Паттерны проектирования

Что такое паттерны (шаблоны) проектирования?
Эффективные способы решения характерных задач проектирования
Обобщенное описание решения задачи, которое можно использовать в различных ситуациях
ОО паттерны проектирования часто показывают отношения и взаимодействия между классами и объектами
Алгоритмы не являются паттернами, т.к. решают задачу вычисления, а не программирования

Польза
Каждый паттерн описывает решение целого класса проблем
Каждый паттерн имеет известное имя
облегчается взаимодействие между разработчиками
Правильно сформулированный паттерн проектирования позволяет, отыскав удачное решение, пользоваться им снова и снова
Шаблоны проектирования не зависят от языка программирования, в отличие от идиом

Порождающие паттерны

Порождающие паттерны проектирования
Абстрагируют процесс инстанцирования объектов
Список паттернов
Абстрактная фабрика (Abstract Factory)
Строитель (Builder)
Фабричный метод (Factory method)
Прототип (Prototype)
Одиночка (Singleton)

Abstract Factory (Абстрактная фабрика)

Назначение паттерна «Абстрактная фабрика»
Предоставляет интерфейс для создания семейств взаимосвязанных или взаимозависимых объектов, не специфицируя их конкретных классов

Паттерн «Абстрактная фабрика»
Шаблон проектирования, позволяющий изменять поведение системы, варьируя создаваемые объекты, при этом сохраняя интерфейсы
Предоставляет интерфейс для создания семейств взаимосвязанных или взаимозависимых объектов, не специфицируя их конкретных классов

Реализация паттерна
Паттерн «Абстрактная фабрика» реализуется созданием абстрактного класса Factory, который представляет собой интерфейс для создания абстрактных объектов-продуктов
На основе данного класса создается один или несколько классов конкретных фабрик, создающих конкретные объекты-продукты

Применение паттерна
Используйте паттерн, когда
Система не должна зависеть от того, как создаются, компонуются и представляются входящие в нее объекты
Входящие в семейство взаимосвязанные объекты должны использоваться вместе и вам необходимо обеспечить выполнение этого ограничения
Система должна конфигурироваться одним из семейств составляющих ее объектов
Требуется предоставить библиотеку объектов, раскрывая только их интерфейсы, но не реализацию.

Структура
Объявляет интерфейс для операций, создающих абстрактные объекты-продукты
Реализует операции, создающие конкретные объекты-продукты;
Объявляет интерфейс для типа объекта-продукта
Определяет объект-продукт, создаваемый соответствующей конкретной фабрикой
Пользуется исключительно интерфейсами, которые объявлены в классах AbstractFactory и AbstractProduct

Пример использования
При разработке приложений с графическим интерфейсом пользователя необходимо создавать различные элементы управления
Кнопки, текстовые поля, радио-кнопки, выпадающие списки и т.п.
Их создание и работа с ними в различных ОС осуществляется по-разному
Чтобы приложение можно было легче перенести в другую ОС в нем не должно быть жесткой привязки к типам конкретных классов элементов управления
Паттерн «Абстрактная фабрика» облегчает решение данной задачи

Иерархия классов
CButton
CWindowsButton
CMacOSXButton
CRadioButton
CWindowsRadioButton
CMacOSXRadioButton
CCheckBox
CWindowsCheckBox
CMacOSXCheckBox

Абстрактные и конкретные элементы управления
class CButton
{
public:
virtual ~CButton(){}
//...
};
class CWindowsButton : public CButton
{
//...
};
class CMacOSXButton : public CButton
{
//...
};
class CCheckBox
{
public:
virtual ~CCheckBox(){}
// ...
};
class CWindowsCheckBox : public CCheckBox
{
// ...
};
class CMacOSXCheckBox : public CCheckBox
{
// ...
};

Абстрактная и конкретные фабрики
class CUIFactory
{
public:
virtual CButton* CreateButton()const=0;
virtual CCheckBox* CreateCheckBox()const=0;
};
class CWindowsUIFactory : public CUIFactory
{
public:
virtual CButton* CreateButton()const
{
return new CWindowsButton();
}
virtual CCheckBox* CreateCheckCBox()const
{
return new CWindowsCheckBox();
}
};
class CMacOSXUIFactory : public CUIFactory
{
public:
virtual CButton* CreateButton()const
{
return new CMacOSXButton();
}
virtual CCheckBox* CreateCheckBox()const
{
return new CMacOSXCheckBox();
}
};
void BuildUI(CUIFactory const& uiFactory)
{
CButton * pOKButton = uiFactory.CreateButton();
CCheckBox * pCheckBox= uiFactory.CreateCheckBox();
}
int main(int argc, char* argv[])
{
CWindowsUIFactory uiFactory;
BuildUI(uiFactory);
return 0;
}

Преимущества использования паттерна «Абстрактная фабрика»
Изоляция конкретных классов продуктов
Фабрика изолирует клиента от деталей реализации классов продуктов
Имена изготавливаемых классов известны только конкретной фабрике, в коде клиента они не упоминаются
Клиенты манипулируют экземплярами продуктов только через их абстрактные интерфейсы
Упрощение замены семейств продуктов
Приложение может изменить семейство продуктов просто подставив новую конкретную фабрику
Гарантия сочетаемости продуктов
Если продукты спроектированы для совместного использования, важно чтобы в каждый момент времени приложение работало с продуктами единственного семейста

Недостатки паттерна «Абстрактная фабрика»
Трудность поддержания новых типов продуктов
Интерфейс абстрактной фабрики фиксирует набор продуктов, которые можно создать
Для поддержки новых продуктов необходимо расширить интерфейс фабрики, внеся изменения в класс AbstractFactory, а также во все его подклассы
Обход этого ограничения – передача идентификатора типа создаваемого продукта в методы фабрики, создающие продукты
Ограничение: создаваемые продукты должны поддерживать общий абстрактный интерфейс
Клиент не может различать типы продуктов и делать какие-либо предположения о них

Пример – фабрика, создающая элементы игрового поля
enum ItemType
{
WALL,
WATER,
FOREST,
SAND,
};
class IMapItem
{
public:
virtual ~IMapItem(){}
// ...
};
class CWall : public IMapItem {};
class CWater : public IMapItem {};
class CForest : public IMapItem {};
class CSand : public IMapItem {};
class CMapItemsFactory
{
public:
IMapItem* CreateItem(ItemType type)const
{
switch (type)
{
case WALL: return new CWall();
case WATER: return new CWall();
case FOREST: return new CForest();
case SAND: return new CSand();
default:
throw new std::invalid_argument
("Unknown item type");
}
}
};

Builder (Строитель)

Назначение паттерна «Строитель»
Отделяет конструирование сложного объекта от его представления, так что в результате одного и того же процесса конструирования могут получаться разные представления

Область применения паттерна «Строитель»
Алгоритм создания сложного объекта не должен зависеть от того, из каких частей состоит объект и как они стыкуются между собой
Процесс конструирования должен обеспечивать различные представления конструируемого объекта

Структура
Задает абстрактный интерфейс для частей объекта Product
Реализует интерфейс Builder, конструирует и собирает вместе части продукта
Определяет создаваемое представление продукта и следит за ним
Предоставляет интерфейс для доступа к продукту
Конструирует продукт при помощи интерфейса Builder
Представляет сложный конструируемый объект
Включает классы, которые определяют составные части и интерфейсы для сборки конечного результата из частей

Отношения между участниками паттерна
Клиент создает новый объект «Распорядитель» (Director) и конфигурирует его новым объектом-строителем Builder
Распорядитель уведомляет строителя о необходимости построения очередной части продукта
Строитель обрабатывает запросы распорядителя и добавляет новые части к продукту
Клиент забирает продукт у строителя

Достоинства паттерна «Строитель»
Позволяет изменять внутреннее представление продукта
Распорядителю предоставляется абстрактный интерфейс Строителя, скрывающего структуру продукта и процесс сборки
Для изменения внутреннего представления достаточно определить новую реализацию Строителя
Изолирует код, реализующий конструирование и представление
Клиенту не нужно знать о классах, задающих внутреннюю структуру продукта (в интерфейсе строителя они отсутствуют)
Дает более тонкий контроль над процессом конструирования
Процесс построения продукта происходит не сразу, как в других порождающих паттернах, а шаг за шагом

Пример использования
В редакторе форматированного текстового документа необходимо реализовать возможность преобразования его в различные форматы
Plain text, HTML, RTF, PDF, DOC, DOCX
Список можно продолжить
Задача решается путем введения сущностей
Распорядитель - CFormattedTextReader
Строитель – CTextConverter
Конкретный Строитель – CHtmlConverter, CRTFConverter, CPlainTextConverter, CPDFConverter, …
Продукт – CPlainTextDocument, CHtmlDocument, CRTFDocument, CPDFDocument, …

Иерархия классов
Распорядитель
Продукты
Строитель

Реализация сущности «Строитель»
class CTextConverter
{
public:
virtual void ConvertText
(std::string const& s){}
virtual void ConvertFontChange
(CFont const& fnt){}
// …
};
class CPlainTextConverter
: public CTextConverter
{
public:
void ConvertText(std::string const& s)
{
// …
}
std::string const & GetPlainText()const
{
return m_plainText;
}
private:
std::string m_plainText;
};
class CPDFConverter
: public CTextConverter
{
public:
void ConvertText(std::string const& w)
{
// ...
}
void ConvertFontChange(CFont const& fnt)
{
// ...
}
CPDFDocument const& GetPDFDocument() const
{
return m_pdfDocument;
}
private:
CPDFDocument m_pdfDocument;
};

Реализация сущности «Распорядитель»
class CFormattedTextReader
{
public:
void Read(CFormattedText const& text, CTextConverter & converter)
{
for (size_t index = 0; index < text.GetItems(); ++index)
{
CTextItem const & item = text.GetItem(index);
CTextRangeItem const* pTextRange = NULL;
CFontChangeCommand const& * pFontCommand = NULL;
if (pTextRange = dynamic_cast
(&item))
{
converter.ConvertText(pTextRange->GetText());
}
else if (pFontCommand = dynamic_cast
(&item))
{
converter.ConvertFontChange(pFontCommand->GetFont());
}
else if (…) { … } …
}
}
};

Реализация клиента
void ConvertToPDF(CFormattedText const& text, std::string const& outputFile)
{
// создаем строителя
CPDFConverter converter;
// создаем распорядителя
CFormattedTextReader reader;
// и инициируем процесс построения продукта
reader.Read(text, converter);
// получаем конечный продукт
CPDFDocument const& pdfDoc = converter.GetPDFDocument();
pdfDoc.SaveToFile(outputFile);
}

Factory Method (Фабричный метод)

Назначение паттерна «Фабричный метод»
Определяет интерфейс для создания объекта, но оставляет подклассам решение о том, какой класс инстанцировать
Фабричный метод позволяет классу делегировать инстанцирование подклассам
Альтернативное название паттерна – «Виртуальный конструктор»

Структура
Определяет интерфейс объектов, создаваемых фабричным методом
Реализует интерфейс Product
Объявляет фабричный метод, возвращающий объект типа Product, может также определять реализацию по умолчанию данного фабричного метода
Может вызывать фабричный метод для создания объекта Product.
Замещает фабричный метод, возвращающий объект ConcreteProduct

Отношения между участниками паттерна
Создатель «полагается» на свои подклассы в определении фабричного метода, который будет возвращать экземпляр подходящего конкретного продукта

Применимость
Классу заранее неизвестно, объекты каких классов ему нужно создавать
Класс спроектирован так, чтобы объекты, которые он создает, специфицировались подклассами
Класс делегирует свои обязанности одному из нескольких вспомогательных подклассов
тип конкретного вспомогательного подкласса выбирается в ходе выполнения программы

Пример использования
Каркас приложения, позволяющего пользователю работать с различными типами документов
Основные абстракции в таком каркасе – классы CApplication и CDocument
CApplication – управляет созданием и открытием документов
CDocument – базовый абстрактный класс CDocument, основа для создания конкретных документов
Проблема – класс CApplication знает, в какой момент документ должен быть создан, но ему известно лишь об абстрактном классе CDocument, который инстанцировать нельзя
Паттерн «Фабричный метод» предлагает решение данной проблемы

Иерархия классов

Абстрактные реализации сущностей «Product» и «Creator»
// Абстрактный Продукт
class CDocument
{
public:
virtual ~CDocument(){}
virtual void Open()=0;
virtual void Save()=0;
virtual void Close()=0;
};
typedef boost::shared_ptr
CDocumentPtr;
// Абстракный Создатель
class CApplication
{
public:
~ CApplication(){}
void NewDocument()
{
CDocumentPtr pDocument(CreateDocument());
m_docs.push_back(pDocument);
}
void OpenDocument()
{
CDocumentPtr pDocument(CreateDocument());
m_docs.push_back(pDocument);
pDocument->Open();
}
protected:
// фабричный метод
virtual CDocument * CreateDocument()const = 0;
private:
std::vector
m_docs;
};

Конкретные реализации сущностей «Product» и «Creator»
// конкретный продукт
class CMyDocument : public CDocument
{
public:
virtual void Open()
{
// ...
}
virtual void Close()
{
// ...
}
virtual void Save()
{
// ...
}
};
// Конкретный создатель
class CMyApplication : public CApplication
{
protected:
// реализация фабричного метода
virtual CDocument * CreateDocument()const
{
return new CMyDocument();
}
};