Паттерны проектирования
Данной статьей мы начинаем серию статей, посвященных паттернам проектирования.
Статьи рассчитаны на тех, кто уже хорошо знает ООП.
Что такое паттерны в программировании
Ну, что ж, давайте сначала разберемся что такое паттерн. А затем плавно перейдем к такому понятию как «паттерны в программировании».
В программировании, хотя каждая задача и каждая программа уникальна, у многих из них все же есть общие черты. Разработчики заметили эти закономерности, и выделили те, что наиболее часто встречаются, в паттерны (шаблоны проектирования, шаблоны программирования). В паттернах предлагается в том числе наиболее оптимальные способы реализации той или иной задачи.
Теперь, вместо того чтобы выдумывать велосипед заново, можно воспользоваться знаниями людей, которые уже решали эти проблемы до нас. Таким образом:
ВАЖНО:
Мне надо знать паттерны?
Откуда они взялись
Хотя сама идея паттернов далеко не новая, популярной она стала после выхода книги «Приёмы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования«. Это произошло в 1994 году. С тех пор мир захватила «шаблономания» 🙂
Какие они бывают
Есть основные три категории паттернов:
Эти шаблоны что-то создают. Например, «как создать объект, который нельзя изменить»? «Как создать класс, который будет создавать новые объекты других классов?»?
Отвечают за иерархию классов и интерфейсов. Например, «как заставить объекты с несовместимыми интерфейсами работа вместе»?
Помогает добиться нужного поведения от объектов. Например, «как сделать так, чтобы объекты одного класса следили за изменениями в других классах и реагировали на них»?
Из чего состоит паттерн?
А конкретнее?
Самыми-самыми «базовыми» шаблонами проектирования можно назвать следующие:
С них можно начинать изучение паттернов. Ниже в этой статье Вы найдете ссылочки на статьи по этим паттернам.
Что следует знать
Одинаковые ли шаблоны для всех языков программирования?
Да, в целом понятия паттернов не привязано к конкретному языку. Тем не менее, когда говорят о паттернах, чаще всего имеют ввиду объектно-ориентированные языки программирования.
Да, конечно. Останется только всем о нем рассказать 🙂
Это все, что мы хотели Вам рассказать в данной статье.
Статьи, посвященные конкретным паттернам, Вы найдете по этим ссылочкам:
Надеемся, наша статья была Вам полезна. Также есть возможность записаться на наши курсы. Детальнее у на сайте.
Шаблоны проектирования простым языком. Часть первая. Порождающие шаблоны
Авторизуйтесь
Шаблоны проектирования простым языком. Часть первая. Порождающие шаблоны
Шаблоны проектирования — это руководства по решению повторяющихся проблем. Это не классы, пакеты или библиотеки, которые можно было бы подключить к вашему приложению и сидеть в ожидании чуда. Они скорее являются методиками, как решать определенные проблемы в определенных ситуациях.
Википедия описывает их следующим образом:
Шаблон проектирования, или паттерн, в разработке программного обеспечения — повторяемая архитектурная конструкция, представляющая собой решение проблемы проектирования, в рамках некоторого часто возникающего контекста.
Будьте осторожны
Также заметьте, что примеры ниже написаны на PHP 7. Но это не должно вас останавливать, ведь принципы остаются такими же.
Типы шаблонов
Шаблоны бывают следующих трех видов:
Если говорить простыми словами, то это шаблоны, которые предназначены для создания экземпляра объекта или группы связанных объектов.
Порождающие шаблоны — шаблоны проектирования, которые абстрагируют процесс инстанцирования. Они позволяют сделать систему независимой от способа создания, композиции и представления объектов. Шаблон, порождающий классы, использует наследование, чтобы изменять наследуемый класс, а шаблон, порождающий объекты, делегирует инстанцирование другому объекту.
Существуют следующие порождающие шаблоны:
Простая фабрика (Simple Factory)
В объектно-ориентированном программировании (ООП), фабрика — это объект для создания других объектов. Формально фабрика — это функция или метод, который возвращает объекты изменяющегося прототипа или класса из некоторого вызова метода, который считается «новым».
Пример из жизни: Представьте, что вам надо построить дом, и вам нужны двери. Было бы глупо каждый раз, когда вам нужны двери, надевать вашу столярную форму и начинать делать дверь. Вместо этого вы делаете её на фабрике.
Простыми словами: Простая фабрика генерирует экземпляр для клиента, не раскрывая никакой логики.
Перейдем к коду. У нас есть интерфейс Door и его реализация:
И затем мы можем использовать всё это:
Когда использовать: Когда создание объекта — это не просто несколько присвоений, а какая-то логика, тогда имеет смысл создать отдельную фабрику вместо повторения одного и того же кода повсюду.
Фабричный метод (Fabric Method)
Фабричный метод — порождающий шаблон проектирования, предоставляющий подклассам интерфейс для создания экземпляров некоторого класса. В момент создания наследники могут определить, какой класс создавать. Иными словами, данный шаблон делегирует создание объектов наследникам родительского класса. Это позволяет использовать в коде программы не специфические классы, а манипулировать абстрактными объектами на более высоком уровне.
Пример из жизни: Рассмотрим пример с менеджером по найму. Невозможно одному человеку провести собеседования со всеми кандидатами на все вакансии. В зависимости от вакансии он должен распределить этапы собеседования между разными людьми.
Простыми словами: Менеджер предоставляет способ делегирования логики создания экземпляра дочерним классам.
Старт 22 ноября, 4 месяца, Онлайн, От 35 000 до 100 000 ₽
Перейдём к коду. Рассмотрим приведенный выше пример про HR-менеджера. Изначально у нас есть интерфейс Interviewer и несколько реализаций для него:
Теперь создадим нашего HiringManager :
И теперь любой дочерний класс может расширять его и предоставлять необходимого интервьюера:
Когда использовать: Полезен, когда есть некоторая общая обработка в классе, но необходимый подкласс динамически определяется во время выполнения. Иными словами, когда клиент не знает, какой именно подкласс ему может понадобиться.
Абстрактная фабрика (Abstract Factory)
Абстрактная фабрика — порождающий шаблон проектирования, предоставляет интерфейс для создания семейств взаимосвязанных или взаимозависимых объектов, не специфицируя их конкретных классов. Шаблон реализуется созданием абстрактного класса Factory, который представляет собой интерфейс для создания компонентов системы (например, для оконного интерфейса он может создавать окна и кнопки). Затем пишутся классы, реализующие этот интерфейс.
Пример из жизни: Расширим наш пример про двери из простой фабрики. В зависимости от ваших нужд вам понадобится деревянная дверь из одного магазина, железная дверь — из другого или пластиковая — из третьего. Кроме того, вам понадобится соответствующий специалист: столяр для деревянной двери, сварщик для железной двери и так далее. Как вы можете заметить, тут есть зависимость между дверьми.
Простыми словами: Фабрика фабрик. Фабрика, которая группирует индивидуальные, но связанные/зависимые фабрики без указания их конкретных классов.
Обратимся к коду. Используем пример про двери. Сначала у нас есть интерфейс Door и несколько его реализаций:
Затем у нас есть несколько DoorFittingExpert для каждого типа дверей:
Как вы можете заметить, фабрика деревянных дверей инкапсулирует столяра и деревянную дверь, а фабрика железных дверей инкапсулирует железную дверь и сварщика. Это позволило нам убедиться, что для каждой двери мы получим нужного нам эксперта.
Когда использовать: Когда есть взаимосвязанные зависимости с не очень простой логикой создания.
Строитель (Builder)
Строитель — порождающий шаблон проектирования, который предоставляет способ создания составного объекта. Предназначен для решения проблемы антипаттерна «Телескопический конструктор».
Пример из жизни: Представьте, что вы пришли в McDonalds и заказали конкретный продукт, например, БигМак, и вам готовят его без лишних вопросов. Это пример простой фабрики. Но есть случаи, когда логика создания может включать в себя больше шагов. Например, вы хотите индивидуальный сэндвич в Subway: у вас есть несколько вариантов того, как он будет сделан. Какой хлеб вы хотите? Какие соусы использовать? Какой сыр? В таких случаях на помощь приходит шаблон «Строитель».
Простыми словами: Шаблон позволяет вам создавать различные виды объекта, избегая засорения конструктора. Он полезен, когда может быть несколько видов объекта или когда необходимо множество шагов, связанных с его созданием.
Давайте я покажу на примере, что такое «Телескопический конструктор». Когда-то мы все видели конструктор вроде такого:
Как вы можете заметить, количество параметров конструктора может резко увеличиться, и станет сложно понимать расположение параметров. Кроме того, этот список параметров будет продолжать расти, если вы захотите добавить новые варианты. Это и есть «Телескопический конструктор».
Затем мы берём «Строителя»:
Когда использовать: Когда может быть несколько видов объекта и надо избежать «телескопического конструктора». Главное отличие от «фабрики» — это то, что она используется, когда создание занимает один шаг, а «строитель» применяется при множестве шагов.
Прототип (Prototype)
Задаёт виды создаваемых объектов с помощью экземпляра-прототипа и создаёт новые объекты путём копирования этого прототипа. Он позволяет уйти от реализации и позволяет следовать принципу «программирование через интерфейсы». В качестве возвращающего типа указывается интерфейс / абстрактный класс на вершине иерархии, а классы-наследники могут подставить туда наследника, реализующего этот тип.
Пример из жизни: Помните Долли? Овечка, которая была клонирована. Не будем углубляться, главное — это то, что здесь все вращается вокруг клонирования.
Простыми словами: Прототип создает объект, основанный на существующем объекте при помощи клонирования.
То есть он позволяет вам создавать копию существующего объекта и модернизировать его согласно вашим нуждам, вместо того, чтобы создавать объект заново.
Обратимся к коду. В PHP это может быть легко реализовано с использованием clone :
Затем он может быть клонирован следующим образом:
Также вы можете использовать волшебный метод __clone для изменения клонирующего поведения.
Когда использовать: Когда необходим объект, похожий на существующий объект, либо когда создание будет дороже клонирования.
Одиночка (Singleton)
Одиночка — порождающий шаблон проектирования, гарантирующий, что в однопроцессном приложении будет единственный экземпляр некоторого класса, и предоставляющий глобальную точку доступа к этому экземпляру.
Пример из жизни: В стране одновременно может быть только один президент. Один и тот же президент должен действовать, когда того требуют обстоятельства. Президент здесь является одиночкой.
Простыми словами: Обеспечивает тот факт, что создаваемый объект является единственным объектом своего класса.
Вообще шаблон одиночка признан антипаттерном, необходимо избегать его чрезмерного использования. Он необязательно плох и может иметь полезные применения, но использовать его надо с осторожностью, потому что он вводит глобальное состояние в ваше приложение и его изменение в одном месте может повлиять на другие части приложения, что вызовет трудности при отладке. Другой минус — это то, что он делает ваш код связанным.
Прим. перев. Подробнее о подводных камнях шаблона одиночка читайте в нашей статье.
Перейдем к коду. Чтобы создать одиночку, сделайте конструктор приватным, отключите клонирование и расширение и создайте статическую переменную для хранения экземпляра:
«Паттерны» функционального программирования
Многие люди представляют функциональное программирование как нечто очень сложное и «наукоемкое», а представителей ФП-сообщества – эстетствующими философами, живущими в башне из слоновой кости.
До недавнего времени такой взгляд на вещи действительно был недалек от истины: говорим ФП, подразумеваем Хаскель и теорию категорий. В последнее время ситуация изменилась и функциональная парадигма набирает обороты в web-разработке, не без помощи F#, Scala и React. Попробуем взглянуть на «паттерны» функционального программирования, полезные для решения повседневных задач с точки зрения ООП – парадигмы.
ООП широко распространено в разработке прикладного ПО не одно десятилетие. Все мы знакомы с SOLID и GOF. Что будет их функциональным эквивалентом. Функции! Функциональное программирование просто «другое» и предлагает другие решения.
Основные принципы функционального проектирования (дизайна)
Функции как объекты первого класса
Синтаксис F# подчеркивает, что функции и значения равны в правах:
Композиция как основной «строительный материал»
Можно представлять себе композицию функций как фрактал. Определение фрактала в строгом смысле не совпадает с определением композиции. Представляя фрактал вы можете визуализировать как ваш control flow состоит из скомпонованных функций, состоящих из скомпонованных функций, состоящих из…
Шаблон компоновщик (Composite) в ООП тоже можно представлять себе «фракталом», но компоновщик работает со структурами данных, а не преобразованиями.
Типы тоже можно компоновать. Большая часть функциональных ЯП работает с алгебраической системой типов, отличающейся от системы классов в ООП.
Перемножение (логическое «и», record type в F#)
На первый взгляд это может показаться странным, однако в этом есть смысл. Если взять множество людей и множество дат, «перемножив» их мы получим множество дней рождений.
Сложение (логическое «или», discriminated union type в F#)
Discriminated union – сложное название. Проще представлять себе этот тип как выбор. Например, вы можете на выбор оплатить товар наличными, банковским переводом или с помощью кредитной карты. Между этими вариантами нет ничего общего, кроме того, все они являются способом оплаты.
Однажды нам пригодились «объединения» для моделирования предметной модели.
Entity Framework умеет работать с такими типами из коробки, нужно лишь добавить id.
Стремление к «полноте»
ФП подталкивает вас к более строгому и полному описанию сигнатур функций. Если функции не выбрасывают исключений вы можете использовать сигнатуру и систему типов в качестве документации. Вы также можете использовать систему типов для создания предметной модели (Domain Model) и описания бизнес-правил (Business Rules). Таким образом можно гарантировать, что операции не допустимые в реальном мире не будут компилироваться в приложении, что дает более надежную защиту, чем модульные тесты. Подробнее об этом подходе вы можете прочитать в отдельной статье.
Функции в качестве аргументов
Хардкодить данные считается дурным тоном в программирование, вместо этого мы передаем их в качестве параметров (аргументов методов). В ФП мы идем дальше. Почему бы не параметризировать и поведение?
Вместо функции с одним аргументом опишем функцию с двумя. Теперь не важно, что это за список и куда мы выводим данные (на консоль или в лог).
Пойдем дальше. Рассмотрим императивный пример на C#. Очевидно, что в данном коде присутствует дублирование (одинаковые циклы). Для того чтобы устранить дублирование нужно выделить общее и выделить общее в функцию:
В F# для работы с последовательностями уже есть функция fold:
Рекомендую цикл статей Эрика Липперта о монадах в C#. С десятой части начинается объяснение «монадической» природы SelectMany
Функции в качестве интерфейсов
Допустим у нас есть интерфейс.
Если взять SRP и ISP и возвести их в абсолют все интерфейсы будут содержать только одну функцию.
Паттерн «декоратор» реализуется с помощью композиции функций
Здесь автор для простоты изложения опускает вопросы семантики. При моделировании реальных предметных моделей одной сигнатуры функции не всегда достаточно.
Каррирование и частичное применение
Итак, использую одну только композицию мы можем проектировать целые приложения. Плохие новости: композиция работает только с функциями от одного параметра. Хорошие новости: в ФП все функции являются функциями от одного параметра.
Такие преобразования возможны не только для компилируемых функций в программировании, но и для математических функций. Возможность такого преобразования впервые отмечена в трудах Готтлоба Фреге, систематически изучена Моисеем Шейнфинкелем в 1920-е годы, а наименование получило по имени Хаскелла Карри — разработчика комбинаторной логики, в которой сведение к функциям одного аргумента носит основополагающий характер.
Возможность преобразования функций от многих аргументов к функции от одного аргумента естественна для функциональных ЯП, поэтому компилятор не будет против, если вы передадите только одно значения для вычисления суммы.
Это называется частичным применением. В функциональных ЯП частичное применение заменяет принцип инъекции зависимостей (Dependency Injection)
Продолжения (continuations)
Зачастую решения, закладываемые в реализацию, оказываются не достаточно гибкими. Вернемся к примеру с делением. Кто сказал, что я хочу, чтобы функция выбрасывала исключения? Может быть мне лучше подойдет «особый случай»
Вместо того, чтобы решать за пользователя, мы можем предоставить решение ему:
Если вы когда-нибудь писали асинхронный код, то наверняка знакомы с «пирамидой погибели» (Pyramid Of Doom)
Продолжения позволяют исправить этот код и избавиться от уровней вложенности. Для этого необходимо инкапуслировать условный переход в функцию:
И переписать код, используя продолжения
Монады
Монады – это одно из «страшных» слов ФП. В первую очередь, из-за того, что обычно объяснения начинаются с теории категорий. Во вторую — из-за того что «монада» — это очень абстрактное понятие, не имеющее прямой аналогии с объектами реального мира. Я большой сторонник подхода «от частного к общему». Поняв практическую пользу на конкретном примере проще двигаться дальше к более полному и абстрактному определению.
Зная о «продолжениях», вернемся к аналогии с рельсами и тоннелем. Функцию, в которую передаются аргумент и два «продолжения» можно представить как развилку.
Но такие функции не компонуются 
На помощь приходит функция bind
Код пирамиды погибели может быть переписан с помощью bind
Кстати, это называется «monadic bind». Скажите своим друзьям, любителям хаскеля, что вы знаете, что такое «monadic bind» и вас примут в тайное общество:)
Bind можно использовать для сцепления асинхронных операций (промисы в JS устроены именно так)
Bind для обработки ошибок
Рассмотрим код на C#. Он выглядит достаточно хорошо: все кратко и понятно. Однако в нем отсутствует обработка ошибок. Действительно, что может пойти не так?
Мы все знаем, что обрабатывать ошибки нужно. Добавим обработку.
Вместо шести понятных теперь 18 не понятных строчек. Это 200% дополнительных строчек кода. Кроме того, линейная логика метода теперь зашумлена ветвлениями и ранними выходами.
С помощью bind можно абстрагировать логику обработки ошибок. Вот так будет выглядеть метод без обработки ошибок, если его переписать на F#:
А вот этот код но уже с обработкой ошибок:
Более подробно эта тема раскрыта в отдельном докладе.
Функторы
Мне не очень понравилось описание функторов у Скотта. Прочитайте лучше статью «Функторы, аппликативные функторы и монады в картинках»
Моноиды
Я предупредил, итак, математика
И еще немного
Что общего между этими примерами?
За более строгим определением обратитесь к википедии. В рамках статьи обсуждается лишь несколько примеров применения моноидов на практике.
Замкнутость
Дает возможность перейти от попарных операций к операциям на списках
Ассоциативность
Нейтральный элемент
Кстати, в математике часто встречается определение моноида как полугруппы с нейтральным элементом. Если нейтральный элемент отсутствует, то можно попробовать его доопределить, чтобы воспользоваться преимуществами моноида.
Map / Reduce
Если ваши объекты — не моноиды, попробуйте преобразовать их. Знаменитая модель распределенных вычислений Google — не более чем эксплуатация моноидов.
Эндоморфизмы
Монады VS моноиды
Кстати, бастион ООП — GOF тоже содержит монады. Паттерн «интерпретатор» — это так называемая свободная монада.