Что такое паттерны проектирования

В мире разработки программного обеспечения паттерны проектирования играют роль фундаментального строительного материала. Они представляют собой bewährte Lösungen (проверенные решения) для широкого спектра задач и проблем, с которыми сталкиваются программисты. Паттерны не только облегчают жизнь разработчикам, но и способствуют созданию более чистого, читаемого и поддерживаемого кода.

В этой статье мы глубоко погрузимся в мир концепций проектирования. Мы рассмотрим различные типы паттернов, их назначение и применение, а также их недостатки и ограничения. Вы узнаете, какие выгоды приносят паттерны проектирования, и в каких случаях их использование может быть наиболее полезным. Также мы обсудим современные тренды и новые концепции, которые появились в мире разработки.

Общие сведения

Паттерны проектирования представляют собой методы организации программного кода, которые считаются стандартными практиками среди разработчиков. Их также называют шаблонами или образцами, и, как правило, они представляют собой типовые решения для часто встречающихся задач в проектировании программ.

Такие концепции используются для структурирования и проектирования кода, а не для решения конкретных бизнес-задач. Для лучшего понимания можно сравнить это с разработкой самолета: при создании самолета не нужно заново придумывать его форму. Опыт предыдущих инженеров-авиаконструкторов предоставляет определенные стандарты: форму и количество крыльев, особенности хвоста, необходимые компоненты. Эти стандарты и называются паттернами — это своего рода «чертеж» для построения решения.

Важно различать понятие паттернов в разработке от паттернов в дизайне, где они могут относиться к узорам или орнаментам, созданным из повторяющихся элементов. В разработке программного кода эти концепции представляют собой схемы для построения решений.

Кроме паттернов, существуют также антипаттерны проектирования — это плохие и неэффективные способы решения задач, и использование их считается не рекомендуемым.

Область применения

Паттерны проектирования используют программисты на различных языках программирования, особенно те, которые занимаются объектно-ориентированным программированием. Понятие таких концепций тесно связано с объектно-ориентированным подходом, который позволяет структурировать программы на основе формализованных классов и объектов. Эти классы и объекты служат «кирпичиками», из которых строится решение. Такой подход хорошо сочетается с использованием паттернов.

В более широком контексте паттерны проектирования применяются в различных областях, где существуют типовые, часто встречающиеся проблемы, которые можно формализовать. Это применимо практически в любой сфере разработки программного обеспечения.

Назначение

Паттерны проектирования имеют важное значение в программировании, их роль заключается в решении часто встречающихся задач, с которыми сталкиваются многие разработчики. Вместо того чтобы постоянно придумывать новые и уникальные решения для этих задач, разработчики могут опираться на существующие концепции.

Паттерны проектирования позволяют ускорить и упростить процесс создания кода, предоставляя готовые структуры и решения. Это аналогично созданию любого продукта, где целесообразнее использовать знания и опыт, накопленные другими, вместо того чтобы начинать с нуля.

Если разработчик может адаптировать проблему к объектно-ориентированному программированию и выбрать подходящую концепцию, это может значительно сократить время разработки. Кроме того, решение будет более читаемым и эффективным, так как оно основано на проверенных практиках, используемых другими разработчиками.

Использование паттернов также способствует улучшению читаемости кода. Другой программист, знакомый с определенной концепцией, сможет легко понять структуру и логику кода. Это особенно важно в командной разработке, где несколько специалистов сотрудничают над проектом, и четкое понимание кода упрощает коммуникацию и совместную работу.

Устройство

Паттерны — это структурированные решения для конкретных задач. Они могут быть выражены как алгоритмы или как схемы, где блоки представляют части программы.

Каждая концепция имеет собственное имя и описание, которые ясно определяют его назначение и какую проблему он решает. Существует также классификация паттернов, которая помогает понять, для каких конкретных ситуаций или задач каждый шаблон подходит наиболее эффективно.

Виды паттернов

Всего выделяют три основных типа паттернов проектирования — порождающие, структурные и поведенческие. Каждый из них мы рассмотрим в этом разделе.

Порождающие

Порождающие паттерны — это разновидность шаблонов проектирования, которые отвечают за процесс создания объектов в программе. Основная цель порождающих концепций — уменьшить зависимость программы от метода создания и представления объектов.

Вот некоторые виды порождающих паттернов проектирования:

1. Прототип (Prototype). Этот шаблон создает образцы объектов для представления конкретных экземпляров. Он позволяет создавать новые объекты, используя клонирование существующих, вместо создания с нуля. Это особенно полезно при работе с объектами, которые имеют сложную структуру или требуют дорогостоящей инициализации.
2. Фабричный метод (Factory Method). Паттерн, который анализирует внешний вид для объединения нескольких элементов в отдельный супер-класс. Он позволяет создавать объекты, но оставляет решение о том, какой именно объект создавать, дочерним классам.
3. Абстрактная фабрика (Abstract Factory). Этот шаблон позволяет создавать группы взаимосвязанных объектов, не привязываясь к конкретным классам. Вместо этого используется абстрактное определение фабрик, которые создают объекты на основе некоторых критериев.
4. Одиночка (Singleton). Этот шаблон предназначен для создания единственного экземпляра класса, который обеспечивает глобальный доступ к нему. Он гарантирует, что в системе будет только один экземпляр данного класса.
5. Строитель (Builder). Этот шаблон помогает создавать сложные объекты, разбивая процесс создания на шаги. Это полезно, когда объект имеет множество конфигурационных параметров, и вы хотите облегчить его поэтапное создание.
6. Ленивая инициализация (Lazy Initialization). Этот шаблон предоставляет механизм для отложенной инициализации классов и объектов по мере их реальной необходимости, что может помочь снизить нагрузку на систему при старте приложения.

Каждый из этих порождающих паттернов имеет свое применение в зависимости от конкретных требований проекта, и он помогает управлять процессом создания объектов в более эффективный и организованный способ.

Структурные

Структурные паттерны — это разновидность шаблонов проектирования, которые работают с уже созданным программным обеспечением или интерфейсами. Они позволяют вносить изменения в систему, реорганизуя и структурируя ее архитектуру внешнего вида. Структурные паттерны обычно используются для визуализации, модернизации и улучшения переиспользования разработанного кода.

Вот некоторые виды структурных паттернов:

1. Мост (Bridge). Этот паттерн разделяет программное обеспечение на две основные части — абстракцию и реализацию. Это позволяет вносить изменения в каждую часть независимо друг от друга, что способствует гибкости и расширяемости системы. Он использует инкапсуляцию и агрегацию, а также наследование для реализации своей работы.
2. Декоратор (Decorator). Эта концепция применяется для динамического подключения дополнительных функций и действий к объектам. Он позволяет расширять функциональность сервисов, не изменяя их базовую структуру.
3. Адаптер (Adapter). Паттерн адаптера переводит немодифицируемый интерфейс или функциональность объекта в формат, который совместим с ожидаемыми интерфейсами. Он позволяет объектам с разными интерфейсами работать вместе.
4. Компоновщик (Composite pattern). Эта концепция объединяет отдельные объекты в иерархическую структуру с уровневым разделением и логикой взаимодействия. Он позволяет клиентам обращаться к отдельным объектам и их композициям одинаковым образом.
5. Заместитель (Proxy). Паттерн заместителя выступает как контейнер, который перехватывает вызовы для других компонентов информационной системы, обрабатывает их и направляет по нужному пути. Он может использоваться для управления доступом к объектам или для ленивой инициализации.
6. Приспособленец (Flyweight). Этот паттерн используется, когда нужно эффективно использовать объекты-приспособленцы в нескольких местах информационной системы. Он позволяет экономить ресурсы, обеспечивая разделение общих частей объектов.

Все эти структурные паттерны помогают улучшить организацию и гибкость кода, что важно для создания более поддерживаемых и расширяемых программных систем.

Поведенческие

Поведенческие паттерны — это шаблоны проектирования, которые определяют алгоритмы и взаимодействие объектов в системе. Они используются для упрощения управления поведением объектов, уменьшения сложности связей между ними и улучшения архитектуры программных сервисов.

Вот некоторые виды поведенческих паттернов проектирования:

1. Наблюдатель (Observer). Паттерн оповещения, который позволяет одному объекту наблюдать за изменениями в других объектах и реагировать на них.
2. Цепочка обязанностей (Chain of Responsibility). Этот шаблон определяет и устанавливает порядок обработки запросов среди объектов в системе. Каждый объект может обработать запрос или передать его дальше по цепочке.
3. Команда (Command). Шаблон для инкапсуляции команд и их параметров. Он позволяет создавать объекты, представляющие команды, и передавать их для выполнения в системе.
4. Шаблонный метод (Template Method). Определяет общую структуру алгоритма, но оставляет некоторые шаги реализации подклассам. Это способствует переиспользованию кода и расширяемости системы.
5. Посетитель (Visitor). Позволяет определить новые операции для объектов без изменения их классов. Это полезно для анализа и корректировки работы объектов.
6. Хранитель (Memento). Позволяет сохранять и восстанавливать состояние объектов, что полезно, например, для отката к предыдущим версиям.
7. Состояние (State). Позволяет объектам изменять свое поведение в зависимости от их состояния. Это полезно, когда объект должен менять свое поведение в разных ситуациях.
8. Стратегия (Strategy). Позволяет выбирать алгоритм выполнения задачи в зависимости от класса объекта. Разные объекты могут использовать разные алгоритмы, но при этом они взаимозаменяемы.
9. Итератор (Iterator). Этот паттерн обеспечивает доступ к элементам группы объектов или базы данных с внутренней навигацией, не раскрывая подробности их реализации.
10. Интерпретатор (Interpreter). Используется для решения задач с однотипными командами и изменяющимися переменными. Он позволяет интерпретировать и выполнять сложные команды.
11. Посредник (Mediator). Объединяет несколько объектов, позволяя им взаимодействовать друг с другом через посредника, что снижает связность между объектами.

Эти поведенческие паттерны позволяют управлять взаимодействием объектов и поведением системы, делая код более гибким и поддерживаемым.

Отличия паттернов проектирования от архитектурных

Паттерны проектирования и архитектурные представляют собой два разных уровня абстракции в разработке программного обеспечения.

Архитектурные паттерны — это высший уровень абстракции, они определяют общую структуру всего продукта. Они отвечают на вопрос «как будет устроен продукт» и описывают основные компоненты и их взаимодействие. Примером архитектурной концепции может быть модель MVC (Model-View-Controller).

Паттерны проектирования, напротив, работают на более низком уровне и применяются для организации конкретных объектов, алгоритмов и компонентов программы. Они отвечают на вопрос «как лучше организовать составные части продукта» и описывают детали реализации, такие как создание объектов, управление данными между ними и их взаимодействие. Паттерны проектирования обычно адаптированы под конкретную задачу и не зависят от конкретного языка программирования или общей структуры продукта.

Кроме того, существуют идиомы, которые представляют собой более узкоспециализированные способы решения задач и зависят от конкретного языка программирования. Идиомы работают на еще более мелком уровне и решают конкретные проблемы, такие как управление памятью.

Как выбрать паттерн

Определение, какой паттерн применить, может быть вызовом, особенно для новичков. Однако с опытом становится проще разобраться.

Вот несколько шагов, которые помогают принять правильное решение при выборе паттерна:

1. Выделение сущностей. Начните с выделения ключевых сущностей, которые участвуют в вашей задаче или системе.
2. Проектирование связей. Подумайте о том, как эти сущности взаимодействуют друг с другом и установите связи между ними.
3. Абстракция системы. Попробуйте абстрагировать систему от конкретной задачи, думая о ее структуре и взаимодействии.
4. Поиск подходящего паттерна. Рассмотрите, не соответствует ли ваша проблема или ситуация какой-либо известной концепции.
5. Выбор паттернов из группы. Если вы обнаружили несколько паттернов, которые могут подойти, сравните их и выберите тот, который наилучшим образом соответствует вашей задаче.
6. Конкретная реализация. После выбора паттерна продумайте его конкретную реализацию, учитывая особенности вашей задачи.

Хотя это может показаться сложным на первых этапах, с накоплением опыта и практики принятие правильного решения станет легче. Опытные разработчики уже имеют интуицию и опыт, что значительно упрощает выбор паттерна. Поэтому не стоит беспокоиться, если изначально сложно определить подходящий паттерн — с опытом вы станете более уверенными в этом.

Преимущества

Как и у любой технологии или подхода в IT, у паттернов есть свои сильные и слабые стороны в этом разделе, мы рассмотрим их преимущества.

Улучшение читаемости кода

Применение паттернов проектирования способствует улучшению читаемости кода. Эти проектировочные решения сокращают сложность работы с классами объектов, делая алгоритмы более ясными и понятными для информационной системы. Такие шаблоны обычно являются стандартными и легко распознаются, что снижает вероятность ошибок при их использовании.

Уменьшение сложности разработки

Уменьшение сложности процесса разработки становится возможным благодаря использованию готовых шаблонов решений для задач. Внедрение стандартизированных образцов позволяет снизить вероятность ошибок.

Эти решения уже представлены в виде кода, который проверен и не содержит ошибок или сбоев, что особенно полезно для новичков в программировании. Еще одним преимуществом является то, что образец не привязан к конкретному языку программирования и может быть использован в Java, C++, Python и других языках.

Повышение переиспользуемости

Паттерны имеют уникальные названия и внедряются в код программы, что делает их видимыми для разработчиков, занимающихся интеграцией цифровых продуктов в конкретные информационные системы.

Зная, какие шаблоны были использованы в исходном коде, можно легко модифицировать или расширять функциональность, чтобы решить конкретные бизнес-задачи. Кроме того, эти концепции обеспечивают дополнительный уровень защиты кода.

При внесении изменений в код стабильность работы приложения остается неизменной, что делает весь процесс более надежным.

Это способствует повышению переиспользуемости программного обеспечения или приложений, а авторы-разработчики могут получать дополнительный доход от авторских прав и патентов.

Недостатки

Недостатки паттернов проектирования включают в себя следующие аспекты:

• На ранних этапах изучения паттернов бывает сложно выбрать подходящий для конкретной проблемы концепции. Новичкам может быть трудно определить, какой шаблон лучше всего подходит к конкретной ситуации.
• Использование паттернов ради самих паттернов может привести к усложнению кода и запутыванию разработчиков. Иногда разработчики могут злоупотреблять концепциями, что делает код избыточным и сложным для понимания.
• Паттерны не всегда универсальны. Одна и та же концепция может подходить для одной задачи, но быть неэффективным в другой. Выбор правильной из них требует понимания контекста и специфики задачи.
• Неправильное применение паттернов может сделать программу менее эффективной. Если концепция выбрана некорректно или применена к задаче, для которой она не подходит, это может привести к избыточным затратам на ресурсы и ухудшению производительности.
• Паттерны сильно связаны с объектно-ориентированным программированием и могут оказаться менее применимыми в других парадигмах, таких как функциональное программирование. Хотя в некоторых случаях они все равно могут быть полезны, но их реализация будет отличаться от той, которая используется в ООП.

Ограничения и антипаттерны

В этом разделе мы рассмотрим основные антипаттерны проектирования, а также ограничения, которые могут быть вызваны при использовании распространенных концепций.

Антипаттерны

Антипаттерны — это стандартные примеры ошибок, которые следует избегать при разработке программного кода.

Вот некоторые из них:

1. Reinventing the square wheel — выбор плохого или неэффективного решения, даже если есть готовые альтернативы.
2. Soft code — избыточное использование конфигурационных параметров, что может привести к излишней сложности и непониманию кода.
3. Reinventing the wheel — пересоздание собственных решений для задач, которые могли бы быть решены с использованием готовых библиотек или компонентов.
4. Programming by permutation — разработка путем экспериментов и перебора параметров, что может привести к нестабильному и ненадежному коду.
5. Boat anchor — сохранение неиспользуемых частей кода, что может загромождать проект и усложнять его обслуживание.
6. Magic numbers — использование необъяснимых констант без комментариев, что затрудняет понимание назначения числовых значений.
7. Copy and Paste — копирование существующего кода с незначительными изменениями для выполнения новых задач, что может привести к дублированию и трудностям в обслуживании.
8. Blind faith — разработка программы, предполагая идеальные условия использования, без учета возможных ошибок или непредвиденных ситуаций.
9. Spaghetti code — сложный и запутанный код с множеством ветвлений и инструкций, что делает его трудным для понимания и поддержки.
10. Dependency hell — неправильное управление зависимостями между компонентами и библиотеками, что может привести к сложностям при сборке и обновлении проекта.
11. Lava flow — сохранение устаревшего или бесполезного кода, который лучше было бы удалить.
12. Object cesspool — включение объектов в код без должной оценки и рефакторинга, что может привести к ухудшению качества кода и производительности.
13. Hard code — жестко закодированные значения вместо гибких настроек в конфигурации, что затрудняет изменение поведения программы.
14. God Object — создание класса или объекта, который выполняет слишком много функций и обязанностей, что делает его сложным для понимания и поддержки.

Избегание антипаттернов помогает создавать более чистый, читаемый и поддерживаемый код.

Ограничения

Ограничения паттернов можно разделить на три основные категории:

• Принудительное использование. Это происходит, когда один и тот же шаблон применяется повсюду без анализа необходимости и совместимости. Это может привести к избыточной пагинации или сортировке данных и ограниченным возможностям их комбинирования.
• Усложнение кода при неправильном выборе. Здесь имеется в виду, что неправильный выбор набора элементов и алгоритмов для реализации может сделать код более сложным и запутанным. Примерами являются ненужные проверки или переоптимизация кода. Исправлением таких проблем может быть проведение код-ревью и проведение рефакторинга.
• Возможные затруднения в поддержке и расширении. Здесь речь идет о том, что использование различных методов и подходов для выполнения одних и тех же операций может загрязнить код и усложнить доступ к библиотекам, а также снизить эффективность работы. Это может создавать путаницу и перекрытия с похожими названиями, что затрудняет администрирование, модернизацию и расширение функциональности сервиса, а также решение проблем, вроде зависаний или отключений, мешающих стабильной работе.

Почти все ограничения, связанные с использованием антипаттернов, могут быть устранены с помощью проведения рефакторинга. Эти проблемы чаще всего встречаются у начинающих программистов, которые не всегда обладают достаточным опытом и компетенциями.

Постоянное обучение и желание развиваться, а также изучение специализированных курсов в области IT, могут значительно повысить качество программирования и результативность работы.

Важность использования паттернов

Использование паттернов в разработке программного обеспечения не является плохой идеей, несмотря на наличие некоторых недостатков. Эти шаблоны представляют собой мощный инструмент, который следует использовать разумно. Нецелесообразно внедрять их там, где они не имеют реальной пользы, исключительно ради «красоты» кода. Однако, если применять их в ситуациях, когда они действительно необходимы, они могут значительно облегчить задачи программиста и улучшить структуру и читаемость кода.

Более того, знание и умение применять паттерны проектирования часто являются важными критериями при собеседованиях на позиции уровня Middle и выше в области разработки. Это практически обязательное требование для опытных разработчиков, независимо от того, на каком языке программирования они работают, будь то Python, Java, JavaScript или другой язык. Таким образом, овладение паттернами проектирования становится важной частью профессионального роста в этой области.

Современные тренды и новые паттерны

В современном мире программирования, которое охватывает множество областей профессиональной деятельности, новые шаблоны и паттерны появляются в зависимости от актуальных потребностей. Современные тренды включают в себя активное внедрение микросервисной архитектуры, интеграцию бизнес-задач, распределение ответственности между командами и запросами, а также внедрение автоматизированных механизмов отключения.

Вот некоторые примеры новых шаблонов:

• «Душитель» (Strangler) — постепенное превращение монолитного приложения в микросервисы;
• Decompose By Business Capability — разделение по бизнес-возможностям;
• Anti-Corruption Layer — изоляция подсистем путем добавления промежуточного уровня;
• Decompose By Subdomain — разложение по доменным областям;
• Database Per Service — использование отдельного хранилища данных для каждого сервиса.

Готовые коды и шаблоны могут значительно помочь разработчикам, особенно на начальных этапах их карьеры. Однако для правильного использования этих шаблонов важна профессиональная подготовка, которую можно получить в университете, колледже или на специализированных образовательных курсах.

Начало работы с паттернами

Начало работы с паттернами проектирования не является первоочередной задачей для новичков в программировании. Обычно к ним обращаются разработчики, которые уже обладают определенным опытом и основными принципами программирования. Однако в процессе профессионального роста они становятся более важными.

Для начала, новичкам следует овладеть особенностями программирования на выбранном языке, так как некоторые концепции могут быть специфичны для конкретной технологии. Например, в JavaScript активно используются декораторы. Затем можно переходить к изучению самих концепций: какие виды паттернов бывают, как они устроены и какие задачи они решают.

Освоив теоретическую базу, важно практиковаться в реализации таких концепций. Фактическая реализация может отличаться от теоретического описания, поэтому опыт и практика играют важную роль в овладении этой областью разработки.

Заключение

Паттерны проектирования являются мощным инструментом в арсенале программиста, предоставляя структурированные и проверенные решения для часто встречающихся проблем в разработке программного обеспечения. Они способствуют увеличению переиспользуемости кода, снижению сложности разработки, и улучшению читаемости и поддерживаемости проектов. Кроме того, знание и умение применять паттерны проектирования часто является важным требованием для опытных разработчиков, открывая дополнительные возможности на рынке труда.

Однако, важно помнить, что паттерны — это инструмент, который следует использовать тогда, когда он реально необходим, и применять с умом. Неправильное или избыточное использование этой концепции может усложнить код и ухудшить производительность. Кроме того, выбор правильного паттерна может быть вызовом на начальных этапах обучения. Несмотря на недостатки и ограничения, знание и понимание этой концепции проектирования остается важной частью навыков разработчика, способствуя созданию более эффективного и структурированного программного обеспечения.