О паттернах проектирования

Паттерны проектирования – это проверенные временем решения, которые помогают разработчикам создавать надежное, гибкое и масштабируемое ПО. Они представляют собой шаблоны, основанные на общих принципах и архитектурных решениях, которые можно использовать в различных ситуациях. Их роль заключается в том, что они помогают нам проектировать программы более организованно, делают код более переиспользуемым и упрощают поддержку системы.

История паттернов проектирования началась еще в конце 1970-х годов с работ Эриха Гамма, Ричарда Хелма, Ральфа Джонсона и Джона Влиссидеса, известных как «Банда четырех» (Gang of Four, GoF). Они собрали свой опыт и знания в области объектно-ориентированного программирования в книге «Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software» (Паттерны проектирования: элементы многократного использования объектно-ориентированного программного обеспечения), выпущенной в 1994 году.

Эта книга стала культовой и оказала значительное влияние на разработку программного обеспечения.

На курсе компании FoxmindED GRASP & GOF Design Patterns студенты не только учатся использовать шаблоны, но и развивают навыки применения их в измененной форме для более эффективного проектирования программных систем.

Зачем они нужны

Преимущества использования паттернов следующие:

• Повышение качества кода.
• Улучшение читаемости кода.
• Повышение производительности.
• Ускорение разработки.

Для примера рассмотрим, какие типичные задачи в программировании можно решить с использованием паттернов:

• Паттерн Стратегия (Strategy): позволяет определить семейство алгоритмов, инкапсулировать каждый из них и сделать их взаимозаменяемыми, например, в разработке игры, где игрок может выбирать различные стратегии атаки или защиты.

• Паттерн Адаптер (Adapter): используется для преобразования интерфейса одного класса в интерфейс другого. Например, при интеграции новой библиотеки, имеющей отличающийся интерфейс, в существующее приложение.

• Паттерн Наблюдатель (Observer): позволяет устанавливать связь «один ко многим» между объектами. Если один объект меняет своё состояние, все, кто на него подписаны, получают автоматическое уведомление и обновляются. Пример использования — уведомления в пользовательском интерфейсе.

Использование этих и других паттернов помогает эффективно решать типичные задачи в разработке ПО, делая код более гибким, поддерживаемым и масштабируемым.

Классификация

Существует три основных типа паттернов:

1. Порождающие паттерны (Creational Patterns). Они обеспечивают механизмы создания объектов, позволяя сделать систему независимой от способа их создания, композиции и представления. Примеры: Синглтон (Singleton), Фабричный метод (Factory Method), Абстрактная фабрика (Abstract Factory).

2. Структурные паттерны (Structural Patterns). Определяют способы композиции классов или объектов для формирования более крупных структур. Примеры таковых: Адаптер (Adapter), Декоратор (Decorator), Фасад (Facade).

3. Поведенческие паттерны (Behavioral Patterns). Обозначают алгоритмы и способы взаимодействия между объектами, обеспечивая более эффективное и гибкое взаимодействие. Примеры: Наблюдатель (Observer), Стратегия (Strategy), Команда (Command).

Изучение и освоение паттернов проектирования – это инвестиция в будущее. Знание паттернов позволяет разработчикам писать более надежный, эффективный и читаемый код, что, в свою очередь, улучшает качество и maintainability программного обеспечения.

Рассмотрим каждый из этих типов подробнее…

Порождающие

1. Синглтон (Singleton) — гарантирует, что у класса есть только один экземпляр, и предоставляет глобальную точку доступа к этому экземпляру.

Применение: когда нужен единственный объект для координации действий в системе и когда объект предоставляет доступ к ресурсам, общим для всей системы (например, логгер).

2. Фабричный метод (Factory Method) — определяет интерфейс для создания объекта, но оставляет подклассам решение о том, какой класс инстанцировать.

Применение:  когда заранее неизвестно, какие объекты нужно создавать, и когда система должна быть независимой от того, как именно создаются, комбинируются и отображаются эти объекты.

3. Абстрактная фабрика (Abstract Factory) — предоставляет интерфейс для создания семейств взаимосвязанных или зависимых объектов без указания их конкретных классов.

Применение: когда система должна быть независимой от того, как создаются, компонуются и представляются её объекты и когда создание объектов должно быть связано с логикой взаимодействия в семействе объектов.

FoxmindEd — это учебный центр с большим выбором направлений курсов для новичков и программистов с опытом!

Начинаете свой путь в IТ? Попробуйте курсы Start

Имеете базовые навыки программирования? Тогда вам на курсы Junior

Хотите углубить свои знания в IТ? У нас есть курсы Middle/Senior

Структурные

1. Адаптер (Adapter) — позволяет объектам с несовместимыми интерфейсами работать вместе. Он создает обертку вокруг существующего класса, обеспечивая совместимость с ожидаемым интерфейсом.

Применение: когда нужно использовать класс, но его интерфейс не подходит для системы. Также применяется при интеграции новых компонентов с разными интерфейсами.

2. Декоратор (Decorator) — добавляет новую функциональность объекту, не изменяя его структуру. Он создает цепочку оберток вокруг базового объекта.

Применение: когда нужно динамически добавлять возможности объекту в процессе работы программы, а также для расширения функциональности классов без создания новых подклассов.

3. Фасад (Facade) — предоставляет унифицированный интерфейс к группе интерфейсов в подсистеме, облегчая ее использование.

Применение: необходимость предоставить простой интерфейс для сложной подсистемы и для уменьшения зависимостей между клиентом и сложной системой.

Поведенческие

1. Наблюдатель (Observer) — определяет зависимость «один ко многим» между объектами так, чтобы при изменении состояния одного объекта все его наблюдатели автоматически уведомлялись и обновлялись.

Применение: когда изменения в одном объекте должны влиять на другие объекты без знания их конкретных классов и для реализации распределенных систем событий.

2. Стратегия (Strategy) — определяет семейство алгоритмов, инкапсулирует каждый из них и делает их взаимозаменяемыми. Позволяет выбирать подходящий алгоритм в зависимости от контекста.

Применение: используется, когда у нас есть несколько вариантов действий, и мы хотим, чтобы клиент мог выбирать их независимо от кода. Также применяется, когда нужно изменять поведение объекта в зависимости от его текущего состояния.

3. Команда (Command) — инкапсулирует запрос как объект, позволяя передавать и параметризовать клиентов с различными запросами, организовывать отмену операций и поддерживать добавление новых операций.

Применение: используется, когда нужно настраивать объекты операциями, управлять очередью запросов или иметь возможность отменять действия. Также применяется для создания обработчиков событий.

Примеры из реальной практики

Проанализируем кейсы применения паттернов проектирования в реальных проектах:

1. Использование Синглтона в управлении конфигурацией

• Проблема:

В большом проекте управление конфигурацией часто представляет собой сложную задачу. Различные компоненты могут нуждаться в доступе к конфигурационным данным, и передача их между объектами может привести к избыточному коду.

Решение:

Мы используем паттерн Синглтон, чтобы создать единственный объект, который будет управлять настройками. Этот объект становится доступным из любой части системы, что делает получение конфигурационных данных очень удобным.

Пример:

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()

2. Применение Адаптера при интеграции с внешним API

• Проблема:

При работе с внешними API часто возникают изменения в структуре данных или методах, что может привести к несовместимости с существующим кодом.

Решение:

Мы используем паттерн Адаптер для создания специального преобразователя, который изменяет интерфейс внешнего API так, чтобы он соответствовал ожидаемому интерфейсу внутри нашей системы. Это позволяет нам без проблем интегрировать внешний API, даже если его интерфейс отличается от того, который мы ожидаем использовать внутри нашего приложения.

Пример:

# 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)

Выбор подходящего паттерна 

Перед тем, как принять решение о том, какой паттерн проектирования лучше всего подходит для текущей задачи, стоит внимательно изучить требования самой задачи. Разберитесь, какие части системы требуют изменений, и определите конкретные проблемы, которые можно решить, применяя различные паттерны.

Не забывайте об особенностях вашего проекта. Взгляните на его архитектуру, компоненты, связи между ними. Выбирайте паттерны, которые наилучшим образом соответствуют уникальным особенностям вашей системы.

Не забывайте и о принципах SOLID. Они — не просто теория, это инструменты, которые обеспечивают гибкость и поддерживаемость кода. 

Контекст использования паттерна также играет важную роль. Подумайте, в каких сценариях использования конкретный паттерн будет наиболее эффективен. Это поможет вам правильно адаптировать его под свои нужды. При изучении альтернативных вариантов не забывайте сравнивать их преимущества и ограничения. 

Какие же рекомендации можно дать по изучению и освоению паттернов проектирования? Чтение соответствующей литературы и практика в реальных проектах — вот ключевые моменты в освоении данной темы. 

Общение с коллегами и участие в сообществах разработчиков тоже не менее важны. Обсудите применение паттернов в различных контекстах, делитесь опытом. Это может привести к новым идеям и более эффективному использованию паттернов.

Не забывайте и о рефакторинге. Проанализируйте свой код, найдите места, где применение паттернов может улучшить его структуру и читаемость.

Помните, что индустрия постоянно развивается, и важно оставаться в курсе последних тенденций. Следите за новыми идеями в области проектирования, чтобы ваш подход всегда был современным и эффективным.

Заключение

Паттерны проектирования – это мощный инструмент в руках разработчиков, который обеспечивает эффективное и структурированное проектирование программного обеспечения. Благодаря поддержке принципов повторного использования кода и улучшения архитектуры, они становятся неотъемлемой частью современной разработки. Поэтому рекомендуем активно изучать и применять паттерны для достижения высокого уровня профессионализма в программировании.