27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 1
Návrhové vzory GoF
© 2008 Radek Ošlejšek
FI MU Brno
oslejsek@fi.muni.cz
http://www.fi.muni.cz/~oslejsek/PA103
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 2
Návrhové vzory
The Gang-of-Four: Erich Gamma, Richard Helm,
Ralph Johnson, John Vlissides
Design Patterns: Elements of Reusable Object Oriented Software (1995).
Vlissidies pronunciation (dialogue from the internet discussion with his long-time colleague):
Q: And I'd like to make sure I pronounce his name correctly.
A: The weird part is I've known John for years and I'm not even sure :-)
The pronunciation I generally use is VLIH-Suh-dees. I've heard others use VLIH-SEE-DEES...
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 3
Pozadí
• Návrh znovupoužitelného softwaru je obtížný
– nalezení vhodných objektů a abstrakcí
– pružnost, modularita, elegance ⇒znovupoužití
– trvá delší dobu, než se objeví, cesta pokusů a omylů
• Úspěšné návrhy přesto existují
– vykazují opakující se třídy a struktury
• Jak popsat tyto opakující se struktury ?
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 4
Původ vzorů
• architekt Christopher Alexander
(pojem „vzor" cca 1977-1979)
• Kent Beck and Ward Cunningham, Textronix, OOPSLA'87
(použil Alexanderovy ideje o „vzorech" pro návrh Smalltalk GUI )
• Erich Gamma, Ph.D. teze, 1988-1991
• James Coplien, Advanced C++ Idioms book, 1989-1991
• Gamma, Helm, Johnson, Vlissides ("Gang of Four“ - GoF) Design Patterns:
Elements of Reusable Object-Oriented Software, 1991-1994
• PLoP konference a knihy, 1994-....
• Buschmann, Meunier, Rohnert, Sommerland, Stal, Pattern – Oriented
Software Architecture: A System of Patterns (“POSA”)
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 5
Ch. Alexander - jazyk vzorů
• Co je to, co dává budově Kvalitu?
– svoboda, život, pohodlí, harmonie
• Vzor: řešení problému v daném kontextu
– Vstupní přechod
– Gradient soukromí
– Světlo na dvou stranách každého pokoje
• Propojené vzory ⇒ Jazyk vzorů
– 2534 vzorů, hrubé až po jemnozrnné
The Timeless Way of Building (1979)
A Pattern Language (1977)
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 6
Návrhový vzor
• Popisuje opakovaně se objevující návrhovou strukturu
– abstrahuje od konkrétních návrhů
– identifikuje třídy, spolupráce, zodpovědnosti
– aplikovatelnost, kompromisy, důsledky
• Vzory nejsou návrhy
– Metamodely, které musí být instanciovány a současně je nutné
• vyhodnotit kompromisy a důsledky
• učinit návrhová a implementační rozhodnutí
• implementovat, kombinovat s jinými vzory
• Společný slovník pro návrh
– “tady použijeme vzor Observer”
• zvýšená rychlost návrhu, kultura
– sdílený slovník
• Uvnitř/mezi týmy, řízení na různých úrovních
• Příklady
– Strategie: algoritmy jako objekty
– Composite: rekurzivní struktury
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 7
Vzory vs. důvěra v návrh
• obecná nezkušenost s objekty
– je můj návrh v pořádku?
• vzory rodí důvěru
– vždy můžete svést vinu na “Gang of Four”
– ponechávají prostor pro kreativitu
• většina lidí zná vzory
– částečně, bez plného pochopení,
– připouštějí, že ostatní mají podobné návrhy
– vzory se vylepšují s jejich používáním
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 8
Společné problémy
• Krocení přílišného nadšení
– „vítězíte“, pokud jste použili většinu vzorů
– řešení nesprávného problému
– související výdaje a cena
– vše řeší poslední vzor, který jste se právě naučili
• Struktura místo cíle
– všechno je Strategie
– vzory používají podobné konstrukce
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 9
Typy GoF vzorů
• Tvořící vzory (creational p.):
– Abstract Factory
– Builder
– Factory Method
– Prototype
– Singleton
• Strukturální vzory (structural p.):
– Adapter
– Bridge
– Composite
– Decorator
– Facade
– Flyweight
– Proxy
• Vzory chování (behavioral p.):
– Chain of Responsibility
– Command
– Interpreter
– Iterator
– Mediator
– Memento
– Observer
– State
– Strategy
– Template Method
– Visitor
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 10
Abstract Factory - motivace
Motif = GUI pro UNIX
PM = Presentation Manager = GUI pro OS/2
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 11
Abstract Factory - vzor
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 12
Abstract Factory - charakteristiky
• Aplikovatelnost
– Systém nemá být závislý na tom, jak jsou výrobky vytvářeny, sestavovány a
reprezentovány
– Systém bude konfigurován pro jednu z mnoha rodin výrobků
– Rodina souvisejících výrobků bude používána společně a toto je potřeba zajistit
(vynutit)
– Vytváříme objektovou knihovnu výrobků a chceme zveřejnit pouze jejich rozhraní,
ne implementaci
• Důsledky
– Izolace konkrétních tříd
• produkty jsou implementovány vně klienta, ten používá jen obecné rozhraní.
– Snadná záměna rodin výrobků
– Podpora pro konzistenci výrobků
– Podpora nových druhů výrobků je obtížná.
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 13
Abstract Factory - pojišťovna
Příklad
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 14
Builder - motivace
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 15
Builder - vzor
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 16
Builder
spoluprácespolupráce
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 17
Builder - charakteristiky
• Aplikovatelnost
– Algoritmus pro tvorbu složitého objektu by neměl záviset na částech, které tvoří
objekt, a na tom, jak jsou sestaveny
– Konstrukční proces musí umožnit různé reprezentace konstruovaného objektu
• Důsledky
– Je možné měnit interní reprezentaci produktu
– Kód pro konstrukci a reprezentaci produktu je izolován
• => SGMLReader používající konvertory z příkladu pro převod SGML dokumentů
– Poskytuje jemnější kontrolu konstrukčního procesu
• => vhodné zejména pro produkty se složitější strukturou
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 18
Builder - pojišťovna
Příklad
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 19
Factory Method - motivace
Aplikace ví, kdy má být dokument vytvořen, neví ale, jaký druh dokumentu
se má vytvořit.
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 20
Factory Method - vzor
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 21
Factory Method - charakteristiky
• Aplikovatelnost
– Třída nemůže předvídat třídu objektů, které musí vytvářet
– Třída požaduje, aby její podtřídy specifikovaly vytvářené objekty
– Třídy delegují zodpovědnost na jednu z několika pomocných podtříd a znalost této
delegace chceme lokalizovat
• Důsledky
– Poskytuje záchytná místa („hooks“) pro podtřídy
– Propojuje paralelní hierarchie tříd
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 22
Příklad paralelní hierarchie
může vytvořit
„defaultní
manipulátor“
Paralelní hierarchie = třída deleguje část své zodpovědnosti do separátní třídy
Motivace pro vytvoření paralelní hierarchie:
● Informace nutné pro manipulaci s obrázky jsou platné pouze v čase samotné manipulace.
● Není vhodné je proto ukládat přímo do obrázku, ale je lepší použít speciální třídu s touto zodpovědností.
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 23
Factory Method - pojišťovna
Příklad
Viz Abstract Factory:
factory methods
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 24
Prototype - motivace
Pomocí prototypu opakovaně klonuj ...
Motivace:
● Rozšiřujeme existující framework pro práci s grafickými prvky o práci s notami.
● Různé nástroje slouží pro různé typy manipulací s grafickými prvky.
● GraphicTool slouží na vytváření nových grafických prvků na obrazovce.
● Jak GraphicTool pozná, kterou instanci vytvořit?
● Mnoho instancí GraphicTool s různými prototypy grafických prvků + klonování
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 25
Prototype - vzor
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 26
Prototype - charakteristiky
• Aplikovatelnost
– Systém by měl být nezávislý na způsobu tvorby, skládání a reprezentace objektů
a zároveň
• pokud jsou instanciované třídy specifikovány za běhu programu, nebo
• chceme se vyhnout tvorbě hierarchií továren, které jsou paralelní k hierarchiím výrobků,
nebo
• instance třídy mají jeden stav z několika málo kombinací.
• Důsledky
– Umožněno přidávání a rušení výrobků za běhu.
– Specifikace nových objektů pomocí proměnných hodnot.
• prototypy jednoho objektu v různých stavech
– Specifikace nových objektů pomocí proměnné struktury.
• zkopírování složité struktury namísto jejího vytváření
– Redukce podtříd.
– Dynamická konfigurace aplikace s třídami.
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 27
Prototype - pojišťovna
Příklad
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 28
Prototype – pojišťovna
Příklad
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 29
Singleton - vzor
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 30
Singleton - charakteristiky
• Aplikovatelnost
– Musí existovat právě jedna instance třídy a musí být přístupná klientům ve
známém přístupovém bodě
– Instance má být rozšiřitelná mechanismem podtříd a klienti by měli mít možnost
používat rozšířené instance bez modifikace vlastního kódu
• Důsledky
– Řízený přístup k jediné instanci.
– Redukce jmenného prostoru
• Náhrada mnoha globálních proměnných jedním singletonem
– Povoluje úpravu operací
• Chování singletonu může být změněno jeho podtřídou. Konfigurace aplikace pro použití
podtřídy může být dokonce provedena za běhu.
– Povoluje změnu počtu instancí (úprava vzoru)
– Pružnější, než pomocí operací třídy
• Téhož chování lze dosáhnout pomocí statických metod, u kterých ale obvykle chybí
polymorfismus. Stejně tak je obtížné pracovat s více instancemi.
27. 4. 2009 PA103: OO metody návrhu IS © R. Ošlejšek, FI MU Brno 31
Singleton - pojišťovna
Příklad