Паттерны проектирования

Паттерны проектирования #

1. GOF паттерны #

GOF паттерны - это классические паттерны проектирования, описанные в книге “Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software”, написанной четырьмя авторами (так называемой “Бандой четырёх”). Эти паттерны решают распространённые проблемы проектирования в объектно-ориентированном программировании (ООП) и помогают создавать гибкую и поддерживаемую архитектуру

2. Что такое паттерн? #

Паттерн - готовый шаблон/подход к решению какой-то популярной проблемы

3. Плюсы и минусы использования паттернов #

Плюсы:

не нужно изобретать велосипед
ускорение разработки Минусы:
бездумное внедрение паттернов может ухудшить читаемость кода и/или ненужному усложнению

4. Какие существуют группы паттернов? #

По GoF:

Порождающие
Структурные
Поведенческие

Отдельно выделяют так же архитектурные паттерны.

5. Какие паттерны в какую группу входят? #

Порождающие:

Singletone (синглтон, одиночка)
Prototype (прототип)
Builder (строитель)
Factory | factory method (фабрика)
Abstract factory (абстрактная фабрика)

Структурные:

Adapter (адаптер)
Decorator (декоратор)
Proxy (заместитель)
Facade (фасад)

Поведенческие:

Chain of Responsibility (цепочка обязанностей)
Strategy (стратегия)
Iterator (итератор)
Command (команда)

*Архитектурные:

MVC (model-view-controller) или MVSC (model-view-service-controller)
Front controller

6. Adapter vs Decorator #

Критерий	Adapter	Decorator
Цель	Преобразовать интерфейс одного класса в интерфейс, который ожидает клиент	Добавить новую функциональность объекту без изменения его структуры
Взаимодействие	Адаптирует существующий класс к новому интерфейсу	Оборачивает объект, добавляя или изменяя его поведение
Структура	Реализует интерфейс, который ожидает клиент, и делегирует вызовы адаптируемому классу	Оборачивает объект одного и того же интерфейса, добавляя новую логику
Пример использования	Используется, когда у нас есть несовместимые интерфейсы, которые нужно связать	Используется, когда нужно динамически добавлять новые возможности объектам
Пример в реальной жизни	Электрический адаптер-переходник с евророзетки на китайскую	Подарочная упаковка на коробке, которая не меняет содержимое, но добавляет украшение

Паттерн Decorator Декоратор - это структурный паттерн проектирования, который позволяет добавлять объектам новые обязанности на лету, помещая их в специальные обёртки

Ключевые особенности:

динамическое добавление функциональности - не изменяя код исходного объекта
композиция вместо наследования - декоратор оборачивает объект, вместо того чтобы расширять его через наследование
прозрачность для клиента - декоратор использует тот же интерфейс, что и объект, который он оборачивает

7. Паттерн MVC #

MVC (Model-View-Controller) - это архитектурный паттерн, который разделяет приложение на три компонента:

Model - отвечает за данные и логику приложения
View - отображает данные пользователю (UI)
Controller - управляет взаимодействием пользователя с моделью и обновляет представление

Примечание: иногда добавляют букву S (Service) - отвечает за бизнес-логику, получается MVSC

8. Паттерн Command #

Command (команда) - это поведенческий паттерн проектирования, который превращает запросы в объекты, позволяя передавать их как аргументы при вызове методов, ставить запросы в очередь, логировать их, а также поддерживать отмену операций

9. Паттерн Chain of responsibility #

Цепочка обязанностей (Chain of Responsibility) - это поведенческий паттерн проектирования, который позволяет передавать запросы последовательно по цепочке обработчиков. Каждый последующий обработчик решает, может ли он обработать запрос сам и стоит ли передавать запрос дальше по цепочке

10. Как реализуется паттер Abstract Factory? #

Abstract Factory - это порождающий паттерн проектирования, который предоставляет интерфейс для создания семейств взаимосвязанных объектов без указания их конкретных классов. Он позволяет легко добавлять новые семейства объектов, сохраняя код гибким и расширяемым

Сценарий: Предположим, мы создаем интерфейсы для двух семейств GUI-компонентов: Windows и MacOS. Каждое семейство включает кнопку (Button) и чекбокс (Checkbox)

Интерфейсы для компонентов

public interface Button {
    void render();
}

public interface Checkbox {
    void render();
}

Реализации компонентов для Windows

public class WindowsButton implements Button {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Rendering Windows Button");
    }
}

public class WindowsCheckbox implements Checkbox {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Rendering Windows Checkbox");
    }
}

Реализации компонентов для MacOS

public class MacOSButton implements Button {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Rendering MacOS Button");
    }
}

public class MacOSCheckbox implements Checkbox {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Rendering MacOS Checkbox");
    }
}

Интерфейс Abstract Factory

public interface GUIFactory {
    Button createButton();
    Checkbox createCheckbox();
}

Реализации фабрик для Windows и MacOS

public class WindowsFactory implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        return new WindowsButton();
    }

    @Override
    public Checkbox createCheckbox() {
        return new WindowsCheckbox();
    }
}

public class MacOSFactory implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        return new MacOSButton();
    }

    @Override
    public Checkbox createCheckbox() {
        return new MacOSCheckbox();
    }
}

Клиентский код Клиент работает с фабрикой через интерфейс, что позволяет легко переключаться между семействами

public class Application {
    private Button button;
    private Checkbox checkbox;

    public Application(GUIFactory factory) {
        button = factory.createButton();
        checkbox = factory.createCheckbox();
    }

    public void render() {
        button.render();
        checkbox.render();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        GUIFactory factory;
        String os = "Windows"; // Можно заменить на "MacOS" для другого семейства

        if (os.equals("Windows")) {
            factory = new WindowsFactory();
        } else {
            factory = new MacOSFactory();
        }

        Application app = new Application(factory);
        app.render();
    }
}

11. Какие паттерны проектирования используются в Spring #

Статья на хабре с примерами применения паттернов в Spring

Паттерн	Описание	Применение в Spring
Factory	Создает объекты через фабричный метод	`BeanFactory` и `ApplicationContext` для создания и управления бинами
Singleton	Гарантирует, что существует только один экземпляр класса	Бины Spring по умолчанию создаются как `Singleton`
Prototype	Создает новый экземпляр объекта при каждом запросе	Используется для бинов с областью видимости `Prototype`
Proxy	Управляет доступом к объекту через подставной объект	Реализуется в AOP для аспектов, транзакций, кэширования и других прокси-настроек
Dependency Injection	Внедрение зависимостей для уменьшения связности классов	Основной принцип Spring Framework для управления зависимостями
Template Method	Определяет основу алгоритма и позволяет подклассам переопределять определенные шаги	`JdbcTemplate`, `RestTemplate` и другие “шаблоны”
Observer	Оповещает подписчиков о событиях	Spring Event Handling для работы с событиями (например, ApplicationEvent)
Adapter	Преобразует интерфейс класса в другой, ожидаемый клиентом	`HandlerAdapter` в Spring MVC
Decorator	Добавляет дополнительное поведение объекту динамически	В Spring AOP для добавления аспектов к методам или классам
Strategy	Определяет набор алгоритмов, которые можно заменять друг другом в зависимости от ситуации	Интерфейсы, такие как `PlatformTransactionManager`, с разными реализациями
Builder	Упрощает создание сложных объектов, разделяя их построение на шаги	`UriComponentsBuilder` для построения URI в Spring Web

Подробности реализации некоторых паттернов в Spring

Factory: BeanFactory - реализация фабричного паттерна для управления созданием и инициализацией бинов MyBean myBean = context.getBean(MyBean.class);
Proxy используется для аспектов (AOP), например, для логирования, транзакций или кэширования

Observer - события, такие как ContextRefreshedEvent, используются для уведомления бинов о состоянии контекста

@Component
public class MyEventListener implements ApplicationListener<ContextRefreshedEvent> {
    @Override
    public void onApplicationEvent(ContextRefreshedEvent event) {
        System.out.println("Context Refreshed!");
    }
}

Strategy - разные реализации интерфейсов используются в зависимости от ситуации. Например, PlatformTransactionManager имеет реализации для JPA, JDBC и Hibernate
```
@Bean
public PlatformTransactionManager transactionManager(EntityManagerFactory emf) {
    return new JpaTransactionManager(emf);
}
```

12. Плюсы и минусы паттерна Singleton? #

Singleton - это паттерн, который гарантирует, что у класса есть только один экземпляр и предоставляет к нему глобальную точку доступа.

Реализация Singleton Простой ленивый Singleton (не потокобезопасен!)

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

Потокобезопасный Singleton (Double-Checked Locking)

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

Использует volatile и synchronized, чтобы избежать проблем в многопоточности.

Singleton через enum ( преимущество - защищен от сериализации и рефлексии)

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void doSomething() {
        System.out.println("Singleton через enum");
    }
}

Плюсы и минусы Singleton

Плюсы:

глобальный доступ - один объект доступен во всей программе.
экономия ресурсов - объект создается только один раз
ленивая инициализация (если используется getInstance())
подходит для логирования, кеша, конфигураций, пулов соединений
рри enum защита от рефлексии и сериализации

Минусы:

нарушает принцип SOLID (Single Responsibility Principle) – класс отвечает и за бизнес-логику, и за контроль экземпляра
сложность в тестировании - из-за глобального состояния сложно мокировать (mock) объект
может вызывать утечки памяти - если объект долго живет и содержит ресурсы
проблемы с многопоточностью - если реализация не потокобезопасна
может скрывать зависимости - если используется в getInstance() внутри классов

Когда использовать Singleton? Если нужен единый объект для всего приложения, а DI фреймворки не используются:

логирование (Logger)
кеширование (CacheManager)
пулы соединений (ConnectionPool)
конфигурации (AppConfig)

Когда НЕ стоит использовать:

если объект содержит разное состояние для разных частей программы
когда проще передавать зависимость через DI (Dependency Injection)

13. Паттерн Builder #

Builder (строитель) - это порождающий паттерн проектирования, который позволяет пошагово и удобно создавать сложные объекты, скрывая детали их построения.

Когда нужен?

у объекта много параметров, часть которых необязательная
важна читаемость и гибкость конфигурации объекта

Преимущества

Уменьшает количество конструкторов
Код становится читаемым
Позволяет создавать immutable объекты
Позволяет валидировать данные при сборке

Пример кода

public class User {
    private final String name; // допустим, это обязательное поле
    private int age;
    private String email;

    private User(Builder builder) {
        this.name = builder.name;
        this.age = builder.age;
        this.email = builder.email;
    }

    public static class Builder {
	    // хорошая практика - в билдере делать его неизменяемым
        private final String name; 
        private int age;
        private String email;
		
		// и добавлять в конструктор
		public Builder (String name) {
			this.name = name;
		}

        public Builder age(int age) {
            this.age = age;
            return this;
        }

        public Builder email(String email) {
            this.email = email;
            return this;
        }

        public User build() {
            return new User(this);
        }
    }
}

Использование:

User user = new User.Builder("Alex")
        .age(30)
        .email("test@gmail.com")
        .build();