Wzorzec projektowy (informatyka)

Wzorzec projektowy (ang. design pattern) – uniwersalne, sprawdzone w praktyce rozwiązanie często pojawiających się, powtarzalnych problemów projektowych. Pokazuje powiązania i zależności pomiędzy klasami oraz obiektami i ułatwia tworzenie, modyfikację oraz utrzymanie kodu źródłowego. Jest opisem rozwiązania, a nie jego implementacją. Wzorce projektowe stosowane są w projektach wykorzystujących programowanie obiektowe.

Wzorce projektowe w informatyce wywodzą się z wzorców projektowych w architekturze, które zostały zaproponowane przez austriackiego architekta Christophera Alexandra^[1][2] i miały ułatwić konstruowanie mieszkań i pomieszczeń biurowych. Pomysł ten nie został jednak przyjęty.

Inaczej stało się w informatyce. Termin wzorca projektowego został wprowadzony do inżynierii oprogramowania przez Kenta Becka oraz Warda Cunninghama w 1987 roku. Na konferencji OOPSLA, przedstawili oni wyniki swojego eksperymentu dotyczącego ich zastosowania w programowaniu. Został spopularyzowany w 1995 przez Gang of Four (Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson oraz John Vlissides) dzięki książce Wzorce projektowe: Elementy oprogramowania obiektowego wielokrotnego użytku^[3].

Wzorce projektowe najczęściej tworzone są w oparciu o programowanie obiektowe. Zakres tego pojęcia stał się problemem rozważanym od połowy lat 90. XX wieku. Ostatecznie ustalono, że algorytmy nie są wzorcami projektowymi, jako że rozwiązują problemy obliczeniowe, a nie projektowe. Wzorce często są łączone w celu rozwiązania bardziej złożonego problemu.

Zamiast skupiać się na funkcjonowaniu poszczególnych elementów, wzorce projektowe stanowią abstrakcyjny opis zależności pomiędzy klasami, co w efekcie wprowadza pewną standaryzację kodu oraz zwiększa jego zrozumiałość, wydajność i niezawodność. Wartość wzorców projektowych stanowi nie tylko samo rozwiązanie problemu, ale także dokumentacja, która wyjaśnia cel, działanie, zalety danego rozwiązania, co pomaga w łatwiejszym stosowaniu i adaptacji wzorców w danym zastosowaniu.

Wzorce projektowe mogą przyspieszyć proces rozwoju oprogramowania przez dostarczenie wypróbowanych rozwiązań dla problemów, które mogą nie być oczywiste na początku procesu projektowego. Często zagadnienia te wiążą się z ewolucją oczekiwań względem projektowanego systemu: rozszerzeniem jego funkcjonalności, zmianą sposobu i formatu wprowadzanych danych czy dostosowaniem aplikacji do różnych klas użytkowników. Nieuwzględnienie ich na początku procesu rozwoju produktu programistycznego powoduje często konieczność gruntownego przebudowywania zaawansowanego lub gotowego już oprogramowania.

MVC (od angielskich słów Model, View i Controller) opracowano pod koniec lat 70 jako wzorzec realizacji interfejsu użytkownika w języku Smalltalk-80. Następnie wykorzystano go również w innych językach i systemach zorientowanych obiektowo.

Trzy składowe tego modelu to:

• Model - Główny nacisk kładzie na logikę aplikacji i logikę biznesową. Model powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby był niezależny od wybranego rodzaju prezentacji oraz systemu obsługi akcji użytkownika.
• Widok - zarządza graficzną lub tekstową prezentacją modelu. Widok pobiera informacje z modelu, ilekroć zostaje powiadomiony o jego zmianie.
• Kontroler - jest odpowiedzialny za reagowanie na akcji użytkownika (np. kliknięcia myszką), odwzorowując je na operacje zawarte w modelu oraz na zmiany widoku.

Wzorzec projektowy składa się z czterech podstawowych elementów:

• nazwy wzorca;

• problemu – opisuje sposoby rozpoznawania sytuacji, w których możemy zastosować dany wzorzec oraz warunki jakie muszą zostać spełnione, by jego zastosowanie miało sens;

• rozwiązania – opisuje elementy rozwiązania: ich relacje, powiązania oraz obowiązki, zawiera także wskazówki implementacyjne dla różnych technologii;

• konsekwencji – zestawienie wad i zalet stosowania wzorca, uwzględniające informacje o jego brakach oraz kosztach rozwoju i utrzymania systemu wykorzystującego dany wzorzec.

Dokumentacja wzorca projektowego powinna zawierać informacje o rozwiązywanym problemie, kontekst w jakim należy go stosować oraz sugerowane rozwiązanie. Różni autorzy mogą stosować odmienne style tworzenia takiej dokumentacji, ale zwykle jej najważniejsze elementy są do siebie podobne. Jeden z najpopularniejszych układów opisu wzorca projektowego został zaproponowany przez Bandę Czterech^[5]

• Nazwa wzorca oraz klasyfikacja: opisowa oraz unikalna nazwa, umożliwiająca identyfikację oraz odwoływanie się do wzorca; klasyfikacja według jednego ze schematów.
• Przeznaczenie: opis celu, który stoi za wzorcem oraz powody, jakimi należy się kierować podczas jego wyboru.
• Inne nazwy: jeżeli istnieją inne, dobrze znane nazwy wzorca, należy je podać.
• Motywacja: scenariusz zawierający problem powiązany z kontekstem, w którym wzorzec może być stosowany.
• Stosowalność: sytuacje, w których wzorzec może być użyteczny.
• Struktura: graficzna reprezentacja wzorca, zwykle jako diagram klas lub diagram interakcji.
• Uczestnicy: lista klas i obiektów stosowanych w tym wzorcu oraz ich zobowiązania.
• Współpraca: opis wzajemnej interakcji klas i obiektów wykorzystywanych we wzorcu.
• Konsekwencje: wykaz wyników, efektów ubocznych oraz kompromisów jakie występują podczas użycia wzorca.
• Implementacja: wskazówki dotyczące implementacji wzorca; zwrócenie uwagi na specyficzne kwestie.
• Przykładowy kod: przykład zastosowania wzorca z wykorzystaniem jednego z języków programowania.
• Przykłady zastosowania: znane przykłady zastosowania wzorca w rzeczywistych programach.
• Pokrewne wzorce: odniesienie wzorca do innych, z którymi wiąże się przez wspólne stosowanie lub można go z nimi zamienić oraz przedstawienie różnic w stosunku do podobnych wzorców.

Początkowo Banda Czterech założyła, że istnieją dwa podstawowe rodzaje klasyfikacji wzorców^[6]. Pierwsza z nich dotyczy rodzaju wzorca i opisuje to, co on robi. Według tego kryterium wzorce możemy podzielić na trzy rodziny:

• kreacyjne (konstrukcyjne) – opisujące proces tworzenia nowych obiektów; ich zadaniem jest tworzenie, inicjalizacja oraz konfiguracja obiektów, klas oraz innych typów danych^[7];
• strukturalne – opisujące struktury powiązanych ze sobą obiektów;
• czynnościowe (behawioralne, operacyjne^[8]) – opisujące zachowanie i odpowiedzialność współpracujących ze sobą obiektów.

Drugi model dzieli wzorce na kategorie według ich zakresów. Kategoryzacja polega na określeniu czy wzorzec dotyczy klas, czy obiektów. Tutaj wzorce dzielimy na:

• klasowe – opisujące statyczne związki pomiędzy klasami;
• obiektowe – opisujące dynamiczne związki pomiędzy obiektami.

Uwzględniając powyższe założenia klasyfikacja podstawowych wzorców wygląda następująco:

• wzorce kreacyjne:
  • Budowniczy (obiektowy),
  • Fabryka abstrakcyjna (obiektowy),
  • Metoda wytwórcza (klasowy),
  • Prototyp (obiektowy),
  • Singleton (obiektowy);

• wzorce strukturalne:
  • Adapter (klasowy oraz obiektowy),
  • Dekorator (obiektowy),
  • Fasada (obiektowy),
  • Kompozyt (obiektowy),
  • Most (obiektowy),
  • Pełnomocnik (obiektowy),
  • Pyłek (obiektowy);

• wzorce czynnościowe/operacyjne:
  • Łańcuch zobowiązań/odpowiedzialności (obiektowy),
  • Polecenie (obiektowy),
  • Interpreter (klasowy),
  • Iterator (obiektowy),
  • Mediator (obiektowy),
  • Pamiątka/Memento (ang. Memento) (obiektowy),
  • Metoda szablonowa (ang. template method) (klasowy),
  • Obserwator (obiektowy),
  • Stan (obiektowy),
  • Strategia (obiektowy),
  • Odwiedzający/Wizytator (ang. visitor) (obiektowy),
  • Zabór Zasobu Jest Inicjalizacją (obiektowy).

W późniejszym okresie pojawiły się inne kategorie wzorców projektowych:

• wzorce współbieżności – definiują sposoby współdziałania wielu obiektów, wątków lub procesów; zaliczany do nich:
  • Aktywny obiekt,
  • Asynchroniczne sterowanie przez zdarzenia,
  • Udaremnianie (rozgraniczanie),
  • Blokada z podwójnym zatwierdzeniem,
  • Ochraniane wstrzymywanie,
  • Obiekt monitorujący,
  • Blokada zapisu i odczytu,
  • Zarządca procesów,
  • Pula wątków,
  • Pamięć dla wątków,
  • Reaktor;

• Wzorce odwzorowania O-R – opisują (między innymi) wymianę danych pomiędzy warstwą danych a warstwą logiki biznesowej:
  • Leniwa inicjalizacja.

• Pozostałe wzorce
  • Wstrzykiwanie zależności

Zobacz multimedia związane z tematem: Wzorzec projektowy (informatyka)

• wzorzec architektoniczny
• antywzorzec projektowy

• Katalog wzorców projektowych

• Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Inżynieria oprogramowania: Wzorce projektowe (Wyd. II). Warszawa: WNT, 2008. ISBN 978-83-204-3472-9. Brak numerów stron w książce
• Christopher G. Lasater: Design Patterns. Wordware Publishing (Jones and Bartlett Publishers), 2007, s. 302. ISBN 978-1-59822-031-5.