Wzorzec projektowy (informatyka)

Wzorzec projektowy (ang. design pattern) – uniwersalne, sprawdzone w praktyce rozwiązanie często pojawiających się, powtarzalnych problemów projektowych. Pokazuje powiązania i zależności pomiędzy klasami oraz obiektami i ułatwia tworzenie, modyfikację oraz utrzymanie kodu źródłowego. Jest opisem rozwiązania, a nie jego implementacją. Wzorce projektowe stosowane są w projektach wykorzystujących programowanie obiektowe.

Historia

Wzorce projektowe w informatyce wywodzą się z wzorców projektowych w architekturze, które zostały zaproponowane przez austriackiego architekta Christophera Alexandra^[1]^[2] i miały ułatwić konstruowanie mieszkań i pomieszczeń biurowych. Pomysł ten nie został jednak przyjęty.

Inaczej stało się w informatyce. Termin wzorca projektowego został wprowadzony do inżynierii oprogramowania przez Kenta Becka oraz Warda Cunninghama w 1987 roku. Na konferencji OOPSLA, przedstawili oni wyniki swojego eksperymentu dotyczącego ich zastosowania w programowaniu. Został spopularyzowany w 1995 przez Gang of Four (Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson oraz John Vlissides) dzięki książce Wzorce projektowe: Elementy oprogramowania obiektowego wielokrotnego użytku^[3].

Wzorce rozwiązań

Wzorce projektowe najczęściej tworzone są w oparciu o programowanie obiektowe. Zakres tego pojęcia stał się problemem rozważanym od połowy lat 90. XX wieku. Ostatecznie ustalono, że algorytmy nie są wzorcami projektowymi, jako że rozwiązują problemy obliczeniowe, a nie projektowe. Wzorce często są łączone w celu rozwiązania bardziej złożonego problemu.

Zamiast skupiać się na funkcjonowaniu poszczególnych elementów, wzorce projektowe stanowią abstrakcyjny opis zależności pomiędzy klasami, co w efekcie wprowadza pewną standaryzację kodu oraz zwiększa jego zrozumiałość, wydajność i niezawodność. Wartość wzorców projektowych stanowi nie tylko samo rozwiązanie problemu, ale także dokumentacja, która wyjaśnia cel, działanie, zalety danego rozwiązania, co pomaga w łatwiejszym stosowaniu i adaptacji wzorców w danym zastosowaniu.

Wzorce projektowe mogą przyspieszyć proces rozwoju oprogramowania przez dostarczenie wypróbowanych rozwiązań dla problemów, które mogą nie być oczywiste na początku procesu projektowego. Często zagadnienia te wiążą się z ewolucją oczekiwań względem projektowanego systemu: rozszerzeniem jego funkcjonalności, zmianą sposobu i formatu wprowadzanych danych czy dostosowaniem aplikacji do różnych klas użytkowników. Nieuwzględnienie ich na początku procesu rozwoju produktu programistycznego powoduje często konieczność gruntownego przebudowywania zaawansowanego lub gotowego już oprogramowania.

Wzorzec MVC^[4]

MVC (od angielskich słów Model, View i Controller) opracowano pod koniec lat 70 jako wzorzec realizacji interfejsu użytkownika w języku Smalltalk-80. Następnie wykorzystano go również w innych językach i systemach zorientowanych obiektowo.

Trzy składowe tego modelu to:

Model - Główny nacisk kładzie na logikę aplikacji i logikę biznesową. Model powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby był niezależny od wybranego rodzaju prezentacji oraz systemu obsługi akcji użytkownika.
Widok - zarządza graficzną lub tekstową prezentacją modelu. Widok pobiera informacje z modelu, ilekroć zostaje powiadomiony o jego zmianie.
Kontroler - jest odpowiedzialny za reagowanie na akcji użytkownika (np. kliknięcia myszką), odwzorowując je na operacje zawarte w modelu oraz na zmiany widoku.

Elementy wzorca

Wzorzec projektowy składa się z czterech podstawowych elementów:

nazwy wzorca;

problemu – opisuje sposoby rozpoznawania sytuacji, w których możemy zastosować dany wzorzec oraz warunki jakie muszą zostać spełnione, by jego zastosowanie miało sens;

rozwiązania – opisuje elementy rozwiązania: ich relacje, powiązania oraz obowiązki, zawiera także wskazówki implementacyjne dla różnych technologii;

konsekwencji – zestawienie wad i zalet stosowania wzorca, uwzględniające informacje o jego brakach oraz kosztach rozwoju i utrzymania systemu wykorzystującego dany wzorzec.

Dokumentacja

Dokumentacja wzorca projektowego powinna zawierać informacje o rozwiązywanym problemie, kontekst w jakim należy go stosować oraz sugerowane rozwiązanie. Różni autorzy mogą stosować odmienne style tworzenia takiej dokumentacji, ale zwykle jej najważniejsze elementy są do siebie podobne. Jeden z najpopularniejszych układów opisu wzorca projektowego został zaproponowany przez Bandę Czterech^[5]

Nazwa wzorca oraz klasyfikacja: opisowa oraz unikalna nazwa, umożliwiająca identyfikację oraz odwoływanie się do wzorca; klasyfikacja według jednego ze schematów.
Przeznaczenie: opis celu, który stoi za wzorcem oraz powody, jakimi należy się kierować podczas jego wyboru.
Inne nazwy: jeżeli istnieją inne, dobrze znane nazwy wzorca, należy je podać.
Motywacja: scenariusz zawierający problem powiązany z kontekstem, w którym wzorzec może być stosowany.
Stosowalność: sytuacje, w których wzorzec może być użyteczny.
Struktura: graficzna reprezentacja wzorca, zwykle jako diagram klas lub diagram interakcji.
Uczestnicy: lista klas i obiektów stosowanych w tym wzorcu oraz ich zobowiązania.
Współpraca: opis wzajemnej interakcji klas i obiektów wykorzystywanych we wzorcu.
Konsekwencje: wykaz wyników, efektów ubocznych oraz kompromisów jakie występują podczas użycia wzorca.
Implementacja: wskazówki dotyczące implementacji wzorca; zwrócenie uwagi na specyficzne kwestie.
Przykładowy kod: przykład zastosowania wzorca z wykorzystaniem jednego z języków programowania.
Przykłady zastosowania: znane przykłady zastosowania wzorca w rzeczywistych programach.
Pokrewne wzorce: odniesienie wzorca do innych, z którymi wiąże się przez wspólne stosowanie lub można go z nimi zamienić oraz przedstawienie różnic w stosunku do podobnych wzorców.

Klasyfikacja podstawowa

Początkowo Banda Czterech założyła, że istnieją dwa podstawowe rodzaje klasyfikacji wzorców^[6]. Pierwsza z nich dotyczy rodzaju wzorca i opisuje to, co on robi. Według tego kryterium wzorce możemy podzielić na trzy rodziny:

kreacyjne (konstrukcyjne) – opisujące proces tworzenia nowych obiektów; ich zadaniem jest tworzenie, inicjalizacja oraz konfiguracja obiektów, klas oraz innych typów danych^[7];
strukturalne – opisujące struktury powiązanych ze sobą obiektów;
czynnościowe (behawioralne, operacyjne^[8]) – opisujące zachowanie i odpowiedzialność współpracujących ze sobą obiektów.

Drugi model dzieli wzorce na kategorie według ich zakresów. Kategoryzacja polega na określeniu czy wzorzec dotyczy klas, czy obiektów. Tutaj wzorce dzielimy na:

klasowe – opisujące statyczne związki pomiędzy klasami;
obiektowe – opisujące dynamiczne związki pomiędzy obiektami.

Uwzględniając powyższe założenia klasyfikacja podstawowych wzorców wygląda następująco:

wzorce kreacyjne:
- Budowniczy (obiektowy),
- Fabryka abstrakcyjna (obiektowy),
- Metoda wytwórcza (klasowy),
- Prototyp (obiektowy),
- Singleton (obiektowy);

wzorce strukturalne:
- Adapter (klasowy oraz obiektowy),
- Dekorator (obiektowy),
- Fasada (obiektowy),
- Kompozyt (obiektowy),
- Most (obiektowy),
- Pełnomocnik (obiektowy),
- Pyłek (obiektowy);

wzorce czynnościowe/operacyjne:
- Łańcuch zobowiązań/odpowiedzialności (obiektowy),
- Polecenie (obiektowy),
- Interpreter (klasowy),
- Iterator (obiektowy),
- Mediator (obiektowy),
- Pamiątka/Memento (ang. Memento) (obiektowy),
- Metoda szablonowa (ang. template method) (klasowy),
- Obserwator (obiektowy),
- Stan (obiektowy),
- Strategia (obiektowy),
- Odwiedzający/Wizytator (ang. visitor) (obiektowy),
- Zabór Zasobu Jest Inicjalizacją (obiektowy).

Klasyfikacja rozszerzona

W późniejszym okresie pojawiły się inne kategorie wzorców projektowych:

wzorce współbieżności – definiują sposoby współdziałania wielu obiektów, wątków lub procesów; zaliczany do nich:

Wzorce odwzorowania O-R – opisują (między innymi) wymianę danych pomiędzy warstwą danych a warstwą logiki biznesowej:
- Leniwa inicjalizacja.

Pozostałe wzorce
- Wstrzykiwanie zależności

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Katalog wzorców projektowych

Przypisy

↑ Alexander, Christopher, The Timeless Way of Building, Oxford University Press, 1979, ISBN 978-0-19-502402-9.
↑ Alexander Christopher, Sara Ishikawa, Murray Silverstein, The Pattern Language: Towns, Buildings, Construction, Oxford University Press, 1977, ISBN 978-0-19-501919-3.
↑ Tytuł oryginalny: „Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software, ISBN 978-0-201-63361-0.
↑ BarbaraB. Filipczyk BarbaraB., JerzyJ. Gołuchowski JerzyJ., Tworzenie aplikacji internetowych : praca zbiorowa, Katowice: Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej im. Karola Adamieckiego, 2008, ISBN 978-83-7246-449-1, OCLC 316477849 [dostęp 2020-09-20] .
↑ Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Inżynieria oprogramowania: Wzorce projektowe (Wyd. II). Warszawa: WNT, 2008, s. 7–9. ISBN 978-83-204-3472-9.
↑ Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Inżynieria oprogramowania: Wzorce projektowe (Wyd. II). Warszawa: WNT, 2008, s. 12. ISBN 978-83-204-3472-9.
↑ Christopher G. Lasater: Design Patterns. Wordware Publishing (Jones and Bartlett Publishers), 2007, s. 302. ISBN 978-1-59822-031-5.
↑ 1.5 Struktura katalogu. W: Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Wzorce projektowe. Helion, 2010, s. 24. ISBN 978-83-246-2662-5.

Bibliografia

Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Inżynieria oprogramowania: Wzorce projektowe (Wyd. II). Warszawa: WNT, 2008. ISBN 978-83-204-3472-9.
Christopher G. Lasater: Design Patterns. Wordware Publishing (Jones and Bartlett Publishers), 2007, s. 302. ISBN 978-1-59822-031-5.

[TimelessWayOfBuilding-1] Alexander, Christopher, The Timeless Way of Building, Oxford University Press, 1979, ISBN 978-0-19-502402-9.

[ThePatternLanguage-2] Alexander Christopher, Sara Ishikawa, Murray Silverstein, The Pattern Language: Towns, Buildings, Construction, Oxford University Press, 1977, ISBN 978-0-19-501919-3.

[DesignPatternsElementOfReusableOOS-3] Tytuł oryginalny: „Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software, ISBN 978-0-201-63361-0.

[4] BarbaraB. Filipczyk BarbaraB., JerzyJ. Gołuchowski JerzyJ., Tworzenie aplikacji internetowych : praca zbiorowa, Katowice: Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej im. Karola Adamieckiego, 2008, ISBN 978-83-7246-449-1, OCLC 316477849 [dostęp 2020-09-20] .

[InżynieriaOprogramowaniaWzorceProjektowe-5] Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Inżynieria oprogramowania: Wzorce projektowe (Wyd. II). Warszawa: WNT, 2008, s. 7–9. ISBN 978-83-204-3472-9.

[InżynieriaOprogramowaniaWzorceProjektowe2-6] Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Inżynieria oprogramowania: Wzorce projektowe (Wyd. II). Warszawa: WNT, 2008, s. 12. ISBN 978-83-204-3472-9.

[Design_Patterns-7] Christopher G. Lasater: Design Patterns. Wordware Publishing (Jones and Bartlett Publishers), 2007, s. 302. ISBN 978-1-59822-031-5.

[WzorceProjektowe-8] 1.5 Struktura katalogu. W: Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Wzorce projektowe. Helion, 2010, s. 24. ISBN 978-83-246-2662-5.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]