Паттерны проектирования — это шаблоны или образцы, применяющиеся для создания информационных систем. В повседневной работе программисты сталкиваются с большим количеством однотипных задач. Чтобы не тратить время на составление решения алгоритма функции вручную, разрабатываются паттерны. Они значительно ускоряют и упрощают процесс создания новых цифровых продуктов. Каждый IT-специалист должен знать, что такое паттерны проектирования в программировании и как ими пользоваться.
Типы паттернов проектирования
Порождающие паттерны
Шаблоны, ответственные за процесс инстанцирования. Основная функция — уменьшение зависимости программы метода формирования композиции и представления объектов.
Виды порождающих паттернов проектирования:
- Прототип (Prototype). Шаблон создается для представления конкретных объектов. При повторном использовании экземпляра возможна его трансформация или применение базового кода для создания новых элементов команды. Основной принцип создания подобных образцов — программирование через интерфейсы или внешний вид. Внутри системы объекты разделяются по классам в иерархической взаимосвязи. При помощи прототипов можно создавать объекты клонированием, а не конструированием.
- Фабричный метод (Factory Method). Паттерн, анализирующий внешний вид для объединения нескольких элементов в отдельный супер-класс.
- Абстрактная фабрика (Abstract factory). Шаблон для компоновки объектов по конкретному признаку интерфейса. Ранее определенные классы при этом не используются. Для новой группы создается отдельная «фабрика». Паттерн применяется для создания компонентов системы.
- Одиночка (Singleton). Шаблон для формирования эксклюзивной точки софта. Элемент формируется в единственном экземпляре, но наделяется глобальным доступом.
- Строитель (Builder). Образец создания сложных объектов, позволяющий реализовать идею программиста за счет автоматизированного разделения экземпляра на компоненты — конструирование и представление.
- Ленивая инициализация (Lazy Initialization). Решение проектирования, когда классы и объекты подключаются по мере необходимости.
Структурные паттерны
Шаблоны, работающие с уже созданным ПО или интерфейсом, позволяющие вносить изменения за счет структурирования и схематического изображения всей архитектуры внешнего вида. Структурные паттерны используются для визуализации, модернизации и переиспользования разработки.
Виды образцов:
- Мост (Bridge). Делит ПО на абстракцию и реализацию, позволяя вносить в каждый блок отдельные изменения. Методы работы паттерна — инкапсуляция и агрегирование. В работе шаблона дополнительно задействовано наследование классов объектов.
- Декоратор (Decorator). Паттерн проектирования для подключения дополнительных действий и команд. Применяется для расширения и оптимизации функционала сервисов.
- Адаптер (Adapter). Перевод немодифицируемых функций объекта в формат доступных интерфейсов.
- Компоновщик (Composite pattern). Объединение отдельных элементов в структуру с уровневым разделением и логикой взаимодействия.
- Заместитель (Proxy). Контейнер, улавливающий вызовы для отельных компонентов ИС, обрабатывающий сигналы и направляющий их на нужную линию.
- Приспособленец (Flyweight). Применяется при необходимости использования «Одиночки» в нескольких местах ИС.
Поведенческие паттерны
Шаблоны алгоритмов логического взаимодействия. Применяются для уменьшения общего количества связей и упрощения архитектуры сервисов.
Виды поведенческих паттернов проектирования:
- Итератор (Iterator). Открытие доступа к группе или базе данных с внутренней навигацией.
- Интерпретатор (Interpreter). Комплекс команд для решения однотипной задачи с меняющимися переменными.
- Цепочка обязанностей (Chain of responsibility). Шаблон для определения и установления значимости и ответственности среди всех объектов ИС или приложения.
- Хранитель (Memento). Вариант сохранения исходного кода объекта, позволяющий вернуться «к заводским настройкам» после изменений
- Команда (Command). Шаблон обозначений и параметров действий.
- Посредник (Mediator). Объединитель нескольких отдельных элементов.
- Состояние (State). Участвует в процессе программирования, когда объекту нужно менять реакции в зависимости от состояния.
- Наблюдатель (Observer). Система оповещения об изменении состояния отдельных элементов класса.
- Посетитель (Visitor). Описание операций, необходимое для анализа и корректировки работы.
- Стратегия (Strategy). Подбор алгоритма согласно классовой принадлежности объектов с учетом взаимозаменяемости составных частей.
- Шаблонный метод (Template method). Хранитель общей структуры ИС, программного обеспечения или приложения.
Преимущества использования паттернов проектирования
Улучшение читаемости кода
Решения проектирования влияют на эффективность процесса распознавания команд. Сокращенные алгоритмы работы с классами объектов автоматически воспринимаются ИС. Они шаблонны и понятны, следовательно, процент бадов по ним минимален.
Повышение переиспользуемости
Каждый паттерн имеет свое название. При программировании шаблон вводится в командную строку и становится видимым для разработчиков, отвечающих за внедрение цифрового продукта в конкретную информационную систему. Зная, какие образцы были использованы в исходном коде, можно с легкостью трансформировать или расширять функции под решение определенных бизнес-задач. Кроме того, паттерны создают дополнительную защиту кода. При его изменениях стабильность работы приложения не изменяется, весь алгоритм действий получается более устойчивым.
За счет этого растет переиспользуемость сервисного обеспечения или софта, а автор-разработчик получает дополнительную прибыль за авторские права и патенты
Уменьшение сложности разработки
Процесс создания нового цифрового продукта ускоряется за счет возможности использовать готовые решения задач. Загрузка стандартизированных образцов минимизирует риск ошибок. Решения задач уже прописаны заведомо правильным кодом без ошибок и зависаний, что удобно для начинающих программистов. Плюс образец не зависит от языка программирования. Его можно использовать в Java, C++, Python и др
Процесс применения паттернов
Каждый образец стоит использовать в конкретном случае, опираясь на типовые характеристики классов объектов, ситуации и способы взаимодействия.
Шаги выбора подходящего алгоритма разработчиками:
- Выделить элементы процесса;
- Продумать схему связей и возможные ситуации;
- Абстрагировать систему от задач;
- Составить список имеющихся подходящих алгоритмов;
- Выбрать нужный и включить его в собственную разработку.
Главная цель разработчиков — соблюдение принципа KISS (Keep It Simple, Stupid) — сделать код максимально простым и доступным.
Схематический пример применения паттерна:
- Создаем интерфейс, например, Flower.
- Затем включаем шаблонную фабрику FlowerFactory.
- Теперь можно копировать и использовать элемент столько раз, сколько требует разработка. По-новому конструировать первоначальный внешний вид не придется.
Антипаттерны и ограничения паттернов
Антипаттерны — это образцы стандартизированных ошибок. Примеры:
- Copy and Paste — копирование ранее созданного кода с незначительными изменения для выполнения другой задачи.
- Spaghetti code — извилистный путь выполнения программы с многочисленными инструкциями.
- Magic numbers — константы без смысла и комментариев.
- Hard code — отсутствие гибких значений в конфигурациях.
- Soft code — излишняя загруженность конфига.
- Boat anchor — сохранение неиспользуемых частей кода.
- Reinventing the wheel — написание собственного решения для каждого случая.
- Reinventing the square wheel — выбор плохого авторского кода при наличии готового рабочего образца.
- Lava flow — нежелание «почистить» команды.
- Programming by permutation — программирование методом подбора параметров или порядка вызова функций.
- Blind faith — разработка для идеальных условий пользования.
- God Object — один элемент выполняет много обязанностей.
- Dependency hell — разрастание продуктов библиотек.
- Object cesspool — включение элементов пула без оценки и переработки.
Ограничения делятся на 3 группы:
Принудительное использование
Один образец копируется везде, без анализа необходимости и совместимости, что ведет к получению лишней пагинации или сортировки и слабым возможностям композиции.
Усложнение кода при неправильном выборе
Набор элементов и алгоритмов для расширения реализации может привести к усложнению системы специалистами. Пример Accidental complexity или ненужной сложности — не требующиеся дополнительные проверки, переоптимизация. Пути исправления бадов — code review и рефакторинг.
Возможные затруднения в поддержке и расширении
Применение разных методов для одних операций загрязняет код, усложняет получение доступа к библиотекам и эффективность их работы, создает перелинковку с похожими названиями. Системным администраторам, работающим с «испорченными алгоритмами», полными антипаттернов, трудно модернизировать функционал, расширять возможности сервиса, устранять зависания или отключения, мешающие стабильному функционированию
Практически все антипаттерны можно исправить рефакторингом. С ошибками чаще сталкиваются начинающие программисты, не желающие расширять список профессиональных компетенций. Постоянное стремление к развитию и изучение специализированных курсов по IT значительно повышает качество и результативность программирования.
Современные тренды и новые паттерны
В наши дни программирование охватывает разные области профессиональной деятельности и новые шаблонные варианты зависят от актуальности применения. Современные тренды включают активный переход на микросервисы, включение в бизнес-задачи, сегрегацию ответственности за команды и запросы, установку автоматических выключателей
Примеры новых шаблонов:
- Decompose By Business Capability — разделение по бизнес-возможностям;
- Decompose By Subdomain — разложение по доменам;
- «Душитель» (Strangler) — перевод монолитного приложения на микросервисы;
- Anti-Corruption Layer — изолирование подсистем путем добавления подуровня;
- Database Per Service — собственное хранилище данных для каждого сервиса.
Готовые коды сильно помогают разработчикам, особенно на начальном уровне, но без профильной подготовки в вузе, колледже или на курсах использовать их правильно не получится.
