему, чтобы никакой другой объект не смог в это время изменить его

Proxy Структура

Диаграмма объектов

Паттерны поведения

Interpreter Интерпретатор	Грамматика и интерпретация языка
Iterator Итератор	Способ обхода элементов агрегата
Command Команда	Время и способ выполнения запроса за счет заключения запроса в объект
Observer Наблюдатель	Способ, которым зависимые объекты поддерживают себя в актуальном состоянии
Visitor Посетитель	Операции, которые можно применить к объекту (добавление операций к объектам)

Паттерны поведения

Mediator Посредник	Способ кооперации взаимодействующих объектов через промежуточный
State Состояние	Варьирование поведения объекта в зависимости от его состояния
Strategy Стратегия	Заключение алгоритма в объект, возможность замены алгоритмов
Memento Хранитель	Закрытая информация, хранящаяся вне объекта, и время ее сохранения
Chain of Responsibility Цепочка обязанностей	Набор объектов, выполняющих запрос
Template Method Шаблонный метод	Выделение в абстракцию шагов алгоритма

Iterator

• Название и классификация Итератор – паттерн поведения объектов
• Назначение Предоставляет способ последовательного доступа ко всем элементам составного объекта, не раскрывая его внутреннего представления
• Известен также под именем Cursor

Iterator Мотивация Iterator Применимость Используйте итератор:

• Для доступа к содержимому агрегированных объектов без раскрытия их внутреннего представления
• Для поддержки нескольких активных обходов одного и того же агрегированного объекта
• Для предоставления единообразного интерфейса с целью обхода различных агрегированных структур (для поддержки полиморфной итерации)

Iterator Структура Iterator

• Особенности
• Поддерживает различные виды обхода агрегата
• Итераторы упрощают интерфейс класса-агрегата
• Одновременно для данного агрегата может быть активно несколько обходов
• Реализация
• Какой участник управляет итерацией?
• Внутренний
• Внешний
• Насколько итератор устойчив?
• Дополнительные операции итератора

Observer

• Название и классификация Наблюдатель – паттерн поведения объектов
• Назначение Определяет зависимость типа “один ко многим” между объектами таким образом, что при изменении состояния одного объекта все зависящие от него оповещаются об этом и автоматически обновляются
• Известен также под именем Dependents, Publish-Subscribe, Listener

Observer Применимость

• Когда у абстракции есть два аспекта, один из которых зависит от другого. Инкапсуляции этих аспектов в разные объекты позволяют изменять и повторно использовать их независимо.
• Когда при модификации одного объекта требуется изменить другие и вы не знаете, сколько именно объектов нужно изменить.
• Когда один объект должен оповещать других, не делая предположений об уведомляемых объектах. Другими словами, вы не хотите, чтобы объекты были тесно связаны между собой.

Observer Структура Observer Отношения Observer Результаты

• Абстрактная связанность субъекта и наблюдателя
• Поддержка широковещательных коммуникаций
• Неожиданные обновления
• Простой протокол обновления не содержит никаких сведений о том, что именно изменилось в субъекте

Observer Реализация

• Отображение субъектов на наблюдателей
• Наблюдение более чем за одним субъектом
• Инициатор обновления
• Модели вытягивания и проталкивания
• Явное специфицирование представляющих интерес модификаций

Спасибо за внимание! Дополнительные источники

• Гамма, Э. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования [Текст] / Э. Гамма, Р. Хелм, Р. Джонсон, Дж. Влиссидес. – СПб. : Питер, 2007. – 366 с.
• Фримен, Э. Паттерны проектирования [Текст] / Эрик Фримен, Элизабет Робсон, Берт Бейтс, Кэти Сьерра. – СПб. : Питер, 2011. – 656 с.
• Обзор паттернов проектирования [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://citforum.ru/SE/project/pattern/index.shtml, дата доступа: 21.10.2011.
• Объектно-ориентированное проектирование, паттерны проектирования (шаблоны) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.javenue.info/themes/ood/, дата доступа: 21.10.2011.
• Обзор паттернов проектирования [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.firststeps.ru/theory/patt/pattern1.html, дата доступа: 21.10.2011.