Software-Entwurfsmuster

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1 Software-Entwurfsmuster Prinzip von Entwurfsmustern und einige elementare Beispiele Malte Spiess Seminar Bildanalyse und Simulation mit Java im WS 2003/2004 Universität Ulm Malte Spiess, November

2 Entwurfsmuster - was ist das? Jedes Muster beschreibt ein in unserer Umwelt beständig wiederkehrendes Problem und erläutert den Kern der Lösung für dieses Problem, so dass Sie diese Lösung beliebig oft anwenden können, ohne sie jemals ein zweites Mal gleich auszuführen. Christoper Alexander Malte Spiess, November

3 Vorteile/Motivation der Entwurfsmuster Entwurfsmuster leisten: höhere Flexibilität bessere Wiederverwendbarkeit leichter zu erweitern Vereinheitlichung der Begriffe, einfacherer Sprachgebrauch bessere Entwicklung, Wartung und Dokumentation Malte Spiess, November

4 Vorteile/Motivation der Entwurfsmuster Entwurfsmuster leisten: höhere Flexibilität bessere Wiederverwendbarkeit leichter zu erweitern Vereinheitlichung der Begriffe, einfacherer Sprachgebrauch bessere Entwicklung, Wartung und Dokumentation = ähnliche Motivationen wie für objektorientiertes Programmieren allgemein Malte Spiess, November

5 Motivation Beispiel: FFT Problematik FFT (Fast Fourier Transformation) wird oft benötigt Implementierung wird oft benutzt mögliche Probleme: bisherige Implementierung zu langsam bisherige Implementierung zu ungenau es gibt neue und bessere Algorithmen man möchte mehrere Versionen gleichzeitig nutzen (z. B. je nach Größe) Malte Spiess, November

6 Motivation Beispiel: FFT Problematik FFT (Fast Fourier Transformation) wird oft benötigt Implementierung wird oft benutzt mögliche Probleme: bisherige Implementierung zu langsam bisherige Implementierung zu ungenau es gibt neue und bessere Algorithmen man möchte mehrere Versionen gleichzeitig nutzen (z. B. je nach Größe) ABER: bisherige Implementierung ist direkt in das System eingebunden und nur schwer zu ersetzen Malte Spiess, November

7 Motivation Beispiel: FFT Lösungskonzept Lösung: Entwurfsmuster, in diesem Fall: am besten Fabrikmethode Dann: Interface definiert nur die Schnittstellen für das Objekt. Implementierung ist nicht festgelegt, Benutzung bleibt davon unabhängig und ist immer gleich. Malte Spiess, November

8 Motivation Beispiel: FFT Geostoch-Implementierung - Schaubild So wird diese Idee zum Beispiel in der Geostoch-Bibliothek umgesetzt: FFTFactory getinstance():fft <<interface>> FFT transform(double[] cre, double[] cim) transforminv(double[] cre, double[] cim) FFTPow2 FFTArbitrary Malte Spiess, November

9 Motivation Beispiel: FFT Geostoch-Implementierung - Quellcode Hier der dazugehörige Quellcode: public class FFTFactory { public static FFT getinstance(int m) { // compute n = 2ˆk minimal with n >= m... if (m == 1) return new FFT() { public void transform(double[] cre, double[] cim) { // nothing to do! } public void transforminv(double[] cre, double[] cim) { // nothing to do! } }; else if (n == m) // size is power of 2 return FFTPow2.getInstance(m); else // arbitrary size > 1 return FFTArbitrary.getInstance(m); } /** There should be no instance of this factory class. */ private FFTFactory() {} } Malte Spiess, November

10 Entwurfsmuster Problemstellung und Lösungsansatz Erfahrene Programmierer haben gute Kenntnisse darüber, wie man Klassen sinnvoll anordnet u. s. w. Frage: Wie vermittelt man Neueinsteigern das Wissen? Malte Spiess, November

11 Entwurfsmuster Problemstellung und Lösungsansatz Erfahrene Programmierer haben gute Kenntnisse darüber, wie man Klassen sinnvoll anordnet u. s. w. Frage: Wie vermittelt man Neueinsteigern das Wissen? Idee: Muster beschreiben gängige Vorgehensweisen von erfahrenen Software-Designern Die Kenntnis dieser Muster ermöglicht schnelles Erlernen komplexer Denkstrukturen. Also keine neuen Erkenntnisse im Sinne der bisherigen Methoden, sondern eine neue Herangehensweise an bekannte Probleme. Malte Spiess, November

12 Entwurfsmuster: Detaillierte Beschreibung Aufbau einer Musters ein Muster besteht aus: 1. Mustername 2. Problemabschnitt (Problembeschreibung) 3. Lösungsabschnitt 4. Konsequenzenabschnitt Malte Spiess, November

13 abstrakte Fabrik / Fabrikmethode Beispiel: Funktionen Anwendungsbeispiel: Funktionen (z. B. Variogramme) <<interface>> abstrakte Funktion auswerten(element der Urbildmenge) Klient Funktion1 auswerten(element der Urbildmenge) Funktion2 <<interface>> FunktionenFabrik erzeugefunktion() FunktionenFabrik1 FunktionenFabrik2 erzeugefunktion() Malte Spiess, November

14 abstrakte Fabrik / Fabrikmethode Eigenschaften allgemein: Schnittstelle zum Erzeugen von Familien ähnlicher Objekte, ohne sie konkret zu benennen Vorteile: Erzeugung von Objekten ohne direkten Zugriff (d.h. Kenntnis) der Klassen einfacher Austausch (nur eine Verwaltungsklasse) einfacher Überblick und Kontrolle über erzeugte Objekte Malte Spiess, November

15 Singleton Beispiel: FFT in der Geostoch, Eigenschaften FFTFactory getinstance():fft <<interface>> FFT transform(double[] cre, double[] cim) transforminv(double[] cre, double[] cim) FFTPow2 FFTArbitrary Malte Spiess, November

16 Singleton Beispiel: FFT in der Geostoch, Eigenschaften FFTFactory getinstance():fft <<interface>> FFT transform(double[] cre, double[] cim) transforminv(double[] cre, double[] cim) FFTPow2 FFTArbitrary Vorteile: Spezialisierung / Veränderung leicht Malte Spiess, November

17 Dekorierer Beispiel: Punktprozesse / Hardcore-Modell ein schönes Beispiel zum Dekorierer liefert das Hardcore-Modell: <<interface>> Punktprozess Poisson Prozess HardCore Modell... Malte Spiess, November

18 Dekorierer Eigenschaften Vorteile: hohe Flexibilität Funktionalität nur bei Bedarf gute kombinatorische Möglichkeiten Malte Spiess, November

19 Fassade allgemeines Diagramm Subsystemklassen Fassade Malte Spiess, November

20 Fassade Beispiel: FFT in der Geostoch FFTFactory getinstance():fft <<interface>> FFT transform(double[] cre, double[] cim) transforminv(double[] cre, double[] cim) FFTPow2 FFTArbitrary Malte Spiess, November

21 Fassade Eigenschaften Vorteile: Subsysteme leichter zu benutzen Subsysteme leichter auszutauschen einfacheres Anordnen der Subsysteme (welches kommuniziert mit welchem) weitere Vorteile bei abstrakter Fassade (alternative Subsysteme) Malte Spiess, November

22 Kompositum Beispiel: komplexes Bild in der Geostoch Prinzip: komplexe Klasse, die für primitive Objekte und Container steht <<interface>> RandomSetElement RandomSet Disc... Malte Spiess, November

23 Kompositum Eigenschaften Vorteile: einfache Struktur leicht erweiterbar Nachteile: Klassen evtl. zu allgemein (wenige Beschränkungen für Objekte möglich) Malte Spiess, November

24 Iterator Beispiel: komplexes Bild in der Geostoch <<interface>> RandomSetElement RandomSet Disc... iterator():iterator <<interface>> Iterator start() weiter() istfertig() aktuelleselement()... Malte Spiess, November

25 Iterator Eigenschaften Vorteile: stellt Schnittstelle zu Containern bereit, ohne dass man ihre genaue Implementierung kennen muss unabhängig von Containerart Malte Spiess, November

26 Zusammenfassung Vorteile von Entwurfsmustern Entwurfsmuster haben sich in den letzten Jahren sehr schnell verbreitet. Was ist der Grund für ihre Beliebtheit? Standardisierung von Namen für gängige Software-Designs und damit auch der Dokumentation Erleichterung für Neueinsteiger Vorteile bei Reorganisation von Software leichte Wiederverwendung von Ideen zum Software-Design Malte Spiess, November

27 Zusammenfassung Schlusswort Entwurfsmuster sind Beschreibungen zusammenarbeitender Objekte und Klassen, die maßgeschneidert sind, um ein allgemeines Entwurfsproblem in einem bestimmten Kontext zu lösen. Erich Gamma Malte Spiess, November

28 Literatur basierend auf Literatur [1] Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides Entwurfsmuster Malte Spiess, November

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