Про патерни проектування

Патерни проектування – це перевірені часом рішення, які допомагають розробникам створювати надійне, гнучке та масштабоване ПЗ. Вони являють собою шаблони, засновані на загальних принципах і архітектурних рішеннях, які можна використовувати в різних ситуаціях. Їхня роль полягає в тому, що вони допомагають нам проектувати програми більш організовано, роблять код більш перевикористовуваним і спрощують підтримку системи.

Історія патернів проектування розпочалася ще наприкінці 1970-х років із робіт Еріха Гамма, Річарда Гелма, Ральфа Джонсона та Джона Вліссідеса, відомих як “Банда чотирьох” (Gang of Four, GoF). Вони зібрали свій досвід і знання в царині об’єктно-орієнтованого програмування в книзі “Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software” (Патерни проектування: елементи багаторазового використання об’єктно-орієнтованого програмного забезпечення), випущеної 1994 року.

Ця книжка стала культовою і справила значний вплив на розробку програмного забезпечення.

На курсі компанії FoxmindED GRASP & GOF Design Patterns студенти не тільки вчаться використовувати шаблони, а й розвивають навички застосування їх у зміненій формі для ефективнішого проєктування програмних систем.

Навіщо вони потрібні

Переваги використання патернів такі:

• Підвищення якості коду.
• Поліпшення читабельності коду.
• Підвищення продуктивності.
• Прискорення розробки.

Для прикладу розглянемо, які типові завдання в програмуванні можна вирішити з використанням патернів:

• Паттерн Стратегія (Strategy): дає змогу визначити сімейство алгоритмів, інкапсулювати кожний із них та зробити їх взаємозамінними, наприклад, у розробці гри, де гравець може обирати різні стратегії атаки або захисту.

• Паттерн Адаптер (Adapter): використовується для перетворення інтерфейсу одного класу в інтерфейс іншого. Наприклад, під час інтеграції нової бібліотеки, що має інтерфейс, який відрізняється, в наявний додаток.

• Паттерн Спостерігач (Observer): дозволяє встановлювати зв’язок “один до багатьох” між об’єктами. Якщо один об’єкт змінює свій стан, усі, хто на нього підписані, отримують автоматичне повідомлення та оновлюються. Приклад використання – повідомлення в користувацькому інтерфейсі.

Використання цих та інших патернів допомагає ефективно розв’язувати типові завдання в розробці ПЗ, роблячи код гнучкішим, більш підтримуваним і масштабованим.

Класифікація

Існує три основні типи патернів:

1. Породжуючі патерни (Creational Patterns). Вони забезпечують механізми створення об’єктів, даючи змогу зробити систему незалежною від способу їхнього створення, композиції та представлення. Приклади: Сінглтон (Singleton), Фабричний метод (Factory Method), Абстрактна фабрика (Abstract Factory).

2. Структурні патерни (Structural Patterns). Визначають способи композиції класів або об’єктів для формування більших структур. Приклади таких: Адаптер (Adapter), Декоратор (Decorator), Фасад (Facade).

3. Поведінкові патерни (Behavioral Patterns). Позначають алгоритми та способи взаємодії між об’єктами, забезпечуючи більш ефективну та гнучку взаємодію. Приклади: Спостерігач (Observer), Стратегія (Strategy), Команда (Command).

Вивчення та освоєння патернів проектування – це інвестиція в майбутнє. Знання патернів дає змогу розробникам писати надійніший, ефективніший код, який можна прочитати, що, своєю чергою, покращує якість і maintainability програмного забезпечення.

Розглянемо кожен із цих типів докладніше…

Породжуючі

1. Синглтон (Singleton) – гарантує, що в класу є тільки один екземпляр, і надає глобальну точку доступу до цього екземпляра.

Застосування: коли потрібен єдиний об’єкт для координації дій у системі та коли об’єкт надає доступ до ресурсів, спільних для всієї системи (наприклад, логгер).

2. Фабричний метод (Factory Method) – визначає інтерфейс для створення об’єкта, але залишає підкласам рішення про те, який клас інстанціювати.

Застосування:  коли заздалегідь невідомо, які об’єкти потрібно створювати, і коли система має бути незалежною від того, як саме створюються, комбінуються та відображаються ці об’єкти.

3. Абстрактна фабрика (Abstract Factory) – надає інтерфейс для створення сімейств взаємопов’язаних або залежних об’єктів без вказівки їхніх конкретних класів.

Застосування: коли система має бути незалежною від того, як створюють, компонують і представляють її об’єкти, і коли створення об’єктів має бути пов’язане з логікою взаємодії в сімействі об’єктів.

FoxmindEd – це навчальний центр, що має велику різноманітність напрямків курсів для новачків та програмістів з досвідом!

Тільки починаєте свій шлях в ІТ? Спробуйте курси Start

Вже маєте базові навички програмування? Тоді
курси Junior саме для вас.

Хочете поглибити свої знання в ІТ? Ми маємо курси Middle/Senior

Структурні

1. Адаптер (Adapter) – дає змогу об’єктам із несумісними інтерфейсами працювати разом. Він створює обгортку навколо наявного класу, забезпечуючи сумісність з очікуваним інтерфейсом.

Застосування: коли потрібно використовувати клас, але його інтерфейс не підходить для системи. Також застосовується під час інтеграції нових компонентів із різними інтерфейсами.

2. Декоратор (Decorator) – додає нову функціональність об’єкту, не змінюючи його структуру. Він створює ланцюжок обгорток навколо базового об’єкта.

Застосування: коли потрібно динамічно додавати можливості об’єкту в процесі роботи програми, а також для розширення функціональності класів без створення нових підкласів.

3. Фасад (Facade) – надає уніфікований інтерфейс до групи інтерфейсів у підсистемі, полегшуючи її використання.

Застосування: необхідність надати простий інтерфейс для складної підсистеми і для зменшення залежностей між клієнтом і складною системою.

Поведінкові

1. Спостерігач (Observer) – визначає залежність “один до багатьох” між об’єктами так, щоб у разі зміни стану одного об’єкта всі його спостерігачі автоматично повідомлялися й оновлювалися.

Застосування: коли зміни в одному об’єкті мають впливати на інші об’єкти без знання їхніх конкретних класів і для реалізації розподілених систем подій.

2. Стратегія (Strategy) – визначає сімейство алгоритмів, інкапсулює кожен з них і робить їх взаємозамінними. Дозволяє вибирати відповідний алгоритм залежно від контексту.

Застосування: використовується, коли у нас є кілька варіантів дій, і ми хочемо, щоб клієнт міг вибирати їх незалежно від коду. Також застосовується, коли потрібно змінювати поведінку об’єкта залежно від його поточного стану.

3. Команда (Command) – інкапсулює запит як об’єкт, даючи змогу передавати та параметризувати клієнтів із різними запитами, організовувати скасування операцій і підтримувати додавання нових операцій.

Застосування: використовується, коли потрібно налаштовувати об’єкти операціями, керувати чергою запитів або мати можливість скасовувати дії. Також застосовується для створення обробників подій.

Приклади з реальної практики

Проаналізуємо кейси застосування патернів проєктування в реальних проєктах:

1. Використання Синглтона в управлінні конфігурацією

• Проблема:

У великому проєкті управління конфігурацією часто є складним завданням. Різні компоненти можуть потребувати доступу до конфігураційних даних, і передача їх між об’єктами може призвести до надлишкового коду.

Рішення:

Ми використовуємо патерн Сінглтон, щоб створити єдиний об’єкт, який буде керувати налаштуваннями. Цей об’єкт стає доступним з будь-якої частини системи, що робить отримання конфігураційних даних дуже зручним.

Приклад:

import threading

class ConfigurationManager:

    _instance = None

    _config_data = None

    _lock = threading.Lock()

    def __new__(cls):

        with cls._lock:

            if not cls._instance:

                cls._instance = super(ConfigurationManager, cls).__new__(cls)

                cls._config_data = {"api_key": "12345", "endpoint": "https://example.com/api"}

        return cls._instance

    def get_config_data(self):

        return self._config_data

# Usage

config_manager = ConfigurationManager()

config_data = config_manager.get_config_data()

Застосування Адаптера при інтеграції із зовнішнім API

• Проблема:

Під час роботи із зовнішніми API часто виникають зміни в структурі даних або методах, що може призвести до несумісності з наявним кодом.

Рішення:

Ми використовуємо паттерн Адаптер для створення спеціального перетворювача, який змінює інтерфейс зовнішнього API так, щоб він відповідав очікуваному інтерфейсу всередині нашої системи. Це дозволяє нам без проблем інтегрувати зовнішній API, навіть якщо його інтерфейс відрізняється від того, який ми очікуємо використовувати всередині нашої програми.

Приклад:

# External API

class ExternalApi:

    def request_data(self):

        return {"external_data": "some data"}

# Adapter

class Adapter:

    def __init__(self, external_api):

        self._external_api = external_api

    def get_data(self):

        # Request data from the external API

        external_data = self._external_api.request_data()

        # Use the get method for safe access to the "external_data" key

        internal_data = external_data.get("external_data")

        # Return the adapted internal data

        return {"internal_data": internal_data}

# Usage

external_api = ExternalApi()

adapter = Adapter(external_api)

internal_data = adapter.get_data()

print(internal_data)

Вибір підходящого патерну 

Перш ніж вирішити, який патерн проектування найкраще підходить для поставленого завдання, слід ретельно вивчити вимоги самого завдання. З’ясуйте, які частини системи потребують змін, і визначте конкретні проблеми, які можна вирішити, застосовуючи різні патерни.

Не забувайте про особливості вашого проєкту. Погляньте на його архітектуру, компоненти, зв’язки між ними. Обирайте патерни, які якнайкраще відповідають унікальним особливостям вашої системи.

Не забувайте і про принципи SOLID. Вони – не просто теорія, це інструменти, які забезпечують гнучкість і підтримуваність коду.

Контекст використання патерну також відіграє важливу роль. Подумайте, в яких сценаріях використання конкретний патерн буде найефективнішим. Це допоможе вам правильно адаптувати його під свої потреби. Під час вивчення альтернативних варіантів не забувайте порівнювати їхні переваги та обмеження.

Які ж рекомендації можна дати щодо вивчення та освоєння патернів проектування? Читання відповідної літератури та практика в реальних проєктах – ось ключові моменти в опануванні цієї теми.

Спілкування з колегами та участь у спільнотах розробників теж не менш важливі. Обговоріть застосування патернів у різних контекстах, діліться досвідом. Це може призвести до нових ідей та ефективнішого використання патернів.

Не забувайте і про рефакторинг. Проаналізуйте свій код, знайдіть місця, де застосування патернів може поліпшити його структуру і читабельність.

Пам’ятайте, що індустрія постійно розвивається, і важливо залишатися в курсі останніх тенденцій. Слідкуйте за новими ідеями в галузі проєктування, щоб ваш підхід завжди був сучасним і ефективним.

Висновок

Патерни проєктування – це потужний інструмент у руках розробників, який забезпечує ефективне та структуроване проєктування програмного забезпечення. Завдяки підтримці принципів повторного використання коду та покращення архітектури, вони стають невід’ємною частиною сучасної розробки. Тож рекомендуємо активно вивчати та застосовувати патерни для досягнення високого рівня професіоналізму в програмуванні.