Шаблони проектування програмного забезпечення — це взаємодіючі об’єкти та класи, налаштовані для вирішення загальної проблеми проектування в конкретному контексті. Шаблони проектування програмного забезпечення — це загальні багаторазові рішення типових проблем, які виникають під час проектування та розробки програмного забезпечення. Вони представляють найкращі методи вирішення певних типів проблем і надають розробникам можливість повідомити про ефективні дизайнерські рішення.

Розуміння та застосування цих шаблонів може значно покращити ваші навички розробки програмного забезпечення. Для тих, хто хоче поглибити свої знання та застосування шаблонів проектування програмного забезпечення, наш комплексний курс системного проектування пропонує структурований підхід до засвоєння цих основних понять. Навчаючись на реальних прикладах і думках експертів, ви можете набути досвіду для ефективного впровадження цих шаблонів у свої проекти.

Зміст

• Типи шаблонів проектування програмного забезпечення
• Креативні шаблони дизайну
• Шаблони структурного проектування
• Патерни поведінкового проектування
• Патерни проектування різними мовами
• Питання для співбесіди щодо шаблонів проектування програмного забезпечення
• Часті запитання про шаблони проектування програмного забезпечення

Типи шаблонів проектування програмного забезпечення

Є три типи шаблонів проектування:

• Творчий шаблон дизайну
• Шаблон структурного проектування
• Патерн поведінкового дизайну

Креативні шаблони дизайну

Creational Design Pattern абстрактний процес інстанціювання. Вони допомагають зробити систему незалежною від того, як її об’єкти створені, складені та представлені.

Типи креативних шаблонів дизайну:

1. Фабричний метод дизайн шаблону

Шаблон Factory Method використовується для створення об’єктів без вказівки точного класу об’єкта, який буде створено. Цей шаблон корисний, коли вам потрібно відокремити створення об’єкта від його реалізації.

2. Шаблон дизайну абстрактного фабричного методу

Шаблон Abstract Factory майже схожий на Factory Pattern і розглядається як ще один рівень абстракції над фабричним шаблоном. Шаблони абстрактних фабрик працюють навколо суперфабрики, яка створює інші фабрики.

3. Шаблон проектування методу Singleton

Метод Singleton або шаблон Singleton Design є одним із найпростіших шаблонів проектування. Це гарантує, що клас має лише один екземпляр, і забезпечує глобальну точку доступу до нього.

4. Шаблон проектування методу прототипу

Прототип дозволяє нам приховати від клієнта складність створення нових екземплярів. Концепція полягає в тому, щоб скопіювати існуючий об’єкт, а не створювати новий екземпляр з нуля, що може включати дорогі операції. Існуючий об'єкт діє як прототип і містить стан об'єкта.

5. Шаблон проектування методу будівельника

Шаблон Builder має на меті відокремити конструкцію складного об’єкта від його представлення, щоб той самий процес конструювання міг створювати різні представлення. Він використовується для покрокової побудови складного об’єкта, а останній крок повертає об’єкт.

Шаблони структурного проектування

Шаблони структурного проектування стосуються того, як класи та об’єкти компонуються для формування більших структур. Шаблони структурних класів використовують успадкування для створення інтерфейсів або реалізацій.

Типи структурних шаблонів проектування:

1. Шаблон проектування методу адаптера

Шаблон адаптера перетворює інтерфейс класу в інший інтерфейс, який очікують клієнти. Адаптер дозволяє класам працювати разом, що інакше не могло б через несумісність інтерфейсів.

2. Шаблон проектування мостового методу

Шаблон моста дозволяє розробляти абстракцію та реалізацію незалежно, а клієнтський код може отримати доступ лише до частини абстракції, не турбуючись про частину реалізації.

3. Шаблон проектування композитного методу

Складений шаблон — це шаблон проектування поділу, який описує групу об’єктів, які обробляються так само, як окремий екземпляр того самого типу об’єкта. Метою композиту є об’єднання об’єктів у деревовидні структури для представлення ієрархій частково-цілого.

4. Шаблон оформлення методу декоратора

Це дозволяє нам динамічно додавати функції та поведінку до об’єкта, не впливаючи на поведінку інших існуючих об’єктів у тому самому класі. Ми використовуємо успадкування, щоб розширити поведінку класу. Це відбувається під час компіляції, і всі екземпляри цього класу отримують розширену поведінку.

5. Шаблон оформлення методу фасаду

Шаблон проектування методу фасаду забезпечує уніфікований інтерфейс для набору інтерфейсів у підсистемі. Facade визначає інтерфейс високого рівня, який робить підсистему простішою у використанні.

6. Шаблон проектування методу легкої ваги

Цей шаблон надає способи зменшити кількість об’єктів, таким чином покращуючи структуру об’єктів, необхідних програмі. Шаблон Flyweight використовується, коли нам потрібно створити велику кількість подібних об’єктів.

7. Шаблон проектування методу проксі

Проксі означає «замість», що представляє або «замість» або «від імені» є буквальним значенням проксі, і це безпосередньо пояснює шаблон проектування проксі. Проксі також називають сурогатами, ручками та обгортками. Вони тісно пов’язані за структурою, але не за призначенням, з адаптерами та декораторами.

Патерни поведінкового проектування

Патерни поведінки пов’язані з алгоритмами та розподілом обов’язків між об’єктами. Патерни поведінки описують не тільки моделі об'єктів або класів, але й моделі спілкування між ними. Ці шаблони характеризують складний потік керування, який важко дотримуватися під час виконання.

Типи шаблонів поведінкового дизайну:

1. Шаблон проектування методу ланцюжка відповідальності

Шаблон ланцюга відповідальності використовується для досягнення слабкого зв’язку в розробці програмного забезпечення, коли запит від клієнта передається ланцюжку об’єктів для їх обробки. Пізніше об'єкт у ланцюжку сам вирішить, хто буде обробляти запит і чи потрібно надсилати запит наступному об'єкту в ланцюжку чи ні.

2. Шаблон проектування командного методу

Шаблон команди — це шаблон поведінки, який перетворює запит на окремий об’єкт, що містить всю інформацію про запит. Цей об’єкт можна передати, зберегти та виконати пізніше

3. Шаблон проектування методу інтерпретатора

Шаблон інтерпретатора використовується для визначення граматичного представлення мови та надає інтерпретатора для роботи з цією граматикою.

r мовою c

4. Шаблон проектування методу посередника

Це дає змогу роз’єднати об’єкти шляхом введення шару між ними, щоб взаємодія між об’єктами відбувалася через шар.

5. Шаблони проектування методу Memento

Використовується для відновлення попереднього стану об’єкта. Коли ваша програма просувається, ви можете зберегти контрольні точки у своїй програмі та повернутися до цих контрольних точок пізніше. Намір шаблону Memento Design полягає в тому, щоб, не порушуючи інкапсуляцію, зафіксувати та вивести назовні внутрішній стан об’єкта, щоб об’єкт можна було відновити до цього стану пізніше.

6. Шаблон проектування методу спостерігача

Він визначає залежність «один-до-багатьох» між об’єктами, так що коли один об’єкт (суб’єкт) змінює свій стан, усі його залежні (спостерігачі) повідомляються та оновлюються автоматично.

7. Шаблон проектування методу стану

Шаблон проектування стану використовується, коли об’єкт змінює свою поведінку на основі свого внутрішнього стану. Якщо нам потрібно змінити поведінку об’єкта на основі його стану, ми можемо мати змінну стану в об’єкті та використовувати блок умов if-else для виконання різних дій на основі стану.

8. Шаблон проектування методу стратегії

Патерн розробки стратегії дозволяє вибрати поведінку об’єкта під час виконання. Це один із шаблонів проектування Gang of Four (GoF), які широко використовуються в об’єктно-орієнтованому програмуванні. Шаблон стратегії заснований на ідеї інкапсуляції сімейства алгоритмів в окремі класи, які реалізують загальний інтерфейс.

9. Шаблон шаблону методу дизайну

Патерн проектування методу шаблону полягає у визначенні алгоритму як скелета операцій із залишенням деталей для виконання дочірніми класами. Загальна структура та послідовність алгоритму зберігаються батьківським класом.

10. Шаблон оформлення методу відвідувача

Він використовується, коли ми повинні виконати операцію над групою об’єктів подібного типу. За допомогою шаблону відвідувача ми можемо перенести операційну логіку з об’єктів в інший клас.

Патерни проектування різними мовами

Питання для співбесіди щодо шаблонів проектування програмного забезпечення

• Спроектуйте автостоянку з використанням об’єктно-орієнтованих принципів
• Проектування структур даних і алгоритмів для файлової системи в пам'яті
• Як запобігти відображенню, серіалізації та клонуванню Singleton Pattern?

Часті запитання про шаблони проектування програмного забезпечення

1. Що таке шаблони проектування програмного забезпечення?

• Шаблони проектування програмного забезпечення — це багаторазові рішення типових проблем, які виникають під час розробки програмного забезпечення. Вони є шаблонами для вирішення повторюваних проблем з проектуванням і забезпечують спосіб створення гнучких, масштабованих і зручних програмних систем.

2. Чому шаблони проектування важливі для розробки програмного забезпечення?

• Патерни проектування сприяють застосуванню найкращих практик, покращують читабельність коду та полегшують повторне використання коду. Вони допомагають у створенні програмного забезпечення, яке є модульним, розширюваним і простим у обслуговуванні, скорочуючи час і зусилля на розробку.

3. Чим шаблони проектування відрізняються від алгоритмів?

• Патерни проектування зосереджені на вирішенні повторюваних проблем проектування на архітектурному чи структурному рівні, наголошуючи на організації коду. Алгоритми, з іншого боку, є покроковими процедурами для вирішення конкретних проблем на обчислювальному рівні.

4. Які поширені типи шаблонів проектування?

• Патерни проектування поділяються на три основні типи: творчі, структурні та поведінкові. Креативні шаблони пов’язані зі створенням об’єкта, структурні шаблони – з композицією об’єкта, а поведінкові – з об’єктною співпрацею та відповідальністю.

5. Чи можете ви навести приклади творчих шаблонів проектування?

• Приклади включають Singleton (переконайтеся, що клас має лише один екземпляр), Factory Method (створення об’єктів без вказівки точного класу) та Abstract Factory (надання інтерфейсу для створення родин пов’язаних або залежних об’єктів).

6. Як шаблони проектування підвищують гнучкість коду?

• Шаблони проектування сприяють слабкому зв’язку між компонентами, полегшуючи заміну або розширення частин системи, не впливаючи на інші. Ця гнучкість має вирішальне значення для адаптації до мінливих вимог.

7. Коли слід використовувати шаблони проектування?

• Шаблони проектування слід використовувати, коли ви стикаєтеся з повторюваними проблемами в розробці програмного забезпечення. Вони особливо корисні в складних системах, де потрібен систематичний і перевірений підхід до проектування.

8. Чи шаблони проектування залежать від мови?

• Ні, шаблони проектування не прив’язані до певної мови програмування. Це концептуальні рішення, які можна реалізувати різними мовами. Однак синтаксис і деталі реалізації можуть відрізнятися.

9. Як я можу вивчити та освоїти шаблони проектування?

• Почніть із розуміння основних принципів шаблонів проектування. Практикуйте їх реалізацію у своїх проектах і вивчайте реальні приклади. Книги, онлайн-уроки та практичне застосування в проектах сприяють освоєнню шаблонів проектування.

10. Чи застосовні шаблони проектування у всіх проектах програмного забезпечення?

• Хоча шаблони проектування пропонують цінні рішення типових проблем проектування, їх застосовність залежить від контексту та складності проекту. У простіших проектах деякі шаблони можуть бути непотрібними, тоді як у більших проектах вони можуть допомогти підтримувати масштабовану та організовану кодову базу.

11. Яка різниця між шаблоном проектування та антишаблоном?

• Патерни проектування є перевіреними рішеннями поширених проблем, які сприяють розвитку найкращих практик. Навпаки, антишаблони — це звичайні підводні камені або погані практики, які можуть призвести до поганого дизайну програмного забезпечення, і їх слід уникати.

12. Чи можна зловживати шаблонами проектування?

• Так, надмірне використання шаблонів проектування без урахування контексту та складності проекту може призвести до невиправдано складного коду. Важливо розумно застосовувати шаблони проектування, де вони додають цінності та покращують структуру коду.

13. Чи можу я створювати власні шаблони дизайну?

• Так, ви можете створювати власні шаблони дизайну на основі конкретних потреб вашого проекту. Однак дуже важливо переконатися, що шаблон вирішує проблему, що повторюється, і відповідає принципам хорошого дизайну.

14. Яке відношення шаблонів проектування до запаху коду?

• Шаблони проектування допомагають усунути запахи коду (ознаки поганого дизайну), надаючи перевірені рішення поширених проблем. Розпізнавання та усунення запахів коду має важливе значення для створення зручного та ефективного програмного забезпечення.

15. Чи існують шаблони проектування для проектування бази даних?

• Хоча традиційні шаблони проектування можуть не застосовуватися безпосередньо до проектування бази даних, такі принципи, як нормалізація та денормалізація, можна розглядати як шаблони проектування для створення ефективних і масштабованих структур бази даних.

16. Чи можна використовувати шаблони проектування в архітектурі мікросервісів?

• Так, шаблони проектування можна застосовувати в архітектурі мікросервісів для вирішення типових проблем, таких як виявлення сервісів, зв’язок між сервісами та відмовостійкість. Такі шаблони, як Service Registry і Circuit Breaker, актуальні.

17. Як шаблони проектування впливають на продуктивність системи?

• Правильно застосовані шаблони проектування можуть підвищити продуктивність системи, сприяючи ефективній організації коду та зменшуючи надмірність. Однак неправильно вибрані або зловживані шаблони можуть створити непотрібну складність, потенційно вплинувши на продуктивність.

18. Чи потрібно молодшим розробникам вивчати шаблони проектування?

• Хоча це не є обов’язковим, вивчення шаблонів проектування може значно принести користь молодшим розробникам, надаючи їм перевірені рішення типових проблем. Це може пришвидшити процес навчання та сприяти написанню більш зручного для обслуговування коду.

19. Як шаблони проектування сприяють документації коду?

• Патерни проектування за своєю суттю документують рішення типових проблем проектування. Коли розробники знайомі з шаблонами проектування, код стає самодокументованим, що полегшує іншим розуміння та участь у проекті.

20. Чи можна застосувати шаблони проектування заднім числом до існуючих кодових баз?

• Так, шаблони проектування можна застосовувати заднім числом, але процес може передбачати рефакторинг існуючого коду. Дуже важливо оцінити вплив впровадження шаблону та переконатися, що він узгоджується із загальною архітектурою.

21. Чи існують шаблони дизайну для веб-розробки?

• Так, у веб-розробці можна застосувати багато шаблонів проектування. Такі шаблони, як MVC, Observer і Singleton, зазвичай використовуються для організації та структурування коду як у інтерфейсній, так і в бекенд-розробці.

22. Чим шаблони проектування відрізняються від архітектурних?

• Патерни проектування вирішують конкретні питання проектування на нижчому рівні, зосереджуючись на створенні об’єкта, композиції та взаємодії. Архітектурні шаблони, з іншого боку, мають справу зі структурами вищого рівня цілої програми або системи.

23. Чи можна використовувати шаблони проектування у функціональному програмуванні?

• Так, шаблони проектування можна адаптувати для парадигм функціонального програмування. Функціональні шаблони проектування зосереджені на складанні функцій для вирішення проблем і сприяють незмінності та відсутності громадянства.

24. Яку роль відіграють шаблони проектування для підтримки коду під час командної співпраці?

• Патерни проектування сприяють супроводжуваності коду, надаючи загальний словниковий запас і структуру. Коли команда знайома з шаблонами проектування, співпраця стає більш ефективною, а учасники команди можуть легше розуміти кодову базу та міркувати про неї.

25. Чи існують шаблони проектування спеціально для систем реального часу?

• Так, системи реального часу часто використовують шаблони проектування, розроблені для вирішення їхніх унікальних завдань. Такі шаблони, як шаблон спостерігача, можна застосовувати для обробки сповіщень про події та синхронізації в реальному часі.