📚 Паттерны проектирования

Вводная

За последние полтора года я успел пройти около пяти-шести собеседований (разработка на Go). И на большинстве из них меня спрашивали о так называемых паттернах проектирования. Вещь полезная, вот я и решил написать о них статью.

В целом о всех

Паттерны проектирования - это повторно используемые решения для часто встречающихся проблем в проектировании программного обеспечения. Они представляют собой концепции, которые можно использовать для решения определенных задач, что помогает упростить и ускорить процесс разработки программного обеспечения.

Типы паттернов:

Порождающие(creational) - отвечают за создание новых объектов или классов. Например, фабрика(factory), одиночка(singleton) или строитель(builder).
Структурные(structural) - используются для организации объектов в более сложные структуры. Например, адаптер, мост(bridge) или декоратор.
Поведенческие(behavioral) - определяют взаимодействие между объектами и классами, описывают, как объекты общаются друг с другом. Например, итератор, посетитель(visitor) или стратегия.

Каждый паттерн проектирования имеет свою определенную структуру и способ применения, который может быть применен в разных случаях для достижения желаемого результата. Использование паттернов проектирования помогает улучшить качество кода, упростить его поддержку и повысить эффективность разработки.

Порождающие

Прототип(prototype)

Это паттерн, который используется для создания новых объектов, используя существующие объекты в качестве прототипов. Он позволяет создавать новые объекты, копируя существующие объекты, без необходимости создания объектов с нуля.

Процесс создания новых объектов с помощью прототайпа заключается в следующем: сначала создается прототип объекта, который является исходной копией. Затем создается новый объект, который копирует значения свойств и методов прототипа (объект на основе прототипа). При этом новый объект может быть изменен, не затрагивая прототип.

Прототайп может быть особенно полезен в случаях, когда создание объекта занимает много времени или ресурсов, или когда необходимо создать множество объектов, имеющих похожие свойства и методы.

Преимущества использования прототайпа включают более эффективное использование ресурсов и уменьшение времени, затрачиваемого на создание новых объектов. Кроме того, он помогает уменьшить повторяющийся код и облегчает поддержку приложения.

Фабрика(factory)

Позволяет создавать объекты различных типов, не раскрывая своей логики создания. В шести словах - логика создания объектов выносится в отдельный класс

В простых словах, фабрика используется для создания объектов без явного указания класса конкретного объекта. Это достигается путем использования фабричного метода, который может создавать объекты различных типов, исходя из переданных параметров.

При использовании фабрики, клиентский код использует фабричный метод для создания объектов. Фабрика выполняет создание объекта и возвращает его в клиентский код. Клиентский код не знает о классе создаваемого объекта, поскольку он взаимодействует только с фабричным методом.

Фабрика позволяет создавать объекты с различными свойствами, не изменяя логику создания объектов. Паттерн упрощает процесс создания объектов и позволяет избежать дублирования кода при создании объектов с похожими свойствами. Кроме того, фабрика делает код более гибким и расширяемым, поскольку новые типы объектов могут быть легко добавлены в систему.

Одиночка(singleton)

Гарантирует, что в системе будет только один экземпляр определенного класса, и предоставляет глобальную точку доступа к этому экземпляру.

Основная идея синглтона заключается в том, чтобы скрыть конструктор класса и предоставить статический метод для создания и получения единственного экземпляра. Это позволяет гарантировать, что в любой момент времени будет существовать только один экземпляр класса, и что этот экземпляр будет доступен из любой части программы.

Cинглтон применяется в тех случаях, когда необходимо гарантировать, что существует только один экземпляр класса, например, для организации глобальной настройки приложения.

Примером синглтона может быть класс, отвечающий за логирование в приложении. В данном случае необходимо гарантировать, что в любой момент времени будет существовать только один экземпляр класса, который будет осуществлять логирование, и который будет доступен из любой части программы.

Строитель(builder)

Позволяет создавать объекты пошагово, разбивая процесс конструирования на отдельные шаги.

В простых словах, билдер используется для создания сложных объектов, которые могут содержать большое количество свойств и зависимостей между ними. Этот паттерн разбивает процесс создания объекта на отдельные шаги, каждый из которых отвечает за определенный аспект конструирования объекта.

При использовании билдера, клиентский код инициирует процесс конструирования объекта, передавая необходимые параметры конструктору. Затем создается строитель, который реализует методы для установки отдельных свойств объекта в соответствии с требованиями клиента.

После того как все свойства объекта были установлены, клиент получает готовый объект.

Билдер упрощает процесс создания сложных объектов и позволяет избежать дублирования кода при инициализации объектов с похожими свойствами. Он делает код более гибким и расширяемым, поскольку новые шаги конструирования могут быть легко добавлены в систему, а также позволяет контролировать процесс конструирования объекта, что делает его более надежным и безопасным.

Структурные

Декоратор

Позволяет расширять функциональность объекта, динамически добавляя новые возможности к уже существующему объекту без изменения его исходного кода.

В простых словах, декоратор используется для добавления новых поведений объекту. Этот паттерн позволяет разработчикам сгруппировать объекты с различными, но похожими функциональными возможностями, и добавлять их дополнительные возможности при необходимости.

При использовании этого паттерна, объект-декоратор создает оболочку вокруг исходного объекта, которая позволяет добавлять новую функциональность. Созданный декоратор может включать несколько других декораторов, что позволяет строить цепочки декораторов.

Использование этого паттерна упрощает код программы, поскольку каждое дополнение объекта инкапсулируется в собственный декоратор и не зависит от других декораторов, что делает код более понятным, легко поддерживаемым и расширяемым. Кроме того, использование этого паттерна позволяет избежать перегрузки объекта большим количеством функциональных возможностей, которые не всегда нужны.

Адаптер

Позволяет использовать классы с несовместимыми интерфейсами вместе.

В простых словах, адаптер используется для связывания двух классов с разными интерфейсами, чтобы они могли работать вместе. Этот паттерн создает "адаптер", который преобразует интерфейс одного класса в интерфейс, который ожидает другой класс.

При использовании адаптер , клиентский код использует объект адаптера для взаимодействия с объектом, имеющим несовместимый интерфейс. Адаптер принимает запросы от клиента и преобразует их в соответствующие запросы для объекта-адаптируемого класса.

Адаптер позволяет переиспользовать уже существующий код, не изменяя его. Он позволяет связывать классы с разными интерфейсами без необходимости изменения кода существующих классов. Кроме того, этот паттерн делает код более гибким и расширяемым, поскольку новые адаптеры могут быть легко добавлены в систему, что позволяет решать задачи интеграции с другими системами и сервисами.

Приспособленец(flyweight)

Используется для уменьшения количества объектов в приложении путем разделения их состояния на внутреннее и внешнее. Это позволяет сократить использование оперативной памяти и улучшить производительность приложения.

Суть паттерна заключается в том, что объекты разделяются на две группы: внутренние и внешние. Внутренние объекты содержат общую часть состояния и используются множеством внешних объектов. Внешние объекты содержат уникальную часть состояния и ссылку на внутренний объект.

Таким образом, вместо создания новых объектов каждый раз, когда это необходимо, приложение использует уже созданные внутренние объекты и добавляет к ним уникальную информацию.

Примером использования flyweight может служить система рендеринга игровых объектов, где внутренние объекты представляют собой базовые модели объектов, а внешние объекты - это конкретные экземпляры объектов с уникальными свойствами (например, цветом или текстурой). Вместо создания новых моделей каждый раз при создании объекта, приложение использует уже созданные базовые модели и добавляет к ним уникальные свойства.

Поведенческие

Итератор

Позволяет последовательно обходить элементы коллекции без раскрытия ее внутренней реализации.

В простых словах, итератор используется для создания объекта, который может последовательно перебирать элементы коллекции, не зависимо от того, как внутри она реализована.

Класс-коллекция, на которую ссылается итератор, не знает о том, какой именно итератор используется для доступа к ее элементам. Единственное, что нужно сделать, это реализовать интерфейс итератора для каждой коллекции.

Паттерн упрощает процесс обработки коллекций и делает код более гибким и расширяемым, поскольку новые типы коллекций могут быть легко добавлены в систему и использоваться с уже существующими итераторами.

Комманд

Предназначен для инкапсуляции запроса в виде объекта, что позволяет параметризовать клиентские запросы с различными операциями, очередями или журналами запросов и поддерживать отмену операций.

Ключевой идеей паттерна является создание класса-команды, который инкапсулирует запрос и его параметры. Команда может быть вызвана клиентом, который передает ее в качестве параметра другому объекту-отправителю.

Отправитель знает, какой конкретный объект-получатель должен обработать команду, и передает ее ему. Получатель выполняет операцию, используя переданные ему параметры, и возвращает результаты обратно отправителю.

Комманд позволяет реализовать очереди команд, которые могут быть выполнены в определенном порядке, а также поддерживает отмену операций.

Каждый объект-команда содержит методы undo и redo, которые позволяют отменить и повторить операцию. Таким образом, комманд обеспечивает более гибкое и удобное управление операциями в приложении.

Состояние(state)

Позволяет изменять объектное поведение в зависимости от его внутреннего состояния.

В простых словах, стейт используется для создания системы, которая может находиться в разных состояниях и соответственно, выполнять разные операции в зависимости от текущего состояния. Например, приложение может находиться в состоянии "загрузки", "готовности к работе" или "в режиме ожидания". В каждом из этих состояний приложение выполняет определенные действия.

При использовании стейта, класс содержит методы для установки состояния и выполнения операций, связанных с этим состоянием. Само состояние представляет собой отдельный объект, который инкапсулирует в себе свою собственную логику состояния и определяет, какие операции могут быть выполнены в данном состоянии.

Стейт позволяет разработчикам писать гибкий код, поскольку классы состояний могут легко добавляться и изменяться. Кроме того, этот паттерн упрощает код программы, поскольку каждое состояние инкапсулирует свою собственную логику и не зависит от других состояний, что делает код более понятным, легко поддерживаемым и расширяемым.

Наблюдатель(observer)

Позволяет объектам-наблюдателям получать уведомления об изменениях состояния других объектов-издателей, когда эти изменения происходят.

В простых словах, обсервер используется для создания системы, в которой объекты могут быть автоматически оповещены о каких-либо изменениях в других объектах, без необходимости непрерывно мониторить эти объекты на предмет изменений.

В рамках данного паттерна, издатель и подписчики разделены друг от друга, при этом издатель не знает, сколько и какие именно подписчики имеются. Он просто отправляет уведомления всем зарегистрированным подписчикам, когда у него изменяется состояние. Подписчики получают уведомление и могут реагировать на него.

Благодаря использованию обсервера, разработчики могут создавать более гибкие и расширяемые системы, где изменения в одной части системы автоматически приводят к изменениям в других частях системы.

Стратегия(strategy)

Позволяет выбирать из нескольких вариантов алгоритм выполнения определенной операции.

В простых словах, паттерн стратежи позволяет изменять поведение объекта в процессе его работы без необходимости изменять его класс. Вместо этого создаются различные стратегии, которые определяют, какой конкретный алгоритм должен быть использован в конкретной ситуации.

При использовании стратежи, класс имеет собственный алгоритм выполнения операции, который может быть заменен на другой алгоритм без изменения кода класса. Для этого в классе создается отдельный объект-стратегия, который содержит необходимый алгоритм и который может быть заменен на другой объект-стратегию для выбора другого алгоритма выполнения операции.

Стратежи позволяет разработчикам писать гибкий и расширяемый код, поскольку новые алгоритмы могут быть легко добавлены или изменены без необходимости изменения кода основного класса. Кроме того, он упрощает код программы, поскольку каждый конкретный алгоритм инкапсулируется в собственный объект-стратегию и не зависит от других алгоритмов, что делает код более понятным, легко поддерживаемым и расширяемым.

Заключение

В этой статье я описал далеко не все паттерны разработки. Если тема уж очень интересна, рекомендую изучить остальные. Главное помнить, что слепо следовать одному паттерну не надо. Выбирайте паттерны с умом.