Proč je důležité rozumět návrhovým vzorům v softwarovém inženýrství

Pokud se hlouběji ponoříš do oboru softwarového inženýrství, určitě se setkáš s návrhovými vzory (design patterns). Jednoduše se dá říct, že jde o soubor opakovatelných řešení, které můžeš využít u běžně se vyskytujících problémů spojených s vývojem softwaru nebo aplikace.

Návrhový vzor však neslouží jako hotový výsledek, který se dá implementovat do kódu. Spíše by se dal připodobnit k popisu nebo šabloně sloužící k řešení různých situací.

Na následujících řádcích si o design patterns povíme víc a dozvíš se, jak mohou usnadnit práci softwarovým inženýrům.

Proč jsou návrhové vzory důležité?

Řadu let se obor softwarového inženýrství potýkal se zásadním problémem v rámci projektu. Pokud se do týmu připojil nový programátor, tak i bez ohledu na to, jak dobře znal daný programovací jazyk, bylo zapotřebí, aby se seznámil s veškerými aspekty projektu. Mnohdy to trvalo i několik měsíců, než začal být nový člověk na své pozici produktivní.

Z těchto důvodů se odborníci na vývoj softwaru snažili přijít na to, jak tento proces zjednodušit. Jednou z cest byla standardizace programovacích jazyků. Dalším způsobem byly standardní knihovny (dnes knihovny tříd), ale jedním z nejdůležitějších řešení jsou návrhové vzory. Ty jsou dnes bez pochyby nezbytnou součástí softwarového inženýrství.

Jak návrhové vzory pomáhají softwarovým inženýrům?

Využití návrhových vzorů ti musí být zřejmé z jejich názvu, ale přesto si je blíže představíme. Především slouží k urychlení procesu vývoje a fungují jako osvědčená vývojářská paradigmata, díky čemuž výrazně šetří čas. Není totiž potřeba vymýšlet nové řešení pokaždé, když se vyskytne problém.

Tím, že softwaroví inženýři pracují s návrhovými vzory, dokážou známým problémům předejít dříve, než se kód dostane do procesu implementace. Nejenže se tak urychluje postup vývoje, ale také návrhový vzor usnadňuje čitelnost kódu. Vývojáři mohou pracovat s jednotlivými řešeními, které už dobře znají jak v procesu analýzy individuálních řešení, tak vývoje jednotlivých modelů.

Poznej blíže 23 návrhových vzorů

K dnešnímu dni se používá přibližně 26 návrhových vzorů. Prvních 23 z nich spatřilo světlo světa v roce 1994, kdy vyšla kniha Design Patterns, na které se podíleli Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson a John Vlissides. Tato publikace hrála významnou roli v popularizaci návrhových vzorů v rámci vývoje softwaru.

Design patterns se člení do tří kategorií, a to podle jejich záměru. Blíže si je představíme v následujících odstavcích.

1. Návrhové vzory vytváření

Tato kategorie návrhových vzorů se zabývá vytvářením a inicializací objektů. Především poskytuje návod k tomu, které objekty se mají v dané situaci vytvořit. Používají se zejména ke zvýšení flexibility a k opakovanému použití stávajícího kódu. Patří mezi ně:

• Tovární metoda: vytváří objekty se společným rozhraním a umožňuje třídě jejich znázornění do podtřídy.
• Abstraktní továrna: vytváří rodinu příbuzných objektů.
• Stavitel: vzor pro vytváření složitých objektů krok za krokem, který odděluje konstrukci a reprezentaci.
• Prototyp: podporuje kopírování existujících objektů, aniž by se kód stal závislým na třídách.
• Jedináček: omezuje vytváření objektů třídy pouze na jednu instanci.

2. Strukturální návrhové vzory

Strukturální návrhové vzory vysvětlují, jak sestavovat objekty a třídy do větších struktur a zároveň zachovat jejich flexibilitu a efektivitu. Poskytují způsob, jak definovat vztahy mezi komponentami aplikace, a jsou užitečné zejména ve větších a složitějších systémech.

• Adaptér: vzor, jak změnit nebo přizpůsobit rozhraní jiné existující třídě, aby nekompatibilní rozhraní mohla fungovat společně.
• Most: metoda, jak oddělit rozhraní od jednotlivé implementace.
• Kompozit: využívá stromovou strukturu pro podporu manipulace s jedním objektem.
• Dekorátor: dynamicky rozšiřuje (přidává nebo přepisuje) funkce.
• Fasáda: definuje vysokoúrovňové rozhraní pro zjednodušení používání rozsáhlého souboru kódu.
• Muší váha: minimalizuje využití paměti sdílením dat s podobnými objekty.
• Zástupce: způsob reprezentace objektu jiným objektem, který umožňuje řízení přístupu, snižuje náklady a složitost.

3. Návrhové vzory chování

Návrhové vzory chování se starají o efektivní komunikaci mezi jednotlivými složkami. Zabývají se interakcí mezi objekty a přidělováním odpovědností mezi ně. Cílem je, aby tyto procesy byly co nejjednodušší a nejsrozumitelnější.

• Řetězec odpovědnosti: způsob delegování příkazů na řetězec zpracovávaných objektů.
• Příkaz: zprostředkovává požadavek na příkaz do objektu.
• Interpret: podporuje použití jazykových prvků v rámci aplikace.
• Iterátor: podporuje iterativní (sekvenční) přístup k prvkům kolekce.
• Prostředník: umožňuje jednoduchou komunikaci mezi třídami.
• Pamětník: slouží k ukládání a obnově vnitřního/původního stavu objektu.
• Pozorovatel: definuje způsob oznamování objektů o změnách jiných objektů.
• Stav: jak se změní chování objektu, když se změní jeho fáze.
• Strategie: zahrne algoritmus do třídy.
• Návštěvník: definuje novou operaci na třídě, aniž by došlo k její změně.
• Šablonová metoda: definuje kostru operace a zároveň umožňuje podtřídám upřesnit některé kroky.

Proč potřebujeme návrhové vzory?

Jako vývojář softwaru hodnotíš kód podle mnoha kritérií, včetně toho, jak je čistý, výstižný, náročný na paměť nebo rychlý. Zásadním problémem, který se obvykle přehlíží, je především nenáročnost pozdější úpravy.

Proto je nezbytné, abys se svým kódem byl*a spokojená*ý. Měl by být dostatečně flexibilní na to, abys v něm mohl*a provádět drobné úpravy, které nezaberou spoustu času. Návrhové vzory pro vývoj softwaru jsou osvědčenými metodami pro řešení takovýchto situací. Níže si proto povíme, proč jsou design patterns důležité.

Jde o osvědčené řešení
Mnoho programátorů ve svých projektech využívá návrhové vzory, a tak si můžeš být jistý*á, že budou fungovat. A nejen to! Máš jistotu, že byly aktualizovány a s největší pravděpodobností došlo k jejich vylepšení.

Jsou znovupoužitelné
Návrhové vzory definují opakovaně použitelné řešení, které lze přizpůsobit různým výzvám. Protože nejsou spojeny s jediným problémem, zvaž návrhový vzor iterátor, který se dá využít ve více kontejnerech a algoritmech STL. Iterátory fungují jako spojnice mezi kontejnerem a algoritmem.

Jsou expresivní
Rozsáhlé řešení lze elegantně vysvětlit pomocí návrhových vzorů. Například vzor návštěvník je technika pro provádění nových operací v množině tříd. Výsledkem je, že standardní knihovna pojala tento návrhový vzor s jedinou funkcí.

Usnadňují komunikaci
Vývojáři obeznámení s návrhovými vzory mohou snáze spolupracovat na potenciálním řešení navrhovaného problému. Pokud pracuješ s ostatními vývojáři v týmu, dohodni se s nimi na design patterns, které budete používat, abyste společně vyřešili problém. Při držení se těchto postupů budete rychleji a efektivněji provádět operace spojené s údržbou softwaru.

Zamezují nutnost úprav kódu
Předpokládejme, že je aplikace vytvořena s ohledem na návrhové vzory. V takovém případě nebude nutné kód později upravovat, protože jsi pro daný problém využil*a správné řešení. Mnohem snáze tak můžeš pracovat s jednotlivými částmi kódu, aniž bys se musel*a obávat případných problémů.

Jaké jsou výhody návrhových vzorů?

Jak jsme uvedli výše, návrhové vzory ve vašem projektu budou těžit ze společného jazyka, což vývojářům usnadní komunikaci o případných problémech. Na samém začátku vývoje také dokáží zlepšit čitelnost a strukturu kódu. Při správném použití mohou návrhové vzory jednak urychlit proces vývoje a obecně snížit pravděpodobnost výskytu chyb.

Design patterns jsou také jazykově agnostické (u objektově orientovaných jazyků), ačkoliv některé vzory spíše využijete v konkrétních programovacích jazycích. 

Pojďme si tedy krátce shrnout některé benefity návrhových vzorů.

• Výrazně se podílí na zlepšení výkonu systému.
• Vyřeší celou řadu menších, ale přesto zásadních problémů.
• Podílejí se na nejlepším možném návrhu systému.
• Zlepšují kód a jeho psaní směřují do více objektově orientovaného stylu.
• Vývojový proces se zrychluje díky dobře navrženým a ověřeným principům.
• Slouží pro jasné oddělení modulů a pomáhají provázanosti navrženého systému.
• Umožňují opakované použití prvků napříč jednotlivými aplikacemi.

Začni s návrhovými vzory i ve svých projektech

Návrhové vzory jsou předem připravené a osvědčené řešení pro konkrétní problémy. Vycházejí z praxe, a tak dokážou vyřešit známé neduhy již na začátku vývojové cesty softwaru. Zároveň ti pomáhají vytvářet jasnou a dobře strukturovanou architekturu v rámci kódu. Pokud budeš dobře využívat návrhové vzory, určitě ti ušetří čas při práci.

Proto je dobré vzdělávat se v oblastech, které ti zaručeně usnadní vývoj po stránce kódu. Pro začínající vývojáře, studenty a softwarové architekty jsme připravili skvělý kurz Clean Code & Design patterns, který odstartoval 14. 8. 2023, a rozhodně se ti vyplatí ho absolvovat.

Autor: Martin Šlat