Паттерни або шаблони проектування - частина роботи розробника, яку часто недооцінюють, що призводить до того, що код стає важко підтримувати та адаптувати до нових вимог. Пропоную подивитися на те, що це взагалі таке і як це використовується у JDK. Звичайно, всі базові шаблони в тому чи іншому вигляді вже давно довкола нас. Давайте побачимо їх у рамках даного огляду.
- Шаблони
- Патерни, що породжують (creational patterns)
- Структурні патерни (structural patterns)
- Поведінкові шаблони
- Висновок
Шаблони
Одна з найпоширеніших вимог у вакансіях - "Знання патернів". Насамперед варто відповісти на просте запитання - "А що таке Паттерн проектування?". Паттерн перекладається з англійської як "шаблон". Тобто, це деякий зразок, за яким ми щось робимо. Так і у програмуванні. Є деякі вироблені кращі практики (best practice) і підходи до вирішення проблем, що часто зустрічаються. Кожен програміст – архітектор. Навіть коли Ви створюєте лише кілька класів або навіть один — від Вас залежить, наскільки код зможе виживати під зміною вимог, наскільки він зручний у використанні іншими. І ось тут і допоможе знання шаблонів, т.к. це дозволить швидше зрозуміти, як краще написати код так, щоб не переписувати його. Як відомо, програмісти - люди ліниві і простіше написати відразу добре, ще переробляти кілька разів) Ще патерни можуть здатися схожим на алгоритми. Але вони мають різниця. Алгоритм складається із конкретних кроків, що описують необхідні дії. Паттерни лише описують підхід, але з описують кроки реалізації. Паттерни бувають різні, т.к. вирішують різні проблеми. Зазвичай виділяють такі категорії:-
Що породжують
Ці патерни вирішують проблеми забезпечення гнучкості створення об'єктів.
-
Структурні
Ці патерни вирішують проблеми ефективної побудови зв'язків між об'єктами.
-
Поведінкові
Ці патерни вирішують проблеми ефективної взаємодії між об'єктами.
Патерни, що породжують (creational patterns)
Почнемо з початку життєвого циклу об'єктів - зі створення об'єктів. Шаблони, що породжують, якраз і допомагають створювати об'єкти зручніше, забезпечити гнучкість цього процесу. Одним із найвідоміших є " Будівельник " (Builder). Цей патерн дозволяє створювати складні об'єкти покроково. У Java найвідоміший приклад -StringBuilder:
class Main {
public static void main(String[] args) {
StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append("Hello");
builder.append(',');
builder.append("World!");
System.out.println(builder.toString());
}
}java.util.Calendar. Сам клас Calendarабстрактний, а щоб його створювати використовується метод getInstance:
import java.util.*;
class Main {
public static void main(String[] args) {
Calendar calendar = Calendar.getInstance();
System.out.println(calendar.getTime());
System.out.println(calendar.getClass().getCanonicalName());
}
}Calendar, а створюється клас GregorianCalendar. Якщо ми глянемо в конструктор, то побачимо, що в залежності від умов створюються різні реалізації Calendar. Але іноді одного фабричного методу мало. Іноді потрібно створювати різні об'єкти так, щоб вони поєднувалися один з одним. У цьому нам допоможе інший шаблон - " Абстрактна фабрика " (Abstract factory). І тоді нам потрібно створювати різні заводи в одному місці. У цьому плюсом і те, що не важливі деталі реалізації, тобто. не важливо, яку саме фабрику ми отримаємо. Головне, щоби вона створювала правильні реалізації. Супер приклад:
java.lang.Cloneable:
class Main {
public static void main(String[] args) {
class CloneObject implements Cloneable {
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return new CloneObject();
}
}
CloneObject obj = new CloneObject();
try {
CloneObject pattern = (CloneObject) obj.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
//Do something
}
}
}clone. Тобто створення об'єкта за прототипом — обов'язок самого об'єкта. Це корисно тому, що не зав'язує об'єкта-шаблону, що використовує на реалізацію. Ну і останній у цьому списку - патерн "Одиночка" (Singleton). Мета його проста - забезпечити єдиний екземпляр об'єкта на весь додаток. Цей патерн цікавий тим, що на ньому часто показують проблеми багатопоточності. Для більш глибокого ознайомлення слід ознайомитись із цими статтями:
Структурні патерни (structural patterns)
Зі створенням об'єктів стало зрозуміліше. І тепер саме час подивитися на структурні патерни. Їхня мета — побудова зручних у підтримці ієрархій класів та їх взаємозв'язків. Одним із перших і всім відомих патернів - " Заступник " (Proxy). Заступник має той самий інтерфейс, як і реальний об'єкт, тому клієнта немає різниці — працювати через заступника чи напряму. Найпростішим прикладом є java.lang.reflect.Proxy :import java.util.*;
import java.lang.reflect.*;
class Main {
public static void main(String[] arguments) {
final Map<String, String> original = new HashMap<>();
InvocationHandler proxy = (obj, method, args) -> {
System.out.println("Invoked: " + method.getName());
return method.invoke(original, args);
};
Map<String, String> proxyInstance = (Map) Proxy.newProxyInstance(
original.getClass().getClassLoader(),
original.getClass().getInterfaces(),
proxy);
proxyInstance.put("key", "value");
System.out.println(proxyInstance.get("key"));
}
}HashMap, що реалізує інтерфейс Map. Ми далі створюємо проксі, який замінює оригінальну HashMapдля клієнтської частини, яка викликає методи putі getдодаючи під час виклику свою логіку. Як бачимо, взаємодія в патерні йде через інтерфейси. Але іноді заступника недостатньо. І тоді можна використовувати патерн " Декоратор " (Decorator). Декоратор ще називають обгорткою або враппером (Wrapper). Проксі та декоратор дуже схожі, але якщо подивитися на приклад — буде видно різниця:
import java.util.*;
class Main {
public static void main(String[] arguments) {
List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> decorated = Collections.checkedList(list, String.class);
decorated.add("2");
list.add("3");
System.out.println(decorated);
}
}import java.util.*;
class Main {
public static void main(String[] arguments) {
String[] array = {"One", "Two", "Three"};
List<String> strings = Arrays.asList(array);
strings.set(0, "1");
System.out.println(Arrays.toString(array));
}
}List. Працюючи з ним, ми насправді працюємо з масивом. Тому, додавати елементи вийде, т.к. Початковий масив не змінити. І ми в цьому випадку отримаємо UnsupportedOperationException. Наступним цікавим підходом у створенні структури класів є патерн " Компонувальник " (Сomposite). Цікавий він тим, що деякий набір елементів, що використовують один інтерфейс, вишиковуються в деяку деревоподібну ієрархію. Викликаючи метод у батьківському елементі, ми отримуємо виклик цього методу за всіма необхідними дочірніми елементами. Яскравий приклад цього патерну - UI (чи то java.awt або JSF):
import java.awt.*;
class Main {
public static void main(String[] arguments) {
Container container = new Container();
Component component = new java.awt.Component(){};
System.out.println(component.getComponentOrientation().isLeftToRight());
container.add(component);
container.applyComponentOrientation(ComponentOrientation.RIGHT_TO_LEFT);
System.out.println(component.getComponentOrientation().isLeftToRight());
}
}java.awt.
Поведінкові шаблони
Отже, ми розібралися, як можна створити об'єкти та як можна організувати зв'язок між класами. Залишилося найцікавіше забезпечити гнучкість у зміні поведінки об'єктів. І в цьому нам допоможуть поведінкові патерни. Одним із найчастіше згадуваних патернів є патерн " Стратегія ". З нього ж починається вивчення патернів у книзі " Head First. Паттерни проектування ". З допомогою патерну " Стратегія " ми можемо всередині об'єкта зберігати те, як ми виконуватимемо дію, тобто. об'єкт всередині зберігає стратегію, яка може бути змінена в тому числі під час виконання коду. Цей патерн ми часто використовуємо, коли застосовуємо компаратор:import java.util.*;
class Main {
public static void main(String[] args) {
List<String> data = Arrays.asList("Moscow", "Paris", "NYC");
Comparator<String> comparator = Comparator.comparingInt(String::length);
Set dataSet = new TreeSet(comparator);
dataSet.addAll(data);
System.out.println("Dataset : " + dataSet);
}
}TreeSet. Він має поведінка — TreeSetпідтримує порядок елементів, тобто. сортує їх (оскільки він є SortedSet). Ця поведінка має стратегію, визначену за умовчанням, яку ми бачимо в JavaDoc: сортування в "natural ordering" (для рядків це лексикографічний порядок). Так відбувається, якщо використати конструктор без параметрів. Але якщо ми захочемо змінити стратегію, ми можемо передати в конструктор Comparator. У цьому прикладі ми можемо створити наш набір як new TreeSet(comparator)і тоді порядок зберігання елементів (стратегія зберігання) зміниться на той, який вказаний в компараторі. Цікаво, що є майже такий самий патерн із назвою " СтанПаттерн "Стан" говорить, що якщо у нас є у головного об'єкта деяка поведінка, залежна від стану цього об'єкта, то тоді можна описати сам стан у вигляді об'єкта і змінювати об'єкт стану. А виклики з головного об'єкта делегувати стану. Ще один патерн, відомий нам з вивчення самих основ мови Java - патерн " Комманда ". Цей патерн проектування говорить про те, що різні команди можна представляти у вигляді різних класів. Цей патерн дуже схожий на патерн "Стратегія". ми перевизначали те, як буде виконуватися конкретна дія (наприклад, сортування в TreeSet). У патерні "Комманда" ж ми перевизначаємо те, яка взагалі дія буде виконана. коли ми використовуємо потоки:
import java.util.*;
class Main {
public static void main(String[] args) {
Runnable command = () -> {
System.out.println("Command action");
};
Thread th = new Thread(command);
th.start();
}
}java.util.logging:
import java.util.logging.*;
class Main {
public static void main(String[] args) {
Logger logger = Logger.getLogger(Main.class.getName());
ConsoleHandler consoleHandler = new ConsoleHandler(){
@Override
public void publish(LogRecord record) {
System.out.println("LogRecord обработан");
}
};
logger.addHandler(consoleHandler);
logger.info("test");
}
}logger.getHandlers) даного логгера. Ще один патерн, який ми бачимо щодня " Ітератор ". Суть його полягає в тому, щоб розділити колекцію об'єктів (бо клас, що представляє структуру даних. Наприклад, List) і обхід цієї колекції.
import java.util.*;
class Main {
public static void main(String[] args) {
List<String> data = Arrays.asList("Moscow", "Paris", "NYC");
Iterator<String> iterator = data.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next());
}
}
}java.nio.file.FileVisitor:
import java.nio.file.*;
import java.nio.file.attribute.*;
import java.io.*;
class Main {
public static void main(String[] args) {
SimpleFileVisitor visitor = new SimpleFileVisitor() {
@Override
public FileVisitResult visitFile(Object file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
System.out.println("File:" + file.toString());
return FileVisitResult.CONTINUE;
}
};
Path pathSource = Paths.get(System.getProperty("java.io.tmpdir"));
try {
Files.walkFileTree(pathSource, visitor);
} catch (AccessDeniedException e) {
// skip
} catch (IOException e) {
// Do something
}
}
}
import java.util.*;
class Main {
public static void main(String[] args) {
Observer observer = (obj, arg) -> {
System.out.println("Arg: " + arg);
};
Observable target = new Observable(){
@Override
public void notifyObservers(Object arg) {
setChanged();
super.notifyObservers(arg);
}
};
target.addObserver(observer);
target.notifyObservers("Hello, World!");
}
}java.util.Timer:
import java.util.*;
class Main {
public static void main(String[] args) {
Timer mediator = new Timer("Mediator");
TimerTask command = new TimerTask() {
@Override
public void run() {
System.out.println("Command pattern");
mediator.cancel();
}
};
mediator.schedule(command, 1000);
}
}Timer'а. Усередині таймера є черга завдань TaskQueue, є потік TimerThread. Ми, як клієнти цього класу, не взаємодіємо з ними, а взаємодіємо з тим Timer, який на наш виклик його методів звертається до методів інших об'єктів, посередником яких є. Зовні може здатися дуже схожим на "Фасад". Але різниця в тому, що колись використовується Фасад — компоненти не знають, що фасад існує і звертаються один до одного. А коли використовується "Посередник", то компоненти знають та використовують посередника, але не звертаються один до одного безпосередньо. Варто розглянути і патерн .(Template Method) Зрозумілий вже за назвою шаблон. Суть полягає в тому, що код написаний так, що користувачам коду (розробникам) надається деякий шаблон алгоритму, кроки в якому дозволяється перевизначати. Це дозволяє користувачам коду не писати весь алгоритм, а думати тільки над тим, як правильно виконати той чи інший крок цього алгоритму.Наприклад, у Java є абстрактний клас AbstractList, що визначає поведінку ітератора по .Однак, сам ітератор використовує методи Listаркуша, такі як: get, set, . в є шаблоном алгоритму ітерування по листу, а розробники конкретних реалізаційremoveAbstractListAbstractListAbstractListзмінюють поведінку цього ітерування, визначаючи поведінку конкретних кроків. Останній з розбирається нами патернів - патерн " Знімок " (Momento). Суть його полягає у збереженні деякого стану об'єкта з можливістю цей стан відновити. Найвідомішим прикладом із JDK є серіалізація об'єкта, тобто. java.io.Serializable. Давайте розглянемо приклад:
import java.io.*;
import java.util.*;
class Main {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("test");
// Save State
ByteArrayOutputStream stream = new ByteArrayOutputStream();
try (ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(stream)) {
out.writeObject(list);
}
// Load state
byte[] bytes = stream.toByteArray();
InputStream inputStream = new ByteArrayInputStream(bytes);
try (ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(inputStream)) {
List<String> listNew = (List<String>) in.readObject();
System.out.println(listNew.get(0));
} catch (ClassNotFoundException e) {
// Do something. Can't find class fpr saved state
}
}
}
Висновок
Як ми побачабо з огляду, патернів існує безліч. Кожен із них вирішує своє завдання. І знання цих патернів може допомогти Вам вчасно зрозуміти, як написати Вашу систему так, щоб вона була гнучка, підтримувана та стійка до змін. І насамкінець трохи посилань для глибшого занурення:- Найшикарніший ресурс з патернів: refactoring.guru
- Відео плейлист " Design Patterns in Object Oriented Programming "
- Design Patterns Exercises
- Тест з патернів
- Курси з патернів на Udemy
- Курс з патернів на Coursera
ПЕРЕЙДІТЬ В ПОВНУ ВЕРСІЮ