الگوی طراحی نرم افزار
الگوی طراحی نرم افزار ستون فقرات توسعه نرم‌افزارهای قوی و مقیاس‌پذیر را شکل می‌دهند. چه مبتدی باشید یا یک توسعه‌دهنده با تجربه، درک الگوهای طراحی برای ساخت راه‌حل‌های نرم‌افزاری کارآمد، قابل نگهداری و مقیاس‌پذیر ضروری است. در این مقاله مفتاح رایانه‌افزار، اصول اولیه الگوهای طراحی، تکامل آنها، طبقه‌بندی‌ها و جنبه‌های عملی استفاده از آنها در توسعه نرم‌افزار را بررسی خواهیم کرد.
الگوهای طراحی، زبان طراحی و توسعه نرم‌افزارها
الگوهای طراحی، بیشتر از راه‌حل‌های نرم‌افزاری مورد توجه قرار دارند، زیرا زبان توسعه کارآمد برنامه‌های کاربردی هستند. به بیان دقیق‌تر، الگوهای طراحی نرم‌افزار (Design Patterns) راه‌حل‌های از پیش تعریف شده برای حل مشکلات رایج در دنیای طراحی نرم‌افزارها هستند. این الگوها در طول زمان و توسط برنامه‌نویسان با تجربه، برای حل مشکلات خاص در طراحی نرم‌افزارها شناسایی و مستند‌سازی شده‌اند. به عبارت ساده‌تر، الگوهای طراحی مانند دستورالعمل‌هایی هستند که به شما کمک می‌کنند تا بخش‌های مختلف نرم‌افزار خود را به بهترین شکل ممکن طراحی و پیاده‌سازی کنید.
چرا به الگوهای طراحی نیاز داریم؟
انواع الگوی طراحی نرم افزار شبیه به راهنماهایی هستند که به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا نرم‌افزار پیچیده‌ای را با روشی ساخت‌یافته و کارآمد بسازند. این الگوها، که حاصل تجربیات برنامه‌نویسان باتجربه در طول سال‌ها هستند، مجموعه الگوهای از پیش تعریف شده‌ای ارائه می‌دهند که نحوه کدنویسی مولفه‌ها، کلاس‌ها و سایر عناصر تشکیل‌دهنده یک نرم‌افزار را تعریف می‌کنند. با استفاده از الگوهای طراحی، توسعه‌دهندگان می‌توانند کدهای با خوانایی بالا، قابلیت نگهداری‌تر بهتر و انعطاف‌پذیرتر را تولید کنند. همچنین، این الگوها به کاهش پیچیدگی سیستم‌ها کمک کرده و امکان همکاری بهتر بین اعضای تیم را فراهم می‌آورند. به عبارت دیگر، الگوهای طراحی به عنوان یک زبان مشترک بین توسعه‌دهندگان عمل کرده و باعث می‌شوند کدهای نوشته شده توسط افراد مختلف، سازگاری بیشتری با هم داشته باشند. علاوه بر این، الگوهای طراحی به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند از اشتباهات رایج در طراحی نرم‌افزار پیشگیری کنند و مانع از بروز آسیب‌پذیری در برنامه‌های کاربردی شوند. با این توصیف باید بگوییم که الگوهای طراحی به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا زمان توسعه نرم‌افزار و هزینه‌های تولید را کمتر کنند. به طور خلاصه، ما به دلایل زیر به سراغ الگوهای طراحی در زمان توسعه نرم‌افزارها می‌رویم:
- افزایش کیفیت کد: کدهای نوشته شده با استفاده از الگوهای طراحی، خواناتر، قابل نگهداری‌تر و انعطاف‌پذیرتر هستند.
- کاهش پیچیدگی: الگوهای طراحی به ساده‌سازی سیستم‌های نرم‌افزاری کمک کرده و درک آنها را آسان‌تر می‌کنند.
- توسعه سریع‌تر: با استفاده از الگوهای طراحی، توسعه‌دهندگان می‌توانند از قالب‌های از پیش نوشته و تست شده استفاده کنند و در نتیجه سرعت توسعه نرم‌افزار را افزایش دهند.
- همکاری بهتر: الگوهای طراحی یک زبان مشترک بین توسعه‌دهندگان ایجاد می‌کنند و همکاری بین آنها را تسهیل می‌کنند.
- کاهش خطا: الگوهای طراحی به دلیل استفاده مکرر توسط برنامه‌نویسان، معمولا عاری از خطا هستند.
- افزایش قابلیت استفاده مجدد: با استفاده از الگوهای طراحی، می‌توان بخش‌های مختلف کد را در پروژه‌های مختلف استفاده مجدد کرد.
انواع الگوی طراحی نرم افزار
الگوهای طراحی را می توان به سه دسته اصلی زیر تقسیم کرد:
۱. الگوهای سازنده (Creational Patterns)
الگوهای سازنده، دسته‌ای از الگوهای طراحی هستند که به شما کمک می‌کنند تا اشیا را به روشی انعطاف‌پذیر و قابل کنترل ایجاد کنید. به بیان دقیق‌تر، اجازه می‌دهند تا فرایند ساخت اشیا را از منطق اصلی برنامه جدا کرده و در نتیجه، کدها را قابل نگهداری‌تر و انعطاف‌پذیرتر می‌کنند. الگوهای سازنده یا ایجادکننده، با پنهان کردن جزئیات پیچیده ساخت اشیا، اجازه می دهند بر روی منطق اصلی برنامه تمرکز کنید. این الگوها به شما کمک می‌کنند تا تصمیم بگیرید چه زمانی و چگونه یک شی ایجاد شود یا فرآیند ساخت آن‌را به تعویق انداخت. به عنوان مثال، می‌توانید تصمیم بگیرید که یک شی را به صورت lazy ایجاد کنید، یعنی فقط زمانی که به آن نیاز پیدا کردید، آن را ایجاد کنید. همچنین، می‌توانید تصمیم بگیرید چند نمونه از یک شی ایجاد کنید یا تنها یک نمونه از آن ایجاد شود (الگوی Singleton). الگوهای سازنده، انواع مختلفی دارند که هر کدام برای حل یک مشکل خاص طراحی شده‌اند. از جمله این الگوها می‌توان به Factory Method، Abstract Factory، Builder، Prototype و Singleton اشاره کرد.
۲. الگوهای ساختاری (Structural Patterns)
الگوهای ساختاری، مجموعه‌ای از راهکارهای طراحی هستند که اجازه می‌دهند اشیا و کلاس‌ها را با ساختارهای بزرگ‌تر و پیچیده‌تری ترکیب کنید. این الگوها به شما امکان می‌دهند تا روابط بین اشیا را به گونه‌ای مدیریت کنید که نرم‌افزار توسعه‌پذیرتر و انعطاف‌پذیرتر شود. با استفاده از الگوهای ساختاری، می‌توانید اشیا را به روش‌های مختلفی ترکیب کرده و ارتباط میان آنها را برقرار کنید. به بیان دقیق‌تر، الگوهای مذکور کمک می‌کنند تا رابط‌های کاربری پیچیده، سیستم‌های توزیع شده و سایر ساختارهای نرم‌افزاری پیچیده را طراحی کنید. از الگوهای شناخته‌شده در این زمینه باید به Adapter، Decorator و Facade اشاره کرد.
۳. الگوهای رفتاری (Behavioral Patterns)
الگوهای رفتاری، دسته سوم از الگوهای طراحی هستند که امکان تعریف الگوهای ارتباطی و تعامل بین اشیا را در یک سیستم نرم‌افزاری به وجود می‌آورند. این الگوها اجازه می‌دهند تا رفتار اشیا را با یکدیگر هماهنگ کرده و الگوریتم‌های پیچیده‌ای را به شکلی ساده‌تر پیاده‌سازی کنید. الگوهای رفتاری، بر خلاف الگوهای سازنده و ساختاری که به ساختار ایستای سیستم اشاره دارند، جنبه‌های پویای سیستم و نحوه تعامل اشیا با یکدیگر را مورد توجه قرار می‌دهند. این الگوها کمک می‌کنند تا الگوریتم‌های پیچیده را به بخش‌های کوچکتر و مدیریت‌‌پذیرتر تقسیم کرده و مسئولیت‌های مختلف را بین اشیا توزیع کنید. به طور کلی، الگوهای رفتاری در زمینه‌های زیر به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند:
- الگوریتم‌های پیچیده را ساده‌سازی کنید: با تقسیم الگوریتم‌ها به بخش‌های کوچکتر و قابل مدیریت‌تر.
- بارهای کاری را بین اشیا توزیع کنید: با تعریف نقش‌های مشخص برای هر شی.
- ارتباط بین اشیا را مدیریت کنید: با تعریف قوانین و مکانیزم‌های ارتباطی بین اشیا.
- انعطاف‌پذیری سیستم را افزایش دهید: با تفکیک الگوریتم‌ها از ساختار داده‌ها.
امروزه، الگوهای رفتاری مختلفی در اختیار ما قرار دارند. به‌طور مثال، Observer برای اطلاع‌رسانی خودکار اشیا وابسته به تغییرات یک شی، Strategy برای تعریف یک خانواده از الگوریتم‌ها و جایگزینی آنها در زمان اجرا، Command برای بسته‌بندی یک درخواست به عنوان یک شی، State برای تغییر رفتار یک شی بر اساس حالت داخلی آن، Iterator برای فراهم کردن یک روش استاندارد برای پیمایش عناصر یک مجموعه و Template Method برای تعریف اسکلت یک الگوریتم در یک کلاس پایه و اجازه دادن به زیرکلاس‌ها برای پیاده‌سازی برخی از مراحل آن از جمله این موارد هستند.
مزایای استفاده از انواع الگوی طراحی نرم افزار
همان‌گونه که اشاره کردیم، انواع الگوی طراحی نرم افزار راه‌حل‌های اثبات شده‌ای باهدف غلبه بر مشکلات رایج طراحی نرم‌افزار در اختیار ما قرار می‌دهند. توسعه‌دهندگان به دلیل یکسری مزایای کلیدی از الگوهای طراحی در فرآیند توسعه نرم‌افزارها استفاده می‌کنند. در یک نگاه کلی، الگوهای طراحی به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا کدهای با کیفیت‌تر و با کمترین نرخ خطا را طراحی کنند که امکان گسترش‌پذیری آنها به شکل ساده‌تری در مقایسه با مدل‌های سنتی فراهم می‌شود. به‌طور کلی، مزایای انواع الگوی طراحی نرم افزار را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:
- افزایش خوانایی و درک‌پذیری کدها: الگوهای طراحی، یک زبان مشترک بین توسعه‌دهندگان ایجاد می‌کنند و باعث می‌شوند کدها قابل فهم‌تر و آسان‌تر نگهداری شوند.
- کاهش پیچیدگی: می‌توان پیچیدگی سیستم‌های نرم‌افزاری را کاهش داده و درک آنها را آسان‌تر کرد.
- توسعه سریع‌تر: توسعه‌دهندگان می‌توانند از کدهای از پیش نوشته شده و تست شده استفاده کنند و در نتیجه سرعت توسعه نرم‌افزار را افزایش دهند.
- افزایش قابلیت استفاده مجدد: الگوهای طراحی به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهند تا کدها را در پروژه‌های مختلف استفاده کنند که به این تکنیک قابلیت استفاده مجدد می‌گویند.
- کاهش خطا: به دلیل استفاده مکرر و آزمایش توسط برنامه‌نویسان، معمولا باگ‌های خیلی کمی دارند.
- افزایش انعطاف‌پذیری: اجازه می‌دهند نرم‌افزارها را به شکلی پیاده‌سازی کنید که امکان اعمال تغییرات در آنها به شکل ساده‌تر فراهم شود.
- تسهیل همکاری: یک زبان مشترک بین توسعه‌دهندگان ایجاد می‌کنند و همکاری بین آنها را تسهیل می‌کنند.
الگوی Singleton
الگوی Singleton یکی از پرکاربردترین الگوهای طراحی در برنامه‌نویسی شی‌گرا است. این الگو تضمین می‌دهد از یک کلاس خاص، تنها یک نمونه (instance) ایجاد شود و در سراسر برنامه به آن نمونه واحد دسترسی خواهیم داشت. به‌عبارت دیگر، Singleton یک مکانیزم برای ایجاد یک شی سراسری است که در هر نقطه‌ای از برنامه در دسترس است. این الگو زمانی مفید است که نیاز به یک نقطه دسترسی مرکزی برای مدیریت اشیا داریم.
به‌طور مثال، یک پایگاه داده، یک فایل پیکربندی، یک شی گزارش‌گیری یا یک شی که وضعیت کلی برنامه را مدیریت می‌کند، می‌تواند به عنوان یک Singleton پیاده‌سازی شود. با استفاده از Singleton، می‌توانیم اطمینان حاصل کنیم تمام بخش‌های برنامه به یک نسخه از این شی دسترسی دارند و به این شکل، مشکل ناسازگاری‌ها را برطرف می‌کند. به‌طور کلی، هنگامی که صحبت از الگوی Singleton به میان می‌آید، یکسری دلایل وجود دارند که ما را مجاب می‌کنند از الگوی فوق استفاده کنیم. اولین مورد کنترل دسترسی به منابع مشترک است. با ایجاد یک نقطه دسترسی واحد، می‌توانیم کنترل دقیق‌تری بر روی استفاده از منابع اشتراکی داشته باشیم.
مورد بعد بهینه‌سازی عملکرد است. در مواردی که ایجاد یک شی هزینه بالایی دارد، می‌توان با استفاده از Singleton از ایجاد مکرر آن جلوگیری کرد. همچنین، فرآیند پیاده‌سازی الگوی فوق نسبتا ساده است و در اکثر زبان‌های برنامه‌نویسی قابل استفاده است. با این‌حال، شبیه به دیگر الگوهای طراحی معایب خاص خود را دارد. اولین مورد نقض اصل مسئولیت واحد است. Singleton می‌تواند اصل مسئولیت واحد را نقض کند، زیرا یک شی Singleton ممکن است مسئولیت‌های متعددی را بر عهده بگیرد. تست واحد کلاس‌های Singleton می‌تواند دشوار باشد، زیرا وابستگی شدیدی به حالت سراسری برنامه دارند. همچنین، استفاده بیش از حد از Singleton می‌تواند باعث کاهش انعطاف‌پذیری برنامه شود، زیرا تغییر رفتار یک شی Singleton ممکن است بر بخش‌های زیادی از برنامه تاثیر بگذارد. اکنون به این پرسش می‌رسیم که الگوی Singleton را به چه صورتی پیاده‌سازی کنیم؟ پیاده‌سازی الگوی Singleton در زبان‌های برنامه‌نویسی به روش‌های مختلفی انجام می‌شود، اما روند کلی انجام کار به شرح زیر است:
- سازنده خصوصی: ابتدا یک سازنده کلاس را خصوصی می‌کنیم تا از ایجاد نمونه‌های جدید از خارج از کلاس جلوگیری کنیم.
- متد ایستا برای دسترسی به نمونه: یک متد ایستا تعریف می‌کنیم که به عنوان نقطه ورودی برای دسترسی به نمونه Singleton عمل می‌کند.
- بررسی وجود نمونه: داخل متد ایستا، بررسی می‌کنیم که آیا نمونه‌ای از کلاس ایجاد شده است یا خیر. اگر نمونه وجود نداشته باشد، آن را ایجاد می‌کنیم و در غیر این صورت، نمونه موجود را برمی‌گردانیم.
اکنون بر مبنای توضیحاتی که ارائه کردیم، پیاده‌سازی الگوی فوق را در زبان جاوا به شرح زیر انجام می‌دهیم:
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return
instance;
}
}
همان‌گونه که مشاهده می‌کنید، پیاده‌سازی الگوی فوق پیچیدگی خاصی ندارد، اما پرسش اصلی این است که در چه مواردی باید از Singleton استفاده کنیم؟ اولین مورد مدیریت تنظیمات برنامه است. یک شی Singleton می‌تواند برای نگهداری تنظیمات برنامه استفاده شود. مورد بعد در ارتباط با مدیریت پایگاه داده است. یک شی Singleton می‌تواند برای مدیریت اتصال به پایگاه داده استفاده شود. همچنین، امکان استفاده از آن در ارتباط با مدیریت گزارش‌ها نیز وجود دارد. همچنین، امکان استفاده از آن در ارتباط با مدیریت عملیات گزارش‌گیری وجود دارد. در نهایت، زمانی که نیازمند اشیایی هستیم که باید در برنامه مورد استفاده قرار گیرند، می‌توان اشیا را به صورت Singleton پیاده‌سازی کرد. در شرایطی که الگوی Singleton یک ابزار قدرتمند است، اما باید با احتیاط استفاده شود. استفاده بیش از حد، می‌تواند به پیچیدگی و کاهش قابلیت نگهداری برنامه منجر شود. با این‌حال، الگوی Singleton تضمین می‌کند از یک کلاس فقط یک نمونه ایجاد می‌شود.
نویسنده: حمیدرضا تائبی
