Tervezési minták (Sznikák)

Főbb kategóriák

Creational

• Factory method: a leszármazottra bízza az objektum létrehozását
• Abstract factory: külön factory hierarchia létezik termékcsaládok létrehozására
• Singleton: csak egy példány létezzen, ami bárhonnan közvetlenül elérhető
• Prototype: egy prototípust használ az objektum létrehozására

Structural

• Adapter
• Bridge
• Proxy
• Composite
• Facade

Behavioral

• Template method
• Iterator
• Observer
• Mediator
• Strategy
• Command

Részletes leírás

Factory method

Célja: A Factory Method lehetővé teszi, hogy az új példány létrehozását a leszármazott osztályra bízzuk. Szokás virtuális konstruktornak is nevezni.

Példa: Framework, ami egyszerre több dokumentum kezelését támogatja (mint pl. a Visual Studio)

Használjuk, ha

• Egy osztály nem látja előre annak az objektumnak az osztályát, amit létre kell hoznia
• Ha egy osztály azt szeretné, hogy leszármazottai határozzák meg azt az objektumot, amit létre kell hoznia

Abstract factory

Példa: Ablakos rendszerek, GUI vezérlőelemek (ablak, nyomógomb, kiválasztógomb, stb.)

Használjuk, amikor

• a rendszernek függetlennek kell lennie az általa létrehozott dolgoktól ("termék" objektumok, pl. felhasználói felület elemek)
• a rendszernek több termékcsaláddal kell együttműködnie
• a rendszernek szorosan összetartozó "termék" objektumok adott családjával kell dolgoznia, és ezt akarjuk kényszeríteni a rendszerben

Előnyök

• Elszigeteli a konkrét osztályokat
• A termékcsaládokat könnyű kicserélni
• Elősegíti a termékek közötti konzisztenciát

Hátrányok

• Nehéz új termék hozzáadása. Ekkor az Abstract Factory egész hierarchiáját módosítani kell, mert az interfész rögzíti a létrehozható termékeket
• Megjegyzés: ezt bizonyos esetekben ki lehet kerülni

Singleton

Célja: Biztosítja, hogy egy osztályból csak egy példányt lehessen létrehozni, és ehhez az egy példányhoz globális hozzáférést biztosít.

Megoldás:

• Legyen az osztály felelőssége, hogy csak egy példányt lehessen belőle létrehozni
• Biztosítson globális hozzáférést ehhez az egy példányhoz.

Az Instance osztály-művelet (statikus) meghívásával lehet példányt létrehozni, illetve az "egyetlen" példányt elérni. A Singleton::Instance()

• Mindig ugyanazt az objektumot adja vissza
• Bárhol leírható ez:
  • C++ esetén Singleton::Instance()
  • Java esetén Singleton.GetInstance()
  • C# esetén propertyvel célszerű: Singleton.Instance
  • globális hozzáférés a példányhoz

A Singleton konstruktora protected láthatóságú! Ez garantálja, hogy csak a statikus Instance metódushíváson keresztül lehessen példányt létrehozni.

Kód (C#):

public class Singleton{

  private static Singleton instance = null;

  public static Singleton Instance{
     get{
        if (instance == null)
           instance = new Singleton();
        return instance;
     }
  }

  protected Singleton() { }
  public void Print() {...}

  }

Használata:

  Singleton s1 = Singleton.Instance;
  Singleton.Instance.Print()

Prototype

Célja: a prototípus alapján új objektumpéldányok készítése

Példa: Grafikus keretrendszerre építve kottaszerkesztő alkalmazás elkészítése

Használjuk, ha

• egy rendszernek függetlennek kell lennie a létrehozandó objektumok típusától
• ha a példányosítandó osztályok futási időben határozhatók meg
• ha nem akarunk nagy párhuzamos osztályhierarchiákat
• amikor az objektumok felparaméterezése körülményes, és könnyebb egy prototípust inicializálni majd azt másolni

Minden objektum támogatja (Object osztály művelete):

• protected Object MemberwiseClone() művelet (shallow copy)

Igazi, publikus, mély másolatot végző klónozáshoz implementálható az ICloneable interfész:

• Object Clone() művelet (deep copy)

Előnyök

• objektumok hozzáadása és elvétele futási időben
• új, változó struktúrájú objektumok létrehozása
• redukált származtatás, kevesebb alosztály

Hátrányok

• Minden egyes prototípusnak implementálnia kell a Clone() függvényt, ami igen bonyolult lehet

Adapter

Cél: Egy osztály interfészét olyan interfésszé konvertálja, amit a kliens vár. Lehetővé teszi olyan osztályok együttműködését, melyek egyébként az inkompatibilis interfészeik miatt nem tudnának együttműködni.

Példa: Grafikus editor Objektum kompozícióval, delegálással oldja meg az adaptálást

Szereplők:

• mint a Class Adapter-nél
• az Adapter tartalmaz egy pointert vagy referenciát az Adaptee-ra
• az adapter delegálja a művelet végrehajtását az Adaptee-ra
• agy adapter képes több Adaptee-t is magában foglalni, beleértve azok alosztályait is

Használjuk, ha

• egy olyan osztályt szeretnénk használni, amelynek interfésze nem megfelelő Adapter
• egy újrafelhasználható osztályt szeretnénk készíteni, amely együttműködik előre nem látható vagy független szerkezetű osztályokkal (pluggable adapters)

Bridge

Cél: Különválasztja az absztrakciót (interfészt) az implementációtól, hogy egymástól függetlenül lehessen őket változtatni

Példa: hordozható ablakozós rendszer XWindow és Presentation Manager alá

Előnyei

• az absztrakció és az implementáció különválasztása
• az implementáció dinamikusan, akár futási időben is megváltoztatható
• az implementációs részletek a klienstől teljesen elrejthetők
• az implementációs hierarchia külön lefordított komponensbe tehető, így ha ez ritkán változik, nagy projektek esetén nagymértékben gyorsítható a fordítás/buildelés ideje
• ugyanaz az implementációs objektum, több helyen is felhasználható

Composite

Célja: Rész-egész viszonyban álló objektumokat fastruktúrába rendezi. A kliensek számára lehetővé teszi, hogy az egyszerű és kompozit objektumokat egységesen kezelje.

Példa: Olyan grafikus alkalmazás, amely lehetővé teszi összetett grafikus objektumok létrehozását

Használjuk, ha

• objektumok rész-egész viszonyát szeretnénk kezelni
• a kliensek számára el akarjuk rejteni, hogy egy objektum egyedi objektum vagy kompozit objektum: bizonyos szempontból egységesen szeretnénk kezelni őket.

Decorator

Célja: Objektumok funkciójának dinamikus kiterjesztése. Rugalmas alternatívája a leszármaztatásnak.

Példa: Adott egy GUI keretrendszer (pl. Windows Forms-Decorator Formshoz, AWT-hez hasonló). Az ablakokokhoz, vezérlőelemekhez hozzá szeretnénk rendelni keretet (Border), görgetősávot (Scrollbar), Animációt (Animation), Árnyékot,... Ezeket tetszőleges kombinációban szeretnénk az osztályokhoz rendelni. Tegyük fel hogy beépítve NEM támogatja a keretrendszer!

Használjuk, ha

• dinamikusan szeretnénk funkcionalitást/viselkedést hozzárendelni az egyes objektumokhoz
• a funkcionalitást a kliens számára átlátszó módon szeretnénk az objektumhoz rendelni
• amikor a származtatás nem praktikus

Előnyök

• sokkal rugalmasabb, mint a statikus öröklődés
• több testreszabható osztály határozza meg a tulajdonságokat

Hátrányok

• némiképp bonyolultabb, mint az egyszerű öröklés (több osztály szerepel)
• a decorator és a dekorált komponens interfésze ugyan azonos, de maga az osztály nem ugyanaz. Ha reflexióval építünk a konkrét típusra, akkor a dekorátor alkalmazása problémát okozhat.

Facade

Célja: Egységes interfészt definiál egy alrendszer interfészeinek halmazához. Magasabb szintű interfészt definiál, amin keresztül könnyebb az alrendszer használata.

Példa: Compiler; Többrétegű (többnyire üzleti) alkalmazások

Használjuk, ha

• egyszerű interfészt szeretnénk biztosítani egy komplex rendszer felé
• számos függőség van a kliens és az alrendszerek osztályai között. Ilyenkor ha létrehozva egy Facade-ot elősegítve az alrendszer függetlenségét és a hordozhatóságot
• Layers (rétegelés) esetén

Megjegyzés

• külön döntés, hogy engedünk-e hozzáférést az alrendszerek osztályaihoz
• elvileg nem akadályozza meg, hogy a kliensek felhasználják az alrendszerek osztályait, ha arra is szükségük van

Proxy

Célja: Objektum helyett egy helyettesítő objektumot használ, ami szabályozza az objektumhoz való hozzáférést

Példa: Szövegszerkesztő (sok nagy méretű kép megjelenítésével)

Struktúra

• Subject: közös interfészt biztosít a Subject és a Proxy számára (ezáltal tud a minta működni)
• Realsubject: a valódi objektum, amit a proxy elrejt
• Proxy: helyettesítő objektum. Tartalmaz egy referenciát a tényleges objektumra, hogy el tudja azt érni. Szabályozza a hozzáférést a tényleges objektumhoz, feladata lehet a tényleges objektum létrehozása és törlése is.

Típusok

• Távoli Proxy: Távoli objektumok lokális megjelenítése átlátszó módon. A kliens nem is érzékeli, hogy a tényleges objektum egy másik címtartományban, vagy egy másik gépen van
• Virtuális Proxy: Nagy erőforrás igényű objektumok igény szerinti létrehozása (pl. kép)
• Védelmi Proxy: A hozzáférést szabályozza különböző jogok esetén
• Smart Pointer: Egy pointer egységbezárása, hogy bizonyos esetekben automatikus műveleteket hajtson végre (pl.:lockolás)

Template method

Cél: Egy műveleten belül algoritmus vázat definiál, és ennek néhány lépésének implementálását a leszármazott osztályra bízza.

Példa: Framework-ben dokumentum megnyitása

Előny

• lehetővé teszi, hogy az algoritmus invariáns részeit egy helyen definiáljuk, és a változó részeket a leszármazott osztályban adjuk meg. Így megoldható a kódduplikálás elkerülése: a hierarchiában a közös kódrészeket a szülő osztályban egy helyen adjuk meg (template method), ami a különböző viselkedést megvalósító egyéb műveleteket hívja meg. Ezeket a "különböző viselkedést megvalósító egyéb műveleteket" a leszármazott osztályban felül kell/lehet definiálni.

Lehetővé teszi ún. hook függvények definiálását: ezek kiterjesztési pontok a kódban.

Command/Action

Cél: Egy kérés objektumként való egységbezárása. Ez lehetővé teszi a kliens különböző kérésekkel való felparaméterezését, a kérések sorba állítását, naplózását és visszavonását (undo) Nagyon rendszerfüggő (C++, .NET, stb.) a koncepció és az implementáció is

Példa: felhasználói parancsok

Használjuk, ha

• a strukturált programban callback függvényt használnánk, OO programban használjunk commandot helyette.
• szeretnénk a kéréseket különböző időben kiszolgálni. Ilyenkor várakozási sort használunk, a command-ban tároljuk a paramétereket, majd akár különböző folyamatokból/szálakból is feldolgozhatjuk őket.
• visszavonás támogatására – eltároljuk az előző állapotot a command-ban

Előny

• elválasztja a parancsot kiadó objektumot attól, amelyik tudja, hogyan kell lekezelni
• kiterjeszthetővé teszi a Command specializálásával a parancs kezelését
• összetett parancsok támogatása
• egy parancs több GUI elemhez is hozzárendelhető: tipikusan menüelem és toolbar gomb
• könnyű hozzáadni új parancsokat, mert ehhez egyetlen létező osztályt sem kell változtatni.

Memento

Cél: Az egységbezárás megsértése nélkül a külvilág számára elérhetővé tenni az objektum belső állapotát. Így az objektum állapota később visszaállítható.

Példa: Visszavonás (undo) funkció a Dokumentumban

Struktúra

• Originator: az állapotát kell tudni visszaállítani.
  • A CreateMemento() elment (pontosabban visszaadja a state állapotot egy Memento objektum formájában)
  • A SetMemento() visszaállít, (pontosabban beállítja a state állapotot a paraméterben megkapott Memento objektum alapján)
• Memento: az Originator állapotát tárolja és elméletileg csak az Originator számára biztosít hozzáférést az állapothoz (state). Pl. C++-ban a friend alkalmazásával oldható ez meg.
• CareTaker: nyilvántartja a Mementokat

Használjuk, ha

• egy objektum (rész)állapotát később vissza kell állítani és egy közvetlen interfész az objektum állapotához használná az implementációs részleteket, vagyis megsértené az objektum egységbezárását

Előnyök

• megőrzi az egységbezárás határait
• egyszerűsíti az Originatort

Hátrányok

• Memento használata sokszor erőforrásigényes
• nem mindig jósolható meg a Caretaker által lefoglalt hely, és ez sok is lehet

Observer

Cél: Hogyan tudják objektumok értesíteni egymást állapotuk megváltozásáról anélkül, hogy függőség lenne a konkrét osztályaiktól

Példa: MVC vagy Document-View architektúra - A felhasználó megváltoztatja az egyik nézeten az adatokat, hogyan frissítsük a többit?

Előnyök

• a modell kódjában csak egy IView lista van, így a modell független az egyes IView-t implementáló osztályoktól. A modell újrafelhasználható!
• egy egyszerű mechanizmust kaptunk arra, hogy az összes view konzisztens nézetét mutassa az adatoknak.
• a rendszer könnyen kiterjeszthető új view osztályokkal. Sem a modellt, sem a többi view osztályt nem kell ehhez módosítani.
• Lehetővé teszi, hogy egy objektum megváltozása esetén értesíteni tudjon tetszőleges más objektumokat anélkül, hogy bármit is tudna róluk. Ez az ún. observer minta lényege

Struktúra:

• Subject: Tárolja a beregisztrált Observer-eket; Interfészt definiál Observer-ek be- és kiregisztrálására valamint értesítésére
• Observer: Interfészt definiál azon objektumok számára, amelyek értesülni szeretnének a Subject-ben bekövetkezett változásról (Update művelet)
• ConcreteSubject: Az observer-ek számára érdekes állapotot tárol; Értesíti a beregisztrált observer-eket, amikor az állapota megváltozik
• ConcreteObserver: Referenciát tárol a megfigyelt ConcreteSubject objektumra; Olyan állapotot tárol, amit a megfigyelt ConcreteSubject állapotával konzisztensen kell tartani; Implemetálja az Observer interfészét (Update művelet), ez az, amit a Subject meghív, amikor a ConcreteSubject állapota megváltozik. Ebben frissíti a saját állapotát a megfigyelt ConcreteSubject? állapotának megfelelően

Használjuk, ha:

• egy objektum megváltoztatása maga után vonja más objektumok megváltoztatását, és nem tudjuk, hogy hány objektumról van szó
• egy objektumnak értesítenie kell más objektumokat az értesítendő objektum szerkezetére vonatkozó feltételezések nélkül

Megjegyzés: az Observer az egyik leggyakrabban használt minta

Előnyök

• laza kapcsolat a Subject és az Observer között
• üzenetszórás támogatása

Hátrányok

• felesleges Update-ek
• az egyszerű Update alapján az Subject összes adatát le kell kérdezni (bár a Subject az Object::Update meghívásakor megadhatja paraméterként, hogy mi változott meg).
• Az előbbi modellben a Subject ::Notifyt meghívó Observer-re is meghívódik az Update, holott az változtatta meg a ConcreteSubject állapotát

Iterator

Cél: Szekvenciális hozzáférést biztosít egy összetett (pl. lista) objektum elemeihez anélkül, hogy annak belső reprezentációját felfedné

Példa: Lista

Használjuk, ha

• úgy szeretnénk hozzáférni egy objektum tartalmazott objektumaihoz, hogy nem akarjuk felfedni a belső működését
• többféle hozzáférést szeretnénk biztosítani a tartalmazott objektumokhoz
• egy időben több, egymástól független hozzáférést szeretnénk a lista elemeihez
• különböző tartalmazott struktúrákhoz szeretnénk hozzáférni hasonló interfésszel

State

Cél: Lehetővé teszi egy objektum viselkedésének megváltozását, amikor megváltozik az állapota.

Példa: TCPConnection osztály egy hálózati kapcsolatot reprezentál; Három állapota lehet: Listening, Established, Closed; A kéréseket az állapotától függően kezeli

Használjuk ha

• az objektum viselkedése függ az állapotától, és a viselkedését az aktuális állapotnak megfelelően futás közben meg kell változtatnia
• a műveleteknek nagy feltételes ágai vannak, melyek az objektum állapotától függenek

Előnyök

• egységbezárja az állapotfüggő viselkedést, így könnyű új állapotok bevezetése
• áttekinthetőbb kód (nincs nagy switch-case szerkezet)
• a State objektumokat meg lehet osztani

Hátrányok

• nő az osztályok száma (csak indokolt esetben használjuk)

Mediator

Cél: Olyan objektumot definiál, ami egységbe zárja, hogy objektumok egy csoportja hogyan éri el egymást (hogyan kommunikál egymással). Megoldja, hogy az egymással kommunikáló objektumoknak ne kelljen egymásra hivatkozást tárolniuk, ezáltal biztosítja az objektumok laza csatolását.

Példa: Egy Form vagy dialógus ablak

Szerkezet: Minden vezérlőelem tartalmaz egy referenciát a dialógus ablakra (mediátor) A dialógus ablak minden vezérlőelemre tartalmaz egy referenciát

Strategy

Cél: Algoritmusok egy csoportján belül az egyes algoritmusok egységbe zárása és egymással kicserélhetővé tétele. A kliens szemszögéből az általa használt algoritmusok szabadon kicserélhetőek.

Példa: A kliens objektum különféle sorrendező algoritmusokat használhat; A kliens tartalmaz egy SortAlgorithm típusú pointert/referenciát egy konkrét (QuickSort v. HeapSort) objektumra.