Паттерны проектирования: какие бывают и как выбрать нужный

Что такое шаблоны проектирования

Шаблоны проектирования, также известные как паттерны, представляют собой проверенные и эффективные подходы к созданию программных систем. 

Они предлагают универсальные решения для часто встречающихся задач в процессе. Применение таких шаблонов помогает разработчикам создавать структурированные, легко читаемые и удобные для сопровождения программные продукты.

Применение паттернов позволяет:

• Упростить процесс разработки за счет использования готовых решений.
• Улучшить читаемость и поддержку кода.
• Повысить надежность системы за счет использования проверенных подходов.
• Снизить риск появления ошибок, связанных с неоптимальными архитектурными решениями.

Если паттерны проектирования считаются «хорошим тоном» в разработке, то антипаттерны, напротив, представляют собой примеры плохих решений. 

Пример антипаттерна — «Божественный объект» (God Object), когда один класс берет на себя слишком много обязанностей, нарушая принцип единственной ответственности (SRP). Это делает систему хрупкой и трудной для модификации.

Читайте также: Минпромторг разработает ПО для проектирования процессоров 16 нм

Знание паттернов — важный навык для любого разработчика. Оно позволяет не только писать качественный код, но и эффективно работать в команде. 

Использование общепринятых шаблонов упрощает понимание кода другими программистами, так как они уже знакомы с этими подходами. Кроме того, паттерны помогают быстрее находить решения для сложных задач, экономя время и ресурсы.

Кто применяет паттерны проектирования классов?

Применяются паттерны проектирования разработчиками, которые работают с объектно-ориентированными языками программирования (ООП), такими как:

• Java,
• C++,
• Python,
• C#,
• Ruby.

Эти языки идеально подходят для внедрения паттернов, поскольку их концепции тесно связаны с принципами ООП. Классы и объекты в ООП позволяют организовать программу в виде модульной структуры, которая легко масштабируется и модифицируется.

Однако применение паттернов не ограничивается только объектно-ориентированным программированием. Они находят свое место практически во всех направлениях разработки ПО:

1. Веб-разработка. Здесь часто используются такие паттерны проектирования интерфейсов, как MVC (Model-View-Controller) для разделения логики приложения на слои или Factory (Фабрика) для создания объектов.
2. В Android-разработке популярны паттерны проектирования кода MVVM (Model-View-ViewModel) или MVP (Model-View-Presenter), помогающие разделить логику интерфейса и бизнес-логику.
3. Игровая индустрия. Здесь активно применяются паттерны State (Состояние) для управления состояниями объектов или Command (Команда) для реализации действий персонажей.
4. Системное программирование. Даже в низкоуровневой разработке используются структурные паттерны, такие как Proxy (Заместитель), с помощью которого можно создать промежуточные объекты для управления доступом к ресурсам.

Читайте также: Новая реальность российского проектирования: чем заменить Autodesk?

Паттерны проектирования включают в себя такие примеры, как:

• Singleton,
• Factory Method,
• Abstract Factory,
• Builder,
• Prototype и другие.

Интересно, что паттерны проектирования находят применение не только в мире программирования. Их идеи можно встретить во многих других отраслях, где регулярно возникают формализованные задачи:

• В архитектуре и дизайне интерьеров существуют свои «шаблоны», которые помогают организовать пространство наиболее эффективно.
• В управлении проектами можно выделить типовые подходы к решению задач, такие как Agile или Scrum.

Роль и значение паттернов

В процессе разработки ПО нередко возникают задачи, которые имеют схожий характер и повторяются в разных проектах. Разработчики со всего мира сталкиваются с похожими проблемами, будь то управление состояниями объектов, организация взаимодействия между модулями или обработка событий.

Именно поэтому существуют паттерны проектирования — готовые шаблоны решений, которые помогают разработчикам справляться с типовыми проблемами.

Паттерны проектирования представляют собой готовые решения для типичных задач в программировании. Они избавляют от необходимости придумывать всё с нуля, позволяя разработчикам сосредоточиться на ключевых аспектах проекта.

Читайте также: Удаленное проектирование: как организовать работу более 300 сотрудников от Якутска до Минска

С паттернами можно сэкономить время и ресурсы, так как вместо поиска наиболее эффективного подхода можно использовать уже проверенную и зарекомендовавшую себя методику.

Они не только ускоряют процесс написания кода, но и делают его более понятным и структурированным. Когда разработчик использует паттерн, он фактически выбирает решение, которое уже доказало свою работоспособность в аналогичных ситуациях. Это снижает вероятность ошибок и делает код более надежным.

Читайте также: Сложная продуктовизация: как вывести разработанный программный продукт на рынок и добиться его монетизации

Кроме того, паттерны облегчают командную работу. В большинстве проектов задействовано несколько разработчиков, и каждому из них важно понимать структуру кода.

Если в проекте применены известные паттерны, другой программист, знакомый с этими шаблонами, сможет быстро разобраться в логике программы.

Правильное использование паттернов помогает не только ускорить разработку, но и сделать решения более универсальными.

Устройство и функционирование паттернов

Типичный паттерн — стандартизированное и проверенное решение определенной проблемы, возникающей в процессе разработки программного обеспечения. 

Паттерн можно представить как универсальную схему или алгоритм, где каждый блок или элемент обозначает отдельную часть программы.

Паттерны проектирования не представляют собой готовый код или универсальное решение для всех ситуаций. Скорее, их можно рассматривать как «рецепты», которые требуют адаптации под конкретные условия и задачи проекта. 

Применение паттернов не только упрощает процесс разработки, но и делает код более структурированным, понятным и удобным для совместной работы в команде.

Читайте также: Стало проще и доступнее: тренды в разработке программного обеспечения

Паттерны проектирования решают более локальные вопросы: «Как лучше организовать взаимодействие и поведение отдельных частей системы?». Они помогают разработчику понять, каким образом оптимально создавать объекты, настраивать их взаимодействие или управлять потоками данных.

Разница между паттернами проектирования и архитектурными паттернами

Несмотря на схожесть их концепций — предоставление проверенных решений для типичных проблем, — между ними есть важное различие. 

Архитектурные паттерны работают на более высоком уровне абстракции, задавая общую структуру всего приложения, в то время как паттерны объектно-ориентированного проектирования решают задачи на уровне отдельных компонентов, объектов или алгоритмов.

Паттерны проектирования архитектуры отвечают на вопрос: «Как будет организовано приложение в целом?». Например, модель MVC (Model-View-Controller) является классическим примером архитектурного паттерна. 

Она определяет принципы разделения приложения на три ключевые части: 

1. модель данных, 
2. пользовательский интерфейс,
3. контроллер, который обеспечивает взаимодействие между ними.

Дополнительно стоит упомянуть идиомы — еще один инструмент в арсенале программиста. Идиомы представляют собой формализованные способы решения задач, но в отличие от паттернов, они жестко привязаны к особенностям конкретного языка программирования. 

Идиомы работают на самом низком уровне абстракции и применяются для решения узкоспециализированных проблем.

Категории и разновидности, какие паттерны проектирования используются?

Основные паттерны проектирования классифицируются на три основные группы в зависимости от их назначения: порождающие, структурные и поведенческие. 

Рассмотрим каждую из них подробнее:

• Порождающие паттерны предназначены для оптимизации процесса создания объектов. 

Они обеспечивают гибкость и эффективность при инициализации экземпляров. Например, паттерн Singleton (Одиночка) гарантирует наличие единственного экземпляра определенного класса в системе.

• Структурные паттерны организуют взаимодействие между классами и объектами и упрощают их структуру и связи. 

К примеру, паттерн Adapter (Адаптер) позволяет интегрировать объекты с несовместимыми интерфейсами, обеспечивая их совместную работу.

• Поведенческие паттерны упрощают взаимодействие между объектами и распределяют обязанности между ними. 

Примером является паттерн Observer (Наблюдатель), который реализует механизм подписки, позволяя объектам отслеживать изменения состояния других объектов.

Читайте также: Как QA-инженеру собрать требования к программному продукту и не сойти с ума: шесть шагов

Каждая из этих категорий решает определенные задачи и применяется в зависимости от конкретных требований проекта.

Как выбрать подходящий паттерн: пошаговое руководство

Опытные разработчики, обладая глубоким пониманием архитектуры и логики ПО, способны интуитивно определить, какой шаблон лучше всего подходит для решения конкретной задачи. 

Однако для начинающих программистов этот процесс может показаться сложным и запутанным. Чтобы облегчить выбор и сделать его более структурированным, рекомендуется разбивать задачу на последовательные шаги. 

Так, например, паттерны проектирования микросервисной архитектуры включают использование API Gateway, сервисов Sidecar и Circuit Breaker для обеспечения высокой доступности, масштабируемости и надёжности системы.

Читайте также: Инструкция: как внедрить программного робота (и кому это действительно нужно)

Такой подход помогает не только разобраться в сути проблемы, но и выбрать наиболее подходящий инструмент для её решения:

• Начните с анализа задачи и выделения основных объектов, которые участвуют в процессе.
• После определения ключевых объектов нужно разобраться, каким образом они связаны и взаимодействуют друг с другом.
• Какие аспекты вашей задачи универсальны и могут встречаться в других проектах? Это позволяет абстрагироваться от деталей и сосредоточиться на архитектурных решениях.
• На этом этапе изучите описание существующих паттернов и сравните их с вашей задачей.
• Не всегда задача однозначно указывает на использование одного конкретного паттерна. Иногда несколько шаблонов могут подойти для решения проблемы.
• На этом этапе важно учитывать особенности вашего проекта: используемый язык программирования, архитектуру системы и возможные ограничения.

Достоинства паттернов проектирования

1. Сокращение времени разработки. Паттерны предлагают готовые решения для стандартных задач, что позволяет программистам уделять больше внимания уникальным особенностям проекта.
2. Улучшение качества кода. Использование проверенных подходов минимизирует риск возникновения ошибок и делает код более надежным и устойчивым.
3. Улучшение читаемости. Код, построенный на базе известных паттернов, проще понять другим разработчикам.
4. Универсальность. С помощью паттернов можно создавать гибкие решения, которые легко адаптируются под изменения требований.
5. Снижение сложности. Паттерны упрощают создание сложных систем за счет разбивки их на понятные и легко управляемые компоненты.

Минусы использования

• Вместо упрощения архитектуры паттерны могут запутать разработчиков, особенно если они не знакомы с выбранным шаблоном или его реализация выполнена недостаточно прозрачно.
• Если шаблон используется не по назначению или выбран без учета особенностей задачи, это может привести к снижению производительности приложения.
• Паттерны проектирования не являются панацеей и подходят далеко не для всех ситуаций.
• Начинающим программистам бывает непросто разобраться в многообразии существующих шаблонов и выбрать подходящий для своей задачи.
• Паттерны проектирования изначально разрабатывались для объектно-ориентированного программирования (ООП), поэтому их использование в других парадигмах, таких как функциональное программирование, может вызывать трудности и быть менее эффективным.
• Применение паттернов требует времени на их изучение и реализацию. В условиях ограниченного бюджета или жестких сроков внедрение сложных архитектурных решений может оказаться неоправданным.

Таким образом, паттерны проектирования систем позволяют архитекторам и разработчикам использовать накопленный опыт для ускорения процесса разработки, улучшения качества программного обеспечения и упрощения его поддержки.

Однако их некорректное использование может привести к чрезмерному усложнению системы и снижению производительности. Поэтому важно выбирать паттерны, подходящие для конкретного проекта, и учитывать уровень подготовки команды разработчиков.

Фото на обложке: Freepik