Non-Software Examples of Software Design Patterns

В индустрии программного обеспечения растет число сторонников применения шаблонов. Корни перехода к шаблонам можно найти в работах архитектора Кристофера Александера, который описывал шаблоны как обобщенное решение для задаваемой системы сил в мире [1]. Шаблоны Александера можно обнаружить в повседневных структурах. Каждый из них в "Языке шаблонов" [2], включает в себя картину архетипического примера шаблона.

Поскольку объекты были преобладающим взглядом на мир в то время, когда мир программного обеспечения знакомился с шаблонами, они тоже имеют корни в переходе к объектам [9]. К сожалению примеров шаблонов моделирования программного обеспечения было не так много как у Александера, а они представляли собой более элегантные модели, в отличие от моделей, что люди генерировали в самом начале [13]. Доступ к таким моделям часто ограничивался.

Согласно Александеру, реальный мир шаблонов всегда повторяет самого себя, поскольку в соответствии с заданным набором обстоятельств, всегда существует определенные поля взаимосвязей, которые являются наиболее хорошо приспособленными к силам, которые уже существуют [1]. В программном обеспечении, задачи реального мира либо моделируются целиком, либо объекты реального мира сводят к аппаратному программному обеспечению, а программы выводят результаты реального мира [5]. Взаимосвязи между объектами, которые приспособлены для работы с определенными силами, могут быть обнаружены как в "реальном мире", так и в объектах программного обеспечения. Чтобы проверить эту гипотезу, были найдены примеры из реального мира для каждого из 23 шаблонов "Банды Четырех" [13]. Эти примеры приводятся далее в разделах со 2 по 4.

2. Порождающие  шаблоны

Пять порождающих шаблонов были задокументированы группой авторов, называвших себя "Бандой Четырех". Примеры таких шаблонов могут быть найдены в обрабатывающей промышленности, на предприятиях быстрого питания, в биологии и в политических институтах.

2.1 Пример "Абстрактной  фабрики"

Целью "Абстрактной фабрики" является предоставление интерфейса для создания семейств связанных объектов, без указания конкретных классов. Этот шаблон можно соотнести с оборудованием для штамповки из листового металла, используемого при производстве японских автомобилей. Штамповочное оборудование является "Абстрактной фабрикой", которая создает части корпуса автомобиля. Один и тот же механизм используется для штамповки правых дверей, левых дверей, правых передних крыльев, левых передних крыльев, капота и т.п. у различных моделей машин. С помощью роликов для изменения формы штампа, конкретные классы производятся механизмами, которые могут изменяться за три минуты [16].

2.2 Пример "Строителя"

Шаблон "Строитель" отделяет построение сложного объекта от его представления так, что одно и то же построение процесса может создавать различные представления. Этот шаблон применяется ресторанами быстрого питания для комплектования детского меню. Детское питание обычно состоит из главного блюда, гарнира, напитка и игрушки (например, гамбургер, картофель фри, кока-кола и автомобильная игрушка). Заметьте, что в содержание детского меню могут вводиться вариации, но процесс комплектования остается одинаковым. Заказывает ли потребитель гамбургер, чизбургер или курицу — процесс один и тот же. Работник за прилавком указывает команде собрать главное блюдо, гарнир и игрушку. Эти предметы помещаются в пакет. Напиток наливается в чашку и ставится рядом с пакетом. Этот же самый процесс используется и конкурирующими ресторанами.

2.3 Пример "Фабричного  метода"

"Фабричный метод" задает  интерфейс для создания объектов, но оставляет подклассам решать, какие именно классы будут  создавать экземпляры. Отливка формовочного  пресса демонстрирует такой шаблон. Производители пластмассовых игрушек  подвергают обработке пластмассовый  формовочный порошок, и заливая пластмассу в пресс, придают ей желаемую форму [15]. Класс игрушки (автомобиль, фигурка и т.п.) определяется прессом.

2.4 Пример "Прототипа"

Шаблон "Прототип" задает вид создаваемых объектов, используя экземпляр- прототип. Прототипы новых продуктов часто собирают еще до полноценного производства, но в таком примере прототип является пассивным, и он не участвует в копировании самого себя. Митотическое деление клетки, которое порождает две одинаковых клетки, является примером прототипа, играющего активную роль в копирования себя самого и, таким образом, демонстрирует шаблон "Прототип". Когда клетка делится, в результате появляются две клетки идентичного генотипа. Другими словами, клетка клонирует саму себя.

2.5 Пример "Одиночки"

Шаблон "Одиночка" гарантирует, что класс имеет лишь один экземпляр, и обеспечивает глобальную точку доступа к этому экземпляру. Шаблон "Одиночка" назван в честь одиночного множества, которое определяется множеством, содержащим один элемент. Офис Президента Соединенных Штатов является "Одиночкой". Конституция Соединенных Штатов определяет механизмы, посредством которых избирается президент, ограничивает срок его пребывания в должности и задает порядок преемственности. В результате, в любой момент времени не может оказаться более одного президента. Независимо от конкретной личности действующего президента, звание Президента Соединенных Штатов является глобальной точкой доступа, которое конкретизирует личность в офисе.

3. Структурные  шаблоны

Семь структурных шаблонов были задокументированы "Бандой Четырех". Примеры таких шаблонов могут быть найдены в ручных инструментах, проводке в зданиях, математике, праздновании традиций, торговых каталогах и в банковском деле.

3.1 Пример "Адаптера"

Шаблон "Адаптер" позволяет в случае несовместимых классов работать им вместе, преобразуя интерфейс одного класса в интерфейс, ожидаемый клиентом. Гнездовой ключ представляет собой такой пример "Адаптера". Гнездо присоединенное к храповому механизму, обеспечивает чтобы размер насадки был точно таким же. Типичные размеры гнезд в Соединенных Штатах — 1/2" или 1/4". Очевидно, что 1/2" насадка ключа не подойдет к 1/4" насадке гнезда, если не пользоваться адаптером. 1/2" — 1/4" адаптер имеет 1/2" гнездовой контакт ("мама") для 1/2" насадки ключа, и 1/4" штыревой контакт ("папа") для 1/4" гнезда.

3.2 Пример "Моста"

Шаблон "Мост" отделяет абстракцию от ее реализации так, чтобы они оба могли изменяться независимо. Домашний переключатель, управляющий освещением, потолочным вентилятором и т.п. является примером "Моста". Назначением переключателя является включение или выключение устройства. Действующий переключатель может быть реализован как замыкатель цепи, как простой двухпозиционный переключатель или как переключатель реостатного типа.

3.3 Пример "Компоновщика"

"Компоновщик" сводит  объекты в древовидную структуру, и позволяет клиентам обращаться  к отдельным объектам и их  группам одинаковым образом. "Компоновщиками" являются арифметические выражения, хотя и такой пример является  абстрактным. Арифметическое выражение  состоит из операнда, оператора (+-*/), и другого операнда. Операнд может быть числом или другим арифметическим выражением. То есть, 2+3 и (2+3)+(4*6), — оба выражения являются правильными.

3.4 Пример "Декоратора"

"Декоратор" динамически  подключает к объектам дополнительные  функции. Хотя картины могут быть  повешены на стену как в рамке, так и без, рамками пользуются часто, и как раз за рамку картину вешают на стену. Перед тем как вешать, картина могут быть украшена багетом или установлены в рамку так, чтобы и картина, и багет, и рамка образовали единую визуальную композицию.

3.5 Пример "Фасада"

"Фасад" задает единообразный, высокоуровневый интерфейс для  подсистем, что делает его применение  проще. Заказчики сталкиваются с "Фасадом", когда заказывают  товар по каталогу. Заказчик набирает  единый номер и разговаривает  с обслуживающим клиентов персоналом. Обслуживающий клиентов сервис  действует как "Фасад", обеспечивая  интерфейс к подразделению исполнения  заказов, подразделению финансовых  расчетов и подразделению доставки.

3.6 Пример "Приспособленца"

"Приспособленец" эффективно использует большое количество объектов совместно. Примером "Приспособленца" является общая коммутируемая телефонная сеть. Имеется несколько устройств, таких как тоновые генераторы звонка, импульсные генераторы и цифровые приемники, которые могут использоваться абонентами совместно. Абонент не знает сколько устройств объединены в пул, когда он поднимает трубку, совершая вызов. Все, что имеет значение для абонента — что тоновый набор работает, сигнал отзыва получен и тогда вызов совершен.

 

 

3.7 Пример "Заместителя"

"Заместитель" вводит  заменителя или обладающего полномочиями  для обеспечения доступа к  объекту. Чек или банковское поручение  является заменителем денежных  средств на счету. Чек может  использоваться вместо наличных  денег.

4. Поведенческие  шаблоны

"Бандой Четырех" были задокументированы одиннадцать поведенческих шаблонов. Примеры таких шаблонов можно найти в сортировке монет в банке, в ресторанных заказах, в музыке, на транспорте, в автомастерской, в торговых автоматах и в жилищном строительстве.

4.1 Пример "Цепочки  ответственности"

Шаблон "Цепочка обязанностей" избегает прямого запроса отправителя к получателю, давая возможность обработать запрос более чем одному объекту. Механическая сортировка монет в банке использует "Цепочку ответственности". В отличие от отдельной щели для монеты каждого достоинства с накопителем, используется единственная щель. Когда монета падает, она автоматически направляется механизмом в соответствующий накопитель внутри банка.

4.2 Пример "Команды"

Шаблон "Команда" позволяет запросам быть инкапсулированными в виде объекта, тем самым позволяя клиентам указывать параметры к различным запросами. Обеденный "счет" является шаблоном "Команды". Официант или официантка принимает заказ, или указания от потребителя, и инкапсулирует этот заказ, записывая его на чеке. Затем заказ на короткое время попадает в очередь на кухню. Заметьте, что "счета" заполняются для разных обедающих и не зависят от меню, а потому они могут обслуживаться командой для приготовления множества различных блюд.

4.3 Пример "Интерпретатора"

Шаблон "Интерпретатор" задает грамматическое представление для языка и интерпретатора для интерпретирования грамматики. Музыканты являются примерами "Интерпретатора". Высота звука и его продолжительность может быть представлена в музыкальной нотации на нотном стане. Эта нотация представляет собой музыкальный язык [14]. Музыканты, играя музыку с нот, способны воспроизвести оригинальную высоту и продолжительность каждого записанного в нотации звука.

4.4 Пример "Итератора"

"Итератор" предоставляет  последовательный доступ к элементам  составного объекта, не раскрывая  нижележащей структуры этого  объекта. У телевизоров первого  поколения, для переключения каналов  использовался циферблат. При переходе  к нужному каналу, телезрителю  требовалось двигать переключатель  через каждую позицию канала, независимо от того, есть ли  вещание по текущему каналу  или нет. В современных телевизорах  используются кнопки "Next" и "Prev". Когда телезритель нажимает кнопку "Next", будет показан следующий канал. Если вы смотрите телевизор в отеле незнакомого города и ищете интересную передачу или фильм, номер канала вас не интересует. Если содержание вас не устраивает — вы будете пользоваться кнопкой "Next", при этом номер канала не так важен.

4.5 Пример "Посредника"

"Посредник" задает  объект, который управляет взаимодействием  множества объектов. Взаимодействующие  объекты избавляются от прямых  связей друг с другом, эти функции  передаются отдельному объекту  — "Посреднику". Этот шаблон очень хорошо представляет диспетчерская вышка аэропорта. Пилоты самолетов, покидая или приближаясь к терминалу связываются с вышкой, а напрямую не друг с другом. Разрешения тем, кто может совершить посадку или взлет, выдаются из вышки. На вышке отслеживают и управляют поведением самолетов только в пределах терминала.

4.6 Пример "Хранителя"

"Хранитель" делает  снимок и облекает в конкретную  форму внутреннее состояние объекта, с тем чтобы восстановить это его состояние позднее. Такой шаблон широко распространен в "сделай сам" механике восстановления автомобильных барабанных тормозов. Барабаны снимаются с обеих сторон, открывая вид как левого, так и правого тормозов. Разбирается только одна сторона, а другая используется в качестве "Хранителя" того, как детали тормозов соединены вместе [8]. Только когда работа с одной стороны полностью завершена, разбирается вторая сторона. Когда разбирается вторая сторона, первая служит в качестве "Хранителя".

4.7 Пример "Наблюдателя"

"Наблюдатель" задает  отношение "один ко многим" так, чтобы когда один объект  меняет свое состояние, другие  получают уведомления и автоматически  обновляются. Некоторые аукционы  представляют собой такой шаблон. Каждый участник торгов имеет  карточку с номером, которая используется  для указания ставки. Аукционист  начинает торги, и "наблюдает" когда карточка будет поднята, подтверждая ставку. Подтверждение  ставки изменяет цену предложения, которая передается всем участникам  торгов в форме новой ставки.