Шаблон проектирования

В разработке программного обеспечения, шаблон проектирования или паттерн (англ. design pattern) — повторимая архитектурная конструкция, представляющая собой решение проблемы проектирования в рамках некоторого часто возникающего контекста.

Обычно шаблон не является законченным образцом, который может быть прямо преобразован в код; это лишь пример решения задачи, который можно использовать в различных ситуациях. Объектно-ориентированные шаблоны показывают отношения и взаимодействия между классами или объектами, без определения того, какие конечные классы или объекты приложения будут использоваться.

«Низкоуровневые» шаблоны, учитывающие специфику конкретного языка программирования, называются идиомами. Это хорошие решения проектирования, характерные для конкретного языка или программной платформы, и потому не универсальные.

На наивысшем уровне существуют архитектурные шаблоны, они охватывают собой архитектуру всей программной системы.

Алгоритмы по своей сути также являются шаблонами, но не проектирования, а вычисления, так как решают вычислительные задачи.

История

В 1970-е годы архитектор Кристофер Александр составил набор шаблонов проектирования. В области архитектуры эта идея не получила такого развития, как позже в области программной разработки.

В 1987 году Кент Бэк (Kent Beck) и Вард Каннигем (Ward Cunningham) взяли идеи Александра и разработали шаблоны применительно к разработке программного обеспечения для разработки графических оболочек на языке Smalltalk.

В 1988 году Эрих Гамма (Erich Gamma) начал писать докторскую диссертацию при цюрихском университете об общей переносимости этой методики на разработку программ.

В 1989—1991 годах Джеймс Коплин (James Coplien) трудился над разработкой идиом для программирования на C++ и опубликовал в 1991 году книгу Advanced C++ Idioms.

В этом же году Эрих Гамма заканчивает свою докторскую диссертацию и переезжает в США, где в сотрудничестве с Ричардом Хелмом (Richard Helm), Ральфом Джонсоном (Ralph Johnson) и Джоном Влиссидсом (John Vlissides) публикует книгу Design Patterns — Elements of Reusable Object-Oriented Software. В этой книге описаны 23 шаблона проектирования. Также команда авторов этой книги известна общественности под названием «Банда четырёх» (англ. Gang of Four, часто сокращается до GoF). Именно эта книга стала причиной роста популярности шаблонов проектирования.

Польза

Главная польза каждого отдельного шаблона состоит в том, что он описывает решение целого класса абстрактных проблем. Также тот факт, что каждый шаблон имеет свое имя, облегчает дискуссию об абстрактных структурах данных (ADT) между разработчиками, так как они могут ссылаться на известные шаблоны. Таким образом, за счёт шаблонов производится унификация терминологии, названий модулей и элементов проекта.

Правильно сформулированный шаблон проектирования позволяет, отыскав удачное решение, пользоваться им снова и снова.

Критика

Иногда шаблоны консервируют громоздкую и малоэффективную систему понятий, разработанную узкой группой. Когда количество шаблонов возрастает, превышая критическую сложность, исполнители начинают игнорировать шаблоны и всю систему, с ними связанную. Нередко шаблонами заменяется отсутствие или недостаточность документации в сложной программной среде.

Есть мнение, что слепое применение шаблонов из справочника, без осмысления причин и предпосылок выделения каждого отдельного шаблона, замедляет профессиональный рост программиста, так как подменяет творческую работу механической подстановкой шаблонов. Люди, придерживающиеся данного мнения, считают, что знакомиться со списками шаблонов необходимо тогда, когда программист «дорос» до них в профессиональном плане — и не раньше. Хороший критерий нужной степени профессионализма — выделение шаблонов самостоятельно, на основании собственного опыта. При этом, разумеется, знакомство с теорией, связанной с шаблонами, полезно на любом уровне профессионализма и направляет развитие программиста в правильную сторону. Сомнению подвергается только использование шаблонов «по справочнику».

Шаблоны могут пропагандировать плохие стили разработки приложений, и зачастую слепо применяются. Для преодоления этих недостатков используется рефакторинг.

Типы шаблонов проектирования

Основные

Название	Оригинальное название	Описание	Описан в Design Patterns
Основные шаблоны (Fundamental)
Шаблон делегирования	Delegation pattern	Объект внешне выражает некоторое поведение, но в реальности передаёт ответственность за выполнение этого поведения связанному объекту	н/д
Шаблон функционального дизайна	Functional design	Гарантирует, что каждый модуль компьютерной программы имеет только одну обязанность и исполняет её с минимумом побочных эффектов на другие части программы	н/д
Неизменяемый объект	Immutable	Объект, который не может быть изменён после своего создания	н/д
Интерфейс	Interface	Общий метод для структурирования компьютерных программ для того, чтобы их было проще понять	н/д
Marker interface	Marker interface		н/д
Property Container	Property Container	Функция данного шаблона - обеспечить динамическую расширяемость уже готового приложения.	н/д
Event Channel	Event Channel		н/д
Порождающие шаблоны (Creational) — шаблоны проектирования, которые абстрагируют процесс инстанцирования. Они позволяют сделать систему независимой от способа создания, композиции и представления объектов. Шаблон, порождающий классы, использует наследование, чтобы изменять инстанцируемый класс, а шаблон, порождающий объекты, делегирует инстанцирование другому объекту.
Абстрактная фабрика	Abstract factory	Класс, который представляет собой интерфейс для создания компонентов системы.	Да
Строитель	Builder	Класс, который представляет собой интерфейс для создания сложного объекта	Да
Фабричный метод	Factory method	Определяет интерфейс для создания объекта, но оставляет подклассам решение о том, какой класс инстанциировать	Да
Отложенная инициализация	Lazy initialization	Объект, инициализируемый во время первого обращения к нему	Нет
Пул одиночек	Multiton	Гарантирует, что класс имеет поименованные экземпляры объекта и обеспечивает глобальную точку доступа к ним	Нет
Объектный пул	Object pool	Класс, который представляет собой интерфейс для работы с набором инициализированных и готовых к использованию объектов	Нет
Прототип	Prototype	Определяет интерфейс создания объекта через клонирование другого объекта вместо создания через конструктор	Да
Получение ресурса есть инициализация	Resource acquisition is initialization (RAII)	Получение некоторого ресурса совмещается с инициализацией, а освобождение — с уничтожением объекта	Нет
Одиночка	Singleton	Класс, который может иметь только один экземпляр.	Да
Структурные шаблоны (Structural) определяют различные сложные структуры, которые изменяют интерфейс уже существующих объектов или его реализацию, позволяя облегчить разработку и оптимизировать программу.
Адаптер	Adapter / Wrapper	Объект, обеспечивающий взаимодействие двух других объектов, один из которых использует, а другой предоставляет несовместимый с первым интерфейс	Да
Мост	Bridge	Структура, позволяющая изменять интерфейс обращения и интерфейс реализации класса независимо	Да
Компоновщик	Composite	Объект, который объединяет в себе объекты, подобные ему самому	Да
Декоратор или Wrapper/Обёртка	Decorator	Класс, расширяющий функциональность другого класса без использования наследования	Да
Фасад	Facade	Объект, который абстрагирует работу с несколькими классами, объединяя их в единое целое	Да
Единая точка входа	Front Controller	Обеспечивает унифицированный интерфейс для интерфейсов в подсистеме. Front Controller определяет высокоуровневый интерфейс, упрощающий использование подсистемы	Нет
Приспособленец	Flyweight	Это объект, представляющий себя как уникальный экземпляр в разных местах программы, но по факту не являющийся таковым	Да
Заместитель	Proxy	Объект, который является посредником между двумя другими объектами, и который реализовывает/ограничивает доступ к объекту, к которому обращаются через него	Да
Поведенческие шаблоны (Behavioral) определяют взаимодействие между объектами, увеличивая таким образом его гибкость.
Цепочка ответственности	Chain of responsibility	Предназначен для организации в системе уровней ответственности	Да
Команда, Action, Transaction	Command	Представляет действие. Объект команды заключает в себе само действие и его параметры	Да
Интерпретатор	Interpreter	Решает часто встречающуюся, но подверженную изменениям, задачу	Да
Итератор, Cursor	Iterator	Представляет собой объект, позволяющий получить последовательный доступ к элементам объекта-агрегата без использования описаний каждого из объектов, входящий в состав агрегации	Да
Посредник	Mediator	Обеспечивает взаимодействие множества объектов, формируя при этом слабую связанность и избавляя объекты от необходимости явно ссылаться друг на друга	Да
Хранитель, Token	Memento	Позволяет не нарушая инкапсуляцию зафиксировать и сохранить внутреннее состояния объекта так, чтобы позднее восстановить его в этом состоянии	Да
	Null object	Предотвращает нулевые указатели, предоставляя объект «по умолчанию»	Нет
Наблюдатель, Dependents, Publish-Subscribe, Listener	Observer или Publish/subscribe	Определяет зависимость типа «один ко многим» между объектами таким образом, что при изменении состояния одного объекта все зависящие от него оповещаются об этом событии	Да
Слуга	Servant	Используется для обеспечения общей функциональности группе классов	Нет
	Specification	Служит для связывания бизнес-логики	Нет
Состояние, Objects for States	State	Используется в тех случаях, когда во время выполнения программы объект должен менять свое поведение в зависимости от своего состояния	Да
Стратегия	Strategy	Предназначен для определения семейства алгоритмов, инкапсуляции каждого из них и обеспечения их взаимозаменяемости	Да
Шаблонный метод	Template method	Определяет основу алгоритма и позволяет наследникам переопределять некоторые шаги алгоритма, не изменяя его структуру в целом.	Да
Посетитель	Visitor	Описывает операцию, которая выполняется над объектами других классов. При изменении класса Visitor нет необходимости изменять обслуживаемые классы.	Да
Simple Policy			Нет
Event listener			Нет
Single-serving visitor	Single-serving visitor	Оптимизирует реализацию шаблона посетитель, который инициализируется, единожды используется, и затем удаляется	Нет
Hierarchical visitor	Hierarchical visitor	Предоставляет способ обхода всех вершин иерархической структуры данных (напр. древовидной)	Нет

Частные

Шаблоны параллельного программирования (Concurrency)

Используются для более эффективного написания многопоточных программ, и предоставляет готовые решения проблем синхронизации.

Название	Оригинальное название	Описание
Active Object	Active object	Служит для отделения потока выполнения метода от потока, в котором он был вызван. Использует шаблоны асинхронный вызов методов и планировщик
Balking	Balking	Служит для выполнения действия над объектом только тогда, когда тот находится в корректном состоянии
	Binding Properties	Комбинирует несколько наблюдателей для обеспечения синхронизации свойств в различных объектах
	Messaging design pattern (MDP)	Позволяет компонентам и приложениям обмениваться информацией (сообщениями)
Блокировка с двойной проверкой	Double-checked locking	Предназначен для уменьшения накладных расходов, связанных с получением блокировки
	Event-based asynchronous	Addresses problems with the Asynchronous pattern that occur in multithreaded programs.
Guarded suspension	Guarded suspension	Используется для блокировки выполнения действия над объектом только тогда, когда тот находится в корректном состоянии
Half-Sync/Half-Async
Leaders/followers
	Lock	Один поток блокирует ресурс для предотвращения доступа или изменения его другими потоками
Монитор	Monitor object	Объект, предназначенный для безопасного использования более чем одним потоком
Reactor	Reactor	Предназначен для синхронной передачи запросов сервису от одного или нескольких источников
Read write lock	Read-write lock	Позволяет нескольким потокам одновременно считывать информацию из общего хранилища, но позволяя только одному потоку в момент времени изменять её
Планировщик	Scheduler	Обеспечивает механизм реализации политики планирования, но при этом не зависящих ни от одной конкретной политики
Thread pool	Thread pool	Предоставляет пул потоков для обработки заданий, представленных обычно в виде очереди
Thread-Specific Storage	Thread-specific storage	Служит для предоставления различных глобальных переменных для разных потоков
Однопоточное выполнение	Single Thread Execution	Препятствует конкурентному вызову метода, тем самым запрещая параллельное выполнение этого метода
Кооперативный паттерн	Cooperative pattern

MVC

• Model-View-Controller (MVC) Модель-представление-контроллер
• Model-View-Presenter
• Model-View-View Model
• Presentation-Abstraction-Control

Enterprise

• Business Delegate
• Composite Entity/Составная Сущность
• Composite View
• DAO (Data Access Object) Объект Доступа к Данным
• Dispatcher View
• Front Controller
• Intercepting Filter
• Registry
• Service Activator
• Service Locator/Локатор Службы
• Service to Worker
• Session Facade/Фасад Сессии
• Transfer Object Assembler
• Transfer Object/Объект Перемещения
• Value List Handler/Обработчик Списка Значений
• View Helper
• Unit of Work

Прочие

• Repository/Хранилище

Другие типы шаблонов

Также на сегодняшний день существует ряд других шаблонов:

• Carrier Rider Mapper описывают предоставление доступа к хранимой информации
• Аналитические шаблоны описывают основной подход для составления требований для программного обеспечения (requirement analysis) до начала самого процесса программной разработки
• Коммуникационные шаблоны описывают процесс общения между отдельными участниками/сотрудниками организации
• Организационные шаблоны описывают организационную иерархию предприятия/фирмы
• Анти-паттерны (Anti-Design-Patterns) описывают, как не следует поступать при разработке программ, показывая характерные ошибки в дизайне и в реализации

См. также

• Анти-паттерн
• Дизайн манифест
• Обобщённое программирование
• Шаблоны C++
• Шаблоны J2EE
• CQRS
• Dependency Injection
• Книга "Design Patterns"(от создателей шаблонов проектирования)
• GRASP
• UML

Литература

• Мартин Фаулер. Шаблоны корпоративных приложений = Patterns of Enterprise Application Architecture (Addison-Wesley Signature Series). — М.: «Вильямс», 2009. — С. 544. — ISBN 0-321-12742-0.
• Э. Гамма, Р. Хелм, Р. Джонсон, Дж. Влиссидес. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования = Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. — СПб.: «Питер», 2007. — С. 366. — ISBN 978-5-469-01136-1. (также ISBN 5-272-00355-1)
• Марк Гранд. Шаблоны проектирования в JAVA. Каталог популярных шаблонов проектирования, проиллюстрированных при помощи UML = Patterns in Java, Volume 1. A Catalog of Reusable Design Patterns Illustrated with UML. — М.: «Новое знание», 2004. — С. 560. — ISBN 5-94735-047-5.
• Крэг Ларман. Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования = Applying UML and Patterns : An Introduction to Object-Oriented Analysis and Design and Iterative Development. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 736. — ISBN 0-13-148906-2.
• Джошуа Кериевски. Рефакторинг с использованием шаблонов (паттернов проектирования) = Refactoring to Patterns (Addison-Wesley Signature Series). — М.: «Вильямс», 2006. — С. 400. — ISBN 0-321-21335-1.
• Скотт В. Эмблер, Прамодкумар Дж. Садаладж. Рефакторинг баз данных: эволюционное проектирование = Refactoring Databases: Evolutionary Database Design (Addison-Wesley Signature Series). — М.: «Вильямс», 2007. — С. 368. — ISBN 0-321-29353-3.

Ссылки

• Ольга Дубина. Обзор паттернов проектирования  (неопр.). — Обзор нескольких наиболее значительных монографий, посвященных паттернам проектирования информационных систем. Дата обращения: 5 сентября 2006. Архивировано 23 августа 2011 года.
• Каталог шаблонов J2EE
• Один из многих сайтов с шаблонами проектирования на Perl
• Portland Pattern Repository — список шаблонов проектирования на движке вики
• mgrand’s book — сайт с описанием большого количества шаблонов проектирования
• Каталог шаблонов на сайте Hillside.net
• Структурные шаблоны проектирования в XML
• Resign Patterns — проломы проектно-дизориентированного проектирования (пародия на паттерны)
• Eclipse’s Culture of Shipping (англ.) Erich Gamma
• PHP Design Patterns Reference and Examples
• Видео-вебкаст 'Design Patterns' — вебкаст о шаблонах проектирования, 23 шаблона
• Javenue - Объектно-ориентированное проектирование, паттерны проектирования (шаблоны)