Lukas Klich. Projektgruppe SHUTTLE. Seminar: Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 1. Entwurfsmuster

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1 Entwurfsmuster Lukas Klich Projektgruppe SHUTTLE Seminar: Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 1

2 Motivation Die Menschheit löst Probleme, indem sie beobachtet, Beobachtungen verallgemeinert und die gemachten Erfahrungen zu immer wieder verwendbaren Mustern abstrahiert. Dr. Holger Giese, Design Pattern and Software Architecture, WS01/02 Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 2

3 Muster Der Begriff des Musters wurde von Christopher Alexander, einem Architekt, in seinem Buch A Pattern Language wie folgt geprägt: Ein Muster beschreibt ein in unserer Umwelt beständig wiederkehrendes Problem und erläutert den Kern der Lösung für dieses Problem, so dass man diese Lösung beliebig oft anwenden kann, ohne sie zweimal gleich auszuführen. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 3

4 Was sind Entwurfsmuster? Entwurfsmuster sind Beschreibungen zusammenarbeitender Objekte und Klassen, die maßgeschneidert sind, um ein allgemeines Entwurfsproblem in einem bestimmten Kontext zu lösen. Entwurfsmuster kommen aus der Praxis. Werden gefunden und nicht entwickelt. Es sind auf Erfahrungen beruhende abstrakte Lösungsbeschreibungen für allgemeine Probleme in der objektorientierten Softwareentwicklung. Entwurfsmuster sind dokumentiertes Expertenwissen. Entwurfsmuster wurden durch das Buch Entwurfsmuster von Gamma, Helm, Johnson und Vlissides (GoF) bekannt gemacht. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 4

5 Was sind Entwurfsmuster nicht? Keine fertigen Schablonen für ein zu erstellendes Programm. Beschäftigen sich nicht mit der Implementierung, sondern mit dem Entwurf wiederverwendbarer Software. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 5

6 Beschreibung von Entwurfsmustern (1) Mustername: Klassifizierung: Zweck: Motivation: Struktur: vermittelt knapp und präzise den Inhalt zu welcher Klasse gehört das Muster kurze Beschreibung was das Muster bewirkt Szenario, das zeigt wie das Muster ein Problem löst Struktur des Musters in Form von Klassen- und Objektdiagrammen Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 6

7 Beschreibung von Entwurfsmustern (2) Teilnehmer: am Entwurfsmuster beteiligten Klassen und Objekte sowie ihre Zuständigkeiten Interaktionen: beschreibt wie Teilnehmer zusammenarbeiten um die gemeinsame Aufgabe zu erfüllen Konsequenzen: wie werden die Ziele erreicht? Vor- und Nachteile der Anwendung des Musters Beispiele: Codefragment Verwandte Muster: setzt das Muster in Bezug zu anderen Mustern. Zeigt mit welchen Mustern das Muster zusammen verwendet werden kann Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 7

8 Klassifizierung von Entwurfsmustern Erzeugungsmuster: befassen sich mit der erzeugenden Tätigkeit Strukturmuster: Verhaltensmuster: behandeln die Zusammensetzung von Klassen und Objekten charakterisieren die Zusammenarbeit zwischen Klassen oder Objekten klassenbasiert: objektbasiert: beziehen sich auf Klassen (Unterklassenbildung Vererbung) beziehen sich auf Objekte (Objektkomposition Delegation) Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 8

9 Entwurfsmuster verwenden 1. Für das zu lösende Problem geeignetes Muster auswählen. 2. Das Muster, die Beziehungen zwischen seinen Komponenten, verstehen. 3. Klassen definieren und dabei die Klassen, die vom Muster beeinflusst werden, identifizieren. 4. Operationen so implementieren, dass sie die durch das Muster vorgegebene Funktionalität erfüllen. 5. Muster nur dort anwenden, wo sie benötigt werden. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 9

10 Idiome Ein Idiom ist ein Muster von geringerem Abstraktionsgrad. Idiome beschreiben eine Lösung eines Implementierungsproblems in einer bestimmten Programmiersprache. Idiome können Bezug auf die konkrete Implementierung eines anderen Entwurfsmusters in einer bestimmten Programmiersprache nehmen. Idiome zeigen, wie man eine bestimmte Programmiersprache für gewisse Aspekte der Implementierung erfolgreich einsetzen kann. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 10

11 Architekturen Architekturmuster sind Muster von hohem Abstraktionsgrad. Architekturmuster behandeln die Aufteilung eines Software- Systems in seine Subsysteme. Beschreiben dabei die Beziehungen der Subsysteme zueinander. Werden in drei Klassen unterteilt Sicherheits- und Zuverlässigkeitsmuster Ressourcen Muster Muster für verteilte Systeme Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 11

12 Muster stellen sich vor Entwurfsmuster: Singleton (Erzeugungsmuster) Kompositum (Strukturmuster) Strategie (Verhaltensmuster) Architekturen: Real-Time Observer (Muster für verteilte Systeme) Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 12

13 Singleton (1) Zweck des Musters: Garantiert, dass nur eine Instanz einer Klasse existiert. Auf diese Instanz kann nur über die Klasse zugegriffen werden. Motivation: Es ist manchmal notwendig, dass es nur eine Instanz einer Klasse gibt (die Wurzel eines Baumes). Es sollte einem Klienten nicht möglich sein, weitere Instanzen der Klasse zu erzeugen. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 13

14 Singleton (2) Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 14

15 Singleton (3) Interaktionen: Die Klienten können auf ein Singletonobjekt nur über die Operation Exemplar zugreifen. Die Exemplar Operation kann auf die Variable einzigesexemplar zugreifen, die die einzige Instanz der Klasse aufnehmen kann. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 15

16 Implementierung in Java: Singleton (4) public class Singleton { private static Singleton einzigesexemplar = null; protected Singleton() { System.out.println( Erzeuge Singleton ); } public static synchronized Singleton getinstance() { if (einzigesexemplar == null) { einzigesexemplar = new Singleton(); } return einzigesexemplar; } } Die Aufrufe von: System.out.println( Erzeuge a ); Singleton a = Singleton.getInstance(); System.out.println( Erzeuge b ); Singleton b = Singleton.getInstance(); führen zu folgender Bildschirmausgabe: Erzeuge a Erzeuge Singleton Erzeuge b Der Konstruktor wird nur einmal aufgerufen! Singletonmuster besagt, dass es nur ein Objekt einer Klasse geben darf. Deshalb müssen wir die Bildung von Instanzen mittels eines Konstruktors unterbinden. Da der Compiler einen Defaultkonstruktor definiert, wenn kein anderer definiert ist und dieser einen öffentlichen Zugriff erlaubt, müssen wir einen eigenen Konstruktor verwenden. Den Zugriff verhindern wir, indem der Konstruktor das Zugriffsrecht protected erhält. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 16

17 Kompositum (1) Zweck des Musters: Füge Objekte zu Baumstrukturen zusammen, um Teil-Ganzes- Hierarchien darzustellen. Ermöglicht es Klienten, einzelne Objekte und Objektkompositionen einheitlich zu behandeln. Motivation: Komposition ermöglicht es, komplexe Strukturen aus einfachen Objekten zu erstellen. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 17

18 Kompositum (2) Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 18

19 Kompositum (3) Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 19

20 Kompositum (4) Interaktionen: Der Klient verwendet die Klassenschnittstelle von Komponente, um mit Objekten in der Kompositionsstruktur zu interagieren. Falls der Empfänger einer Anfrage eine konkrete Komponente ist, so wird die Anfrage sofort abgearbeitet. Falls der Empfänger einer Anfrage ein Kompositum ist, so wird die Anfrage an seine Unter-Komponenten (Kinder) geleitet. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 20

21 Strategie (1) Zweck des Musters: Definiert eine Familie von Algorithmen, kapselt jeden einzelnen und macht sie austauschbar. Ermöglicht, den Algorithmus unabhängig von ihn nutzenden Klienten zu variieren. Motivation: Es gibt viele Algorithmen die eine Aufgabe (Sortieren) erledigen können. Es sollten nicht alle Algorithmen innerhalb einer Klasse kodiert werden (Aus Gründen der Erweiterbarkeit und Wartbarkeit). Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 21

22 Strategie (2) Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 22

23 Strategie (3) Interaktionen: Das Strategie- und das Kontextobjekt arbeiten zusammen, um einen ausgewählten konkreten Algorithmus zu implementieren. Das Kontextobjekt ruft ein Strategieobjekt, das in sich den Algorithmus kapselt, auf. Alle Daten, die der Algorithmus benötigt, werden beim Aufruf übergeben. Es kann sich dabei um das gesamte Kontextobjekt handeln. Eine Strategie wird dem Kontextobjekt von Außen zugeordnet, durch den Klienten. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 23

24 Zweck des Musters: Real-Time Observer (1) An Echtzeitvoraussetzungen angepasstes Beobachtermuster. Beschreibt das Zusammenspiel zwischen Server und Observer, so dass bei einer Änderung im Server alle Klienten benachrichtigt und aktualisiert werden. Motivation: Klienten, die von rechzeitigen Datenupdates abhängig sind, sollten aktualisiert werden, wenn sich die Daten auf dem Server ändern. Es sollte dem Klienten gestattet sein sich am Server anzumelden, um automatisch Updates zu empfangen. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 24

25 Real-Time Observer (2) Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 25

26 Real-Time Observer (3) Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 26

27 Real-Time Observer (4) Interaktionen: Server und Observer sind voneinander entkoppelt. Benachrichtigungsroutine bietet verschiedene Varianten der Nachrichtübermittlung, sodass jeder registrierte Observer mit einer separaten passenden Benachrichtigungsroutine belegt wird. Observer überwacht den Server, wenn sich der Zustand des Servers ändert wird der Observer benachrichtigt und kann die Klienten aktualisieren. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 27

28 Zusammenfassung Entwurfsmuster spielen in dem Entwurf objektorientierter Software eine wichtige Rolle. Sie unterstützen uns beim Lösen der Entwurfsprobleme und sorgen dafür, dass wir nicht immer wieder das Rad neu erfinden müssen. Erst durch sie wird unsere Software flexibel, elegant und somit wiederverwendbar. Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 28

29 Entwurfsmusterkatalog [Gamma] Entwurfsmuster Aufgabe Erzeugungsmuster Strukturmuster Verhaltensmuster klassenbasiert Fabrikmethode Adapter (klassenbasiert) Interpreter Schablonenmethode Gültigkeitsbereich objektbasiert Abstrakte Fabrik Erbauer Prototyp Singleton Adapter (objektbasiert) Brücke Dekorierer Fassade Fliegengewicht Kompositum Proxy Befehl Beobachter Besucher Iterator Memento Strategie Vermittler Zustand Zuständigkeitskette Entwurfsmuster Lukas Klich/Projektgruppe SHUTTLE Seite: 29