Design Pattern

Was ist ein Design Pattern?

Ein Design Pattern ist ein Entwurfsmuster für Software als eine abstrakte Beschreibung. In der Programmierung sind Design Patterns meist objektorientierte Code-Entwürfe.

Entwurfsmuster als allgemeine Lösung für den Entwurf von Software

Ein Entwurfsmuster ist eine allgemeine, wiederholbare Lösung für ein häufig auftretendes Problem beim Softwareentwurf. Es handelt sich dabei nicht um ein bestimmtes Stück Code, sondern vielmehr um eine Vorlage oder einen Entwurf, der in verschiedenen Situationen zur Lösung ähnlicher Probleme eingesetzt werden kann.

Best Practices für Software-Entwickler

Design Patterns bieten ein gemeinsames Vokabular und eine Reihe von Best Practices für Saftwareentwickler, um effektiv zu kommunizieren und zusammenzuarbeiten. Sie kapseln das Wissen und die Erfahrung erfahrener Softwareingenieure und ermöglichen es Entwicklern, qualitativ hochwertige, wartbare und erweiterbare Softwaresysteme zu erstellen.

Gestaltungsmuster, Strukturmuster und Verhaltensmuster

Entwurfsmuster lassen sich in drei Kategorien einteilen: Gestaltungsmuster, Strukturmuster und Verhaltensmuster.

Entwurfsmuster befassen sich mit Mechanismen zur Objekterzeugung, wobei versucht wird, Objekte in einer für die jeweilige Situation geeigneten Weise zu erzeugen.

Strukturelle Muster befassen sich mit der Komposition von Objekten und den Beziehungen zwischen Objekten und erleichtern so den Entwurf von Softwarearchitekturen. Verhaltensmuster konzentrieren sich auf die Kommunikation zwischen Objekten und erleichtern die Entwicklung von Kommunikationsmechanismen zwischen den Objekten im System.

Beispiele für Entwurfsmuster

Beispiele für Entwurfsmuster sind das Singleton-Muster, das sicherstellt, dass eine Klasse nur eine Instanz hat, das Factory-Muster, das Objekte erstellt, ohne die genaue Klasse zu spezifizieren, die erstellt werden soll, und das Observer-Muster, das eine eins-zu-viele-Abhängigkeit zwischen Objekten definiert, so dass bei einer Zustandsänderung eines Objekts alle seine Abhängigen benachrichtigt und automatisch aktualisiert werden.

Insgesamt sind Entwurfsmuster ein leistungsfähiges Werkzeug für Softwareentwickler, um qualitativ hochwertige Software zu erstellen, die wartbar, erweiterbar und einfach zu verstehen ist.

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Design Pattern lösen eine Klasse von Problemen

Ein einzelnes Design Pattern repräsentiert immer eine Lösung für eine Klasse von Problemen. Dass beinhaltet zum einen, dass ein Design Pattern eine formal korrekte und hochwertige Lösung darstellt. Zum anderen tritt das Problem zu dem das Design Pattern eine (codebasierte) Lösung anbietet wiederholt auf und ist somit für viele Software-Ingenieure, Programmierer usw. relevant.

Wie lässt sich ein Design Pattern darstellen?

Design Pattern sind Entwurfsmuster lassen sich in vielen Beschreibungssprachen abbilden. Diese Sprachen verwenden für die Entwicklung von Software eine Kombination aus einer natürlichen Sprache, UML-ähnlichen Diagrammen, komplexen mathematischen oder logikbasierten Formalismen, oder eXtensible Markup Language (XML).

Ebenfalls existieren zusammengesetzte Entwurfsmuster, die dann beispielsweise sowohl auf einer beschreibenden Design Pattern Description Language (DPDL) basieren als auch zugleich eine technische Repräsentation – beispielsweise über XML – unterstützen.

Wie lösen Entwurfsmuster Probleme?

Entwurfsmuster lösen Probleme, indem sie bewährte Lösungen für wiederkehrende Entwurfsprobleme bieten, die während des Softwareentwicklungsprozesses auftreten. Sie kapseln das Wissen und die Erfahrung erfahrener Software-Ingenieure und ermöglichen es Entwicklern, hochwertige, wartbare und erweiterbare Softwaresysteme zu erstellen.

So löst ein Entwurfsmuster ein Problem:

Im Folgenden werden einige Möglichkeiten aufgezeigt, wie Entwurfsmuster Probleme lösen:

1. Abstraktion: Entwurfsmuster bieten eine hohe Abstraktionsebene, die es Entwicklern ermöglicht, sich auf die wichtigsten Entwurfsaspekte eines Systems zu konzentrieren, ohne sich in Implementierungsdetails zu verzetteln.

2. Wiederverwendbarkeit: Entwurfsmuster bieten wiederverwendbare Lösungen für gängige Probleme, wodurch sich der Zeit- und Arbeitsaufwand für den Entwurf und die Implementierung eines Systems verringert.

2. Flexibilität: Entwurfsmuster erleichtern die Änderung und Erweiterung eines Systems, indem sie eine Reihe von gut definierten Schnittstellen und Implementierungsrichtlinien bereitstellen.

3. Wartbarkeit: Entwurfsmuster verbessern die Wartbarkeit eines Systems, indem sie die Modularität fördern und die Kopplung zwischen den Komponenten verringern.

4. Kommunikation: Entwurfsmuster bieten ein gemeinsames Vokabular und eine Reihe von Best Practices für Entwickler, um effektiv zu kommunizieren und zusammenzuarbeiten.

5. Leistung: Entwurfsmuster können die Leistung eines Systems verbessern, indem sie optimierte Lösungen für häufige Probleme bieten.

Insgesamt helfen Entwurfsmuster Entwicklern bei der Lösung von Problemen, indem sie eine Reihe gut definierter, wiederverwendbarer Lösungen bereitstellen, die sich in realen Szenarien bewährt haben. Sie erleichtern die Entwicklung qualitativ hochwertiger, wartbarer und erweiterbarer Softwaresysteme, die den Anforderungen von Benutzern und Interessengruppen gerecht werden.

Wann ist Design Pattern entstanden?

Der Begriff Design Pattern wurde erstmals 1977 in einem Essay von C. Alexander mit dem Titel „A Pattern Language: Towns, Buildings, Construction“ verwendet.

Später wurde der Begriff in das Buch Design Patterns von Gamma, Helm, Johnson und Vlissides aus dem Jahr 1994 aufgenommen.

Dieses Standardwerk der Softwareentwicklung zeigt Lösungen für ein Designprobleme im Paradigma der objektorientierten Programmierung. Design Patterns zeigen eine durchdachte  Lösung für ein betreffendes Problem und erklären, wie diese Lösung implementiert werden sollte.

Wie erstelle ich ein Design Pattern?

Am Anfang ihres Buches hebt die Gang of Four – so der Spitzname der Autoren des Buches Design Patterns – die Gamma-Prinzipien hervor.

So erstellst Du ein Design Pattern für Dein Softwareproblem:

Die Erstellung eines Entwurfsmusters erfordert ein tiefes Verständnis der Software-Entwurfsprinzipien sowie eine gründliche Kenntnis des Problembereichs und der Anforderungen an das zu entwerfende System.

Hier sind einige Schritte, die Du bei der Erstellung eines Entwurfsmusters befolgen solltest:

1. Identifiziere das Problem: Beginne damit, ein wiederkehrendes Problem beim Softwareentwurf zu identifizieren, das Dir begegnet ist oder das Du beobachtet hast. Das Problem sollte so allgemein sein, dass es sich auf mehrere Situationen anwenden lässt.

2. Analysiere das Problem: Analysiere das Problem im Detail und identifiziere die Schlüsselfaktoren, die zu dem Problem beitragen. Bestimme die Grundursache des Problems und berücksichtige die Einschränkungen und Anforderungen des Systems.

3. Schlage eine Lösung vor: Entwickle eine Lösung für das Problem, die allgemein genug ist, um in verschiedenen Situationen angewendet werden zu können. Die Lösung sollte einfach, elegant und effektiv sein und die Beschränkungen und Anforderungen des Systems berücksichtigen.

4. Verfeinere die Lösung: Verfeinere deine Lösung, indem Du sie in mehreren Situationen testest und auf der Grundlage von Rückmeldungen und Erfahrungen verfeinerst. Berücksichtige Randfälle und ungewöhnliche Szenarien, um sicherzustellen, dass die Lösung robust und zuverlässig ist.

5. Dokumentiere das Entwurfsmuster: Dokumentiere das Entwurfsmuster im Detail, einschließlich seines Namens, Zwecks, seiner Struktur und seiner Verwendungsrichtlinien. Füge Codebeispiele und Diagramme hinzu, um zu veranschaulichen, wie das Muster in der Praxis funktioniert.

6. Gib das Entwurfsmuster weiter: Gib das Muster an andere Entwickler weiter und bitten sie um Feedback und Verbesserungsvorschläge. Zieh in Erwägung, das Muster in einem Entwurfsmusterkatalog oder einer anderen Ressource zu veröffentlichen, um es einem breiteren Publikum zugänglich zu machen.

Insgesamt erfordert die Erstellung eines Entwurfsmusters ein tiefes Verständnis der Softwareentwurfsprinzipien sowie Kreativität, analytisches Denken und Liebe zum Detail.

Wenn Du diese Schritte befolgst, kannst Du ein leistungsfähiges und effektives Entwurfsmuster erstellen, das zur Lösung wiederkehrender Probleme beim Softwareentwurf verwendet werden kann.

Design Pattern Empfehlungen

Prinzip 1: Nutze APIs für Dein Design Pattern

Das erste Prinzip besagt, dass es empfehlenswert und zuverlässiger ist, in Richtung einer Schnittstelle zu programmieren. Der Entwickler sollte über Schnittstellen programmieren und nicht direkt mit dem betreffenden Objekt.

Schließlich sollte sich der Entwickler nur um die Kommunikation mit dem Objekt kümmern – was es senden und empfangen kann – und nicht um das Objekt, das sich dahinter verbirgt.

Prinzip 1: Nutze Delegation und ermögliche die Wiederverwertbarkeit von Code

Das zweite Prinzip ist die Delegation von Code, die die Wiederverwendung von Codeteilen ermöglicht. Das Hauptobjekt sendet eine Anfrage an ein zweites Objekt – den Delegierten -, das die Anfrage an das Empfängerobjekt weiterleitet. In diesem Prozess läuft die Kommunikation also über drei Akteure, von denen einer dem Sender hilft.

Schließlich werden in dem Buch Design Patterns eine Reihe von Design Patterns vorgestellt, denn obwohl es sich um verallgemeinerte Muster handelt, ist es nicht immer notwendig und sinnvoll, ein Design anstelle eines anderen zu verwenden.

Darüber hinaus werden die vorgeschlagenen Designs in Kategorien eingeteilt:

Creational Pattern – Kreatives Entwurfsmuster

Ein Creational Pattern ermöglicht eine Optimierung der Erstellung von Objekten.

Creational Pattern sind eine Kategorie von Entwurfsmustern, die sich mit Mechanismen zur Erzeugung von Objekten befassen. Sie bieten Möglichkeiten, Objekte in einer Weise zu erstellen, die der Situation und den Bedürfnissen des Systems entspricht.

Das Hauptziel von Entwurfsmustern besteht darin, den Prozess der Objekterstellung zu kapseln und ihn flexibler und vom Rest des Systems entkoppelt zu gestalten.

Beispiele für kreative Entwurfsmuster:

Factory-Method

Das Factory-Methode-Muster bietet eine Schnittstelle für die Erstellung von Objekten, erlaubt aber Unterklassen zu entscheiden, welche Klasse instanziiert werden soll. Es ist nützlich, wenn Du die Erstellung von Objekten vom Rest des Systems entkoppeln und eine Möglichkeit bieten willst, Objekte unterschiedlichen Typs zu erstellen, ohne ihre konkreten Klassen zu spezifizieren.

Abstract Factory-Muster

Das Abstract Factory-Muster bietet eine Schnittstelle zur Erstellung von Familien verwandter oder abhängiger Objekte, ohne deren konkrete Klassen anzugeben. Es ist nützlich, wenn Du Objekte erstellen musst, die miteinander in Beziehung stehen, und sicherstellen willst, dass sie konsistent und kompatibel zueinander sind.

Singleton

Das Singleton-Muster stellt sicher, dass eine Klasse nur eine Instanz hat, und bietet einen globalen Zugangspunkt zu ihr. Es ist nützlich, wenn Du gewährleisten musst, dass es nur eine Instanz einer Klasse im System gibt, und eine Möglichkeit bieten willst, von überall im System auf sie zuzugreifen.

Builder

Das Builder-Muster trennt die Konstruktion eines komplexen Objekts von seiner Repräsentation und ermöglicht es Dir, verschiedene Repräsentationen desselben Objekts zu erstellen. Es ist nützlich, wenn Du Objekte mit vielen verschiedenen Konfigurationen und Optionen erstellen und sicherstellen musst, dass sie konsistent und einfach zu verwenden sind.

Prototyp

Mit dem Prototyp-Muster kannst Du neue Objekte erstellen, indem Du vorhandene Objekte klonst, anstatt sie von Grund auf neu zu erstellen. Es ist nützlich, wenn Du Objekte erstellen musst, die bestehenden Objekten ähnlich sind, aber einige Unterschiede oder Variationen aufweisen.

Insgesamt bieten Erstellungsmuster leistungsstarke und flexible Möglichkeiten, Objekte auf eine Weise zu erstellen, die der Situation und den Anforderungen des Systems entspricht.

Durch die Verwendung dieser Muster kannst Du die Flexibilität, Entkopplung und Wartbarkeit Deiner Softwaresysteme verbessern.

Structural Pattern – Entwurfsmuster zur Strukturierung von Software-Komponenten

Ein Structural Pattern ermöglicht es, die Funktionalität von Objekten zu erhöhen, ohne ihre Zusammensetzung zu verändern.

Was sind Strukturmuster?

Strukturmuster sind eine Kategorie von Entwurfsmustern, die sich mit der Zusammensetzung von Klassen und Objekten zu größeren Strukturen befassen. Sie konzentrieren sich darauf, wie Klassen und Objekte kombiniert werden können, um komplexere Strukturen zu bilden, und bieten eine Reihe von Richtlinien, um die gewünschte Struktur zu erreichen.

Beispiele für strukturelle Entwurfsmuster:

Adapter

Mit dem Adaptermuster kannst Du die Schnittstelle einer vorhandenen Klasse an die Schnittstelle einer Kundenanforderung anpassen. Es ist nützlich, wenn Du eine bestehende Klasse hast, die nicht mit der Schnittstelle des Kunden übereinstimmt, aber Du die bestehende Klasse nicht ändern kannst.

Brücke

Das Bridge-Muster entkoppelt eine Abstraktion von Deiner Implementierung und ermöglicht es Dir, unabhängig voneinander zu variieren. Es ist nützlich, wenn Du mehrere Implementierungen einer Abstraktion hast und diese von der Abstraktion entkoppeln möchtest, um mehr Flexibilität und Erweiterbarkeit zu ermöglichen.

Composite

Das Composite-Muster ermöglicht es Dir, eine Gruppe von Objekten als ein einziges Objekt zu behandeln und eine einheitliche Schnittstelle zu ihnen bereitzustellen. Es ist nützlich, wenn Du eine Gruppe von Objekten hast, die als ein einziges Objekt behandelt werden müssen und auf die Du Operationen auf eine einheitliche Weise anwenden willst.

Decorator

Das Decorator-Muster ermöglicht es Dir, einem Objekt dynamisch neues Verhalten hinzuzufügen, ohne seine Klasse zu ändern. Es ist nützlich, wenn Du ein Objekt hast, das um neue Funktionen erweitert werden muss, dessen Klasse Du aber nicht direkt ändern kannst.

Facade

Das Facade-Muster bietet eine vereinfachte Schnittstelle zu einem komplexen System und verbirgt die Komplexität des Systems vor den Clients. Es ist nützlich, wenn Du ein komplexes System hast, das schwer zu benutzen oder zu verstehen ist, und Du eine einfachere Schnittstelle dafür bereitstellen möchtest.

Insgesamt bieten Strukturmuster eine Reihe von Richtlinien für die Zusammenstellung von Klassen und Objekten zu größeren Strukturen, um die gewünschte Funktionalität und Wartbarkeit eines Systems zu erreichen.

Durch die Verwendung dieser Muster können Sie die Flexibilität, Entkopplung und Erweiterbarkeit Ihrer Softwaresysteme verbessern.

Behavioral patterns – Verhaltensmuster

Ein behavioral pattern berücksichtigt die Art und Weise, wie die Klassen miteinander kommunizieren.

Verhaltensmuster (Behavioral Patterns) sind eine Kategorie von Entwurfsmustern, die sich mit der Kommunikation und Interaktion zwischen Klassen und Objekten befassen. Sie konzentrieren sich darauf, wie Objekte zusammenarbeiten und miteinander kommunizieren, um bestimmte Verhaltensweisen oder Funktionen zu erreichen.

Beispiele für verhaltensorientierte Entwurfsmuster:

Observer

Mit dem Observer-Muster kannst Du eine eins-zu-viele-Abhängigkeit zwischen Objekten definieren, so dass bei einer Zustandsänderung eines Objekts alle abhängigen Objekte automatisch benachrichtigt und aktualisiert werden. Es ist nützlich, wenn Du eine Gruppe von Objekten hast, die benachrichtigt werden müssen, wenn eine Änderung in einem anderen Objekt auftritt.

Strategy-Pattern

Das Strategy-Muster ermöglicht es Dir, eine Familie von austauschbaren Algorithmen oder Verhaltensweisen zu definieren und diese in separaten Klassen zu kapseln. Es ist nützlich, wenn Du  mehrere Algorithmen hast, die austauschbar verwendet werden können, und Du jeden Algorithmus in einer separaten Klasse kapseln möchtest.

Template-Methode

Das Muster der Schablonenmethode definiert das Skelett eines Algorithmus in einer Basisklasse und ermöglicht es Unterklassen, bestimmte Schritte des Algorithmus zu überschreiben, ohne seine Struktur zu ändern. Es ist nützlich, wenn Du einen Prozess hast, der in bestimmte Schritte unterteilt werden kann, und Du möchtest es Unterklassen ermöglichen, einige dieser Schritte anzupassen, ohne die Gesamtstruktur des Prozesses zu verändern.

Command-Pattern

Das Command-Muster kapselt eine Anfrage als Objekt und ermöglicht es Dir, Clients mit verschiedenen Anfragen zu parametrisieren, Anfragen in eine Warteschlange zu stellen oder zu protokollieren und rückgängig zu machende Operationen zu unterstützen. Es ist nützlich, wenn Du die Anforderung einer Aktion von der Ausführung der Aktion selbst trennen musst und eine Möglichkeit bieten willst, diese Anforderungen in eine Warteschlange zu stellen, zu protokollieren oder rückgängig zu machen.

Iterator

Das Iterator-Muster bietet eine Möglichkeit, sequentiell auf die Elemente eines Aggregatobjekts zuzugreifen, ohne die zugrunde liegende Darstellung offenzulegen. Es ist nützlich, wenn Du eine Sammlung von Objekten hast, auf die sequenziell zugegriffen werden muss, und Du die zugrunde liegende Darstellung der Sammlung verbergen möchten.

Insgesamt bieten Verhaltensmuster eine Reihe von Richtlinien dafür, wie Objekte zusammenarbeiten und miteinander kommunizieren, um bestimmte Verhaltensweisen oder Funktionen zu erreichen.

Durch die Verwendung dieser Muster kannst Du die Flexibilität, Wartbarkeit und Erweiterbarkeit Deiner  Softwaresysteme verbessern.

Zusammenfassung – Darum solltest Du Entwurfsmuster unbedingt aktiv nutzen:

Entwurfsmuster sind wiederverwendbare Lösungen für gängige Software-Entwurfsprobleme. Sie bieten eine Reihe von Richtlinien und Best Practices für die Strukturierung und Organisation von Code, um bestimmte Funktionalitäten und Wartungsfreundlichkeit zu erreichen.

Durch die Verwendung von Entwurfsmustern können Entwickler*innen häufige Fallstricke vermeiden und wartbare, flexible und erweiterbare Softwaresysteme erstellen.

Drei Hauptkategorien von Entwurfsmustern:

Es gibt drei Kategorieren unterschiedlicher Entwurfsmuster: Schöpferische, strukturelle und Verhaltensmuster. Entwurfsmuster befassen sich mit der Erstellung von Objekten, Strukturmuster mit der Komposition von Objekten und Verhaltensmuster mit der Interaktion von Objekten.

Vorteile Entwurfsmuster zu nutzen

Die Verwendung von Entwurfsmustern kann mehrere Vorteile bieten, unter anderem

Wiederverwendbarkeit

Entwurfsmuster sind wiederverwendbare Lösungen für häufige Probleme, was Entwicklern Zeit und Mühe ersparen kann.

Wartbarkeit

Entwurfsmuster fördern gute Programmierpraktiken, wie z. B. die Entkopplung und Trennung von Belangen, was die Wartung des Codes erleichtern kann.

Flexibilität

Entwurfsmuster können den Code flexibler und anpassungsfähiger machen, da sie eine klare Struktur für das Hinzufügen neuer oder das Ändern bestehender Funktionalitäten bieten.

Erweiterbarkeit

Entwurfsmuster können die Erweiterbarkeit des Codes erhöhen, da sie eine klare Struktur für das Hinzufügen neuer Funktionen oder Verhaltensweisen bieten, ohne den bestehenden Code zu beeinträchtigen.

Insgesamt bieten Entwurfsmuster einen strukturierten Ansatz für den Softwareentwurf und können Entwicklern dabei helfen, besser wartbare, flexible und erweiterbare Softwaresysteme zu erstellen.

Durch das Verständnis und die Verwendung von Entwurfsmustern können Entwickler die Qualität und Effektivität ihres Codes verbessern und häufige Fallstricke beim Softwaredesign vermeiden.

Aus der Perspektive eines Entwicklers wird die Anpassung von Entwurfsmustern Dir und allen Teams erhebliche Vorteile in Bezug auf die Wartbarkeit, Wiederverwendbarkeit und Erweiterbarkeit des Codes führen.

Durch die Verwendung etablierter Muster kannst Du als Software-Entwickler*in die kollektive Erfahrung der Softwareentwicklergemeinschaft nutzen, um gemeinsame Probleme effektiver und effizienter zu lösen.

Auf diese Weise kannst Du robustere und zuverlässigere Softwaresysteme erstellen, die sich im Laufe der Zeit leichter warten und erweitern lassen.

Darüber hinaus kann die Verwendung von Entwurfsmustern Entwicklern helfen, modulareren und besser organisierten Code zu schreiben, was automatisch zu einer geringeren Komplexität und einer besseren Gesamtqualität führen wird.

Letztlich hilft die aktive Nutzung von Entwurfsmustern bei der Softwareentwicklung effektiver und effizienter zu werden und qualitativ hochwertigere Softwareprodukte zu erstellen.