- Що таке патерн (шаблон) проєктування.
- Коли використовують шаблони.
- Якими бувають патерни проєктування.
- Як обрати шаблон?
- Висновки.
Програмісти-початківці завжди приходять до точки, коли їхній код перетворюється на “спагеті”. Його важко читати, він містить масу самоповторень, зайвих функцій, а додавання нового функціоналу перетворюється на десяте коло пекла.
Один із найкращих засобів запобігання цьому – використовувати патерни проєктування (Design Patterns). Чи є це срібною кулею, які переваги та недоліки патернів існують, і які з них необхідно знати розробникам? Відповіді розбираємо нижче.
Що таке патерн (шаблон) проєктування?
Патерни – це типові архітектурні рішення проблем, котрі часто зустрічаються під час розроблення ПЗ. Їхня інша назва – шаблони, і що цікаво – людство дуже часто оточує себе шаблонами у повсякденному житті:
- однакові гнізда розетки та форми вилок у приміщеннях – універсальне рішення для електроживлення;
- виделки та ложки – інструменти споживання майже будь-якої їжі;
- чашки – ємності для розміщення будь-якої рідини і так далі.
Людина завжди прагне спростити традиційну діяльність, і це не могло обійти стороною програмування.
Ідеї створення універсальних правил для якісної розробки існували ще до 90-х років минулого століття, але дійсно проривною стала праця "Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software" (1994) авторства Еріха Ґамма, Річарда Гелма, Ральфа Джонсона та Джона Вліссідеса, які іменують себе як "Банда чотирьох" (Gang of Four, GoF).
У книзі описано 23 патерна та їхнє застосування в об'єктно-орієнтованому дизайні. Ця праця стала фундаментальною і тепер патерни gof складають кістяк багатьох обговорень якісного коду.
Коли використовують патерни
В розробці шаблони використовують при необхідності приведення коду до наступних критеріїв:
- Читабельність – інші розробники мають без складнощів розуміти написане.
- Масштабованість – легкість у створенні нового функціоналу.
- Підтримуваність – оновлення кодової бази має проходити якомога плавніше.
Також вони здатні підвищити швидкість і продуктивність розробника – патерни це дійсно дозволяють. Вони гарно справляються і з наступними задачами:
- зменшення кількості потенційних помилок та вузьких місць;
- спрощення рефакторингу;
- зменшення технічного боргу;
- покращення комунікації девелоперів з іншими програмістами, проєктними менеджерами, власниками тощо.
Необхідність використати шаблони проектування зростає разом зі збільшенням кодової бази, особливо при комерційному розробленні – коли створюване ПЗ має приносити прибуток.
Важливо пам’ятати, що використання патернів інколи є геть недоречним. Подекуди воно може значно ускладнити читабельність, громіздкість і масштабованість коду. Наприклад, нескладний функціонал, який нечасто використовується і займає мало місця в коді, не потребує pattern-втручання. А от репетативний код, що вирішує класичні задачі (сортування, перебір даних тощо) – ідеальний претендент на застосування шаблону.
Аби не помилитися спершу з’ясуйте контекст вашої проблеми, а вже потім обирайте патерни програмування, які найкраще задовольняють вимогам.
Якими бувають патерни проєктування
У своїй книзі GoF виділяють три великі сімейства:
|
Сімейство |
Короткий опис |
|
Породжуючі патерни або Creational Patterns |
Надають найкращі способи створення об'єктів. Вони абстрагуються від процесу конкретизації і роблять вашу систему незалежною від створення, компонування та представлення її об'єктів. Популярні приклади: “Абстрактна фабрика” (Abstract Factory), “Одинак” / “Одиночка” (Singleton), “Прототип” (Prototype), “Фабричний метод” (Factory Method). |
|
Структурні патерни або Structural Patterns |
Фокусуються на композиції об’єкту. Допомагають переконатися в тому, що зміна частини системи не потягне за собою необхідність змін в інших її складових. Популярні приклади: “Проксі” (Proxy), “Адаптер” (Adapter), “Компонувальник” (Composite), “Фасад” (Facade). |
|
Патерни поведінки або Behavioral Patterns |
Зона відповідальності – алгоритми та обмін інформацією між об’єктами. Популярні приклади: “Відвідувач” (Visitor), “Ітератор” (Iterator), “Ланцюжок обов’язків” (Chain of Responsibility), “Стратегія” (Strategy). |
Розглянемо більш детально деякі з них.
Породжуючі
Породжуючі патерни – це надійні помічники у створенні об’єктів таким чином, аби в майбутньому з ними було максимально легко працювати.
Дамо короткий опис деяких шаблонів:
- Патерн Одинак / Сінглтон забезпечує наявність лише одного екземпляру класу з глобальною точкою доступу. Singleton поширений в задачах конфігурацій або логування в застосунках, де потрібен єдиний контрольований доступ.
- Шаблон Прототип дозволяє створювати нові об'єкти шляхом копіювання існуючих екземплярів. Використовується Prototype в ситуаціях, коли створення об'єкта надто дороге, наприклад, при клонуванні складних або ресурсоємних об'єктів.
- Фабричний метод визначає інтерфейс для створення об'єктів, але дозволяє підкласам самостійно визначати тип створюваних об'єктів. Fabric Method корисний у багатофункціональних застосунках, де класи повинні мати можливість вибирати тип об'єктів, наприклад, при роботі з різними форматами документів, системами онлайн платежів тощо.
- Абстрактна фабрика визначає інтерфейс для створення сімейств пов'язаних об'єктів без вказівки їх конкретних класів. Використовують Abstract Factory для створення різних компонентів інтерфейсу користувача, які повинні працювати разом і забезпечувати єдиний стиль (світла / темна тема вебсайту тощо).
Розглянемо приклад на патерні Singleton. Уявіть собі просту програму – музичний плеєр. Він дозволяє користувачам відтворювати музичні файли. Однак водночас має працювати лише один екземпляр плеєра – можливість відкриття декількох одночасно повинна бути недоступна. Цього можна досягти за допомогою шаблону Singleton.
Простий приклад коду мовою C#:
public class MusicPlayer
{
private static MusicPlayer _instance;
private MusicPlayer()
{
// Ініціалізуємо музичний плеєр (наприклад, завантажуємо плейлисти)
}
public static MusicPlayer Instance
{
get
{
if (_instance == null)
{
_instance = new MusicPlayer();
}
return _instance;
}
}
public void PlaySong(string songPath)
{
// Запустити пісню
}
public void PauseSong()
{
// Поставити на паузу
}
public void StopSong()
{
// Зупинити відтворення пісні
}
}// Отримуємо екземпляр MusicPlayer
MusicPlayer player = MusicPlayer.Instance;// Використовуємо функціонал MusicPlayer
player.PlaySong("C:\\Users\\yourUsername\\Music\\mySong.mp3");
player.PauseSong();
player.StopSong();
Щоразу як в різних ділянках проєкту вам треба буде створювати екземпляр плеєру для відповідної взаємодії, ви завжди працюватимете лише з одним і тим самим екземпляром, уникаючи дублікації.
Якщо ви програмуєте мовою сі шарп, детально розібрати популярні патерни проєктування C# з прикладами ви можете за посиланням.
Структурні
З короткого опису в таблиці легко дійти висновку, що структурні патерни дозволяють сформувати надійну, масштабовану та підтримувану архітектуру проєкту. Коротке знайомство:
- Проксі забезпечує об'єкт-посередник для контролю доступу до іншого об'єкта. Зазвичай шаблон Proxy використовують для реалізації “лінивого” завантаження, коли об'єкт створюється або ініціалізується лише при зверненні до нього (наприклад, завантаження картинок з високою роздільною здатністю).
- Адаптер дозволяє об'єктам з несумісними інтерфейсами працювати разом. Застосовується патерн Adapter для інтеграції нових компонентів в існуючу систему без зміни її коду. Підходить для використання нової бібліотеки у старому застосунку.
- Компонувальник використовується для ієрархічного компонування об'єктів для подальшої роботи з ними як з єдиним об'єктом. Використовується для створення деревоподібних структур, як-от файлові системи або GUI, де кожен вузол може бути як простим, так і Composite об'єктом.
- Фасад (Facade) надає спрощений інтерфейс для взаємодії зі складною системою або набором класів. Він зменшує складність роботи з підсистемами і надає користувачам єдиний вхідний інтерфейс для виконання рутинних операцій.
Вивчити саме структурні патерни проєктування C# (з прикладами) ви можете за посиланням.
Поведінкові
Патерни поведінки в першу чергу визначають зв’язки між об’єктами і те, як вони здійснюють обмін інформацією. Наприклад:
- Патерн Відвідувач (Visitor) дозволяє додавати нові операції до об'єктів без зміни їхніх оригінальних класів. Використовується для взаємодії з об’єктами зі складною структурою, коли внесення додаткової логіки в оригінальні класи невиправдано ускладнює код.
- Ітератор / Iterator надає зручний механізм послідовного та простого доступу до елементів колекції, незважаючи на складність її побудови. Даний патерн поведінки популярний при обході елементів контейнерів, як-от списки або масиви – він надає універсальний інтерфейс для різних типів колекцій.
- Ланцюжок обов’язків або ж патерн Chain of Responsibility дозволяє передавати запит ланцюжком обробників, поки один з них не обробить запит. Незамінний при обробці запитів на сервері, де кожен обробник може передати запит наступному обробнику в ланцюжку: перевірка при авторизації на сайті, оброблення подій у GUI тощо.
Для входу в патерни проєктування книга від Gang of Four буде гарною точкою відліку. Ви познайомитеся з класикою та академічним розкриттям теми, використовуючи патерни gof. Якщо ж ви хочете збагатити свої знання шаблонів, але віддаєте перевагу мові Java, рекомендуємо відео курс “Патерни проектування Java”.
Як обрати патерн?
Спочатку ви маєте проаналізувати задачу – для більшої зрозумілості виконайте її декомпозицію, розбивши на декілька складових. При цьому використовуйте системний підхід: прорахуйте, як ваше рішення вплине на весь проєкт, які елементи воно зачепить зараз, і який вплив воно матиме на додавання нового коду.
Якщо ви вже працюєте в ІТ-компанії, ваші колеги, тімлід або архітектор можуть підказати вам доцільність використання того чи іншого патерну, розкрити нюанси вже існуючої архітектури, кодового стилю та багато іншого.
Лише після ретельного аналізу можна переходити до підбору шаблону, зважаючи на усі переваги та недоліки. До речі, в цих задачах гарними помічниками будуть безкоштовні AI-асистенти на кшталт ChatGPT, Gemini та ін.
Також не забувайте про використання інших методик покращення кодової читабельності, масштабування й чистоти:
- SOLID принципи – вони регламентують 5 основних засад створення структурованого, якісного коду. Нещодавно ми проводили вебінар, на якому розбирали кожен принцип в деталях, запрошуємо до перегляду! А якщо вас цікавить прикладний характер SOLID принципів на Java, можете пройти даний відео курс.
- GRASP (General Responsibility Assignment Software Patterns) – патерни для об’єктно-орієнтованого проєктування. Вони не мають вираженої структури і носять більш абстрактний характер, аніж патерни gof.
- DRY (Don’t Repeat Yourself) – головна ідея даного принципу полягає у створенні коду, який не матиме дублікацій в проєкті.
- KISS (Keep It Simple, Stupid) – регламентує написання якомога простішого коду, аби його можна було легко читати і розуміти.
- Рефакторинг – повернення до вже написаного коду з метою його покращення без зміни функціональності.
- Інші техніки, що залежать від проєктів.
Безкоштовні вебінари за схожою тематикою:
Висновки
Патерни грають ключову роль в сучасному розробленні. Вони акумулюють в собі найкращі практики створення кодової бази таким чином, аби досягнути максимальної легкості та ефективності розроблення, особливо на великих проєктах.
Звісно, не завжди їхнє використання є доречним – потрібно аналізувати задачі і продумувати наслідки застосування того чи іншого шаблону, аби не отримати величезну валізу без ручки.
Розвивайте вашу експертизу в області патернів – це win-win стратегія. З одного боку перед працедавцями ви постанете як досвідчений та висококваліфікований спеціаліст, а з іншого – ваші програмні рішення матимуть елегантний характер і відзначатимуться легкістю в читанні, підтримці та масштабуванні.
Чи використовуєте ви патерни в своїй розробницькій діяльності? Можливо, тільки вивчаєте? Залишайте в коментарях ваші відповіді!
Статті за схожою тематикою
