Entwurfsmuster, Klassenbibliotheken und Frameworks unterscheiden können. Wichtige Entwurfsmuster kennen und erklären können, wo sie eingesetzt werden

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1 Grundlagen der Softwaretechnik 7 Entwurfsmuster und Frameworks Lernziele Entwurfsmuster, Klassenbibliotheken und Frameworks unterscheiden können Wichtige Entwurfsmuster kennen und erklären können, wo sie eingesetzt werden Entwurfsmuster bei der Modellierung einsetzen können Entwurfsmuster in einem OOD-Modell erkennen können 416

2 7.1 Entwurfsmuster, Frameworks, Klassenbibliotheken 7 Entwurfsmuster und Frameworks 7.1 Entwurfsmuster, Klassenbibliotheken, Frameworks 7.2 Fabrikmethode-Muster 7.3 Singleton-Muster 7.4 Beobachter-Muster 7.5 Anwendungsbeispiel 7.6 Zusammenfassung 417

3 7.1 Entwurfsmuster, Klassenbibliotheken, Frameworks Definition Entwurfsmuster (Design Pattern) Ein Entwurfsmuster gibt eine bewährte generische Lösung für ein immer wiederkehrendes Entwurfsproblem, das in einem bestimmten Kontext auftritt Entwurfsmuster ermöglichen Wiederverwendung von erfolgreichen Entwürfen und Architekturen Wiederverwendung von Design! Beschreibung eines Entwurfsmusters Name des Musters Muster- Essenz in ein bis zwei Worten Problembeschreibung Wann ist das Muster anwendbar? Lösungsbeschreibung Abstrakte Lösung Konsequenzen Für Evaluierung von Entwurfsalternativen 418

4 7.1 Entwurfsmuster, Frameworks, Klassenbibliotheken Klassifikation von Mustern Erzeugungsmuster (creational patterns) Helfen, ein System unabhängig davon zu machen, wie seine Objekte erzeugt, zusammengesetzt und repräsentiert werden Strukturmuster (structural patterns) Befassen sich mit der Zusammensetzung von Klassen und Objekten zu größeren Strukturen Verhaltensmuster (behavioral pattern) Befassen sich mit der Interaktion zwischen Objekten und Klassen Beschreiben komplexe Kontrollflüsse, die zur Laufzeit schwer nachvollziehbar sind Hinweis: Elementares Buch zum Thema Entwurfsmuster (Design Pattern) Gamma, Erich et al.: Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software Addison-Wesley Verlag, Reading MA,

5 7.1 Entwurfsmuster, Frameworks, Klassenbibliotheken Definition Klassenbibliothek Organisierte Sammlung von Klassen, aus der ein Entwickler nach Bedarf einzelne Klassen verwendet Mögliche Topologien von Klassenbibliotheken: Baum-Topologie Gemeinsame Wurzelklasse Wald-Topologie Bibliothek besteht aus mehreren Baumhierarchien Vorteil: Flachere Vererbungshierarchie im Vergleich zur Baum- Topologie Baustein-Topologie Unabhängige Klassen Verwendung des Konzepts der generischen Klasse zur spezifischen Anpassung Wiederverwendung von Implementierungscode! 420

6 7.1 Entwurfsmuster, Frameworks, Klassenbibliotheken Klassenbibliotheken im Überblick Basis- Funktionalität Grafik Anwendungsgebiete Benutzungsoberfläche Datenbankzugriff Interprozesskommunikation Spezifische Funktionalität z.b. String, Map, Queue, Vector z.b. Window, Menu, Button z.b. Diagram, Table z.b. DBQuery, DBResult z.b. MsgHeader, NameService z.b. FifoQueue, LiftControl 421

7 7.1 Entwurfsmuster, Frameworks, Klassenbibliotheken Definition Framework Menge von kooperierenden Klassen, die einen wiederverwendbaren Entwurf für einen bestimmten Anwendungsbereich implementieren Wiederverwendung von Architektur + Code Besteht aus konkreten und abstrakten Klassen (Schnittstellen), die in einer Programmiersprache implementiert sind Direkte Ausführung ist häufig möglich (Default-Anwendung) Frameworks sind immer auf spezifische Anwendungsbereiche ausgelegt. Beispiele: Erstellung grafischer Editoren Erstellung von Steuerungen Anwendungsentwicklung mit Frameworks durch Parametrisierung und Ableitung von Schnittstellen Anwendungsentwickler kann sich um spezifische Aspekte seiner Anwendung kümmern 422

8 7.1 Entwurfsmuster, Frameworks, Klassenbibliotheken Merkmale von Frameworks Frameworks ermöglichen einen besonders hohen Grad an Wiederverwendung hohe Produktivitäts- und Qualitätssteigerung Wettbewerbsvorteile Inversion des Kontrollflusses zur Laufzeit (sog. Hollywood-Prinzip: Don t call me, I ll call you ): Anwendungscode Framework Aufruf Aufruf Aufruf Aufruf Bibliothek 423

9 7.1 Entwurfsmuster, Frameworks, Klassenbibliotheken Unterschiede zwischen Entwurfsmuster und Framework Entwurfsmuster sind abstrakter als Frameworks Werden nur beispielhaft durch Programmcode repräsentiert Anwendung von Entwurfsmustern ist mit einer neuen Implementierung verbunden Entwurfsmuster sind kleiner als Frameworks Ein typisches Framework enthält mehrere Entwurfsmuster Entwurfsmuster sind weniger spezialisiert als Frameworks Häufig keine Beschränkung auf einen bestimmten Anwendungsbereich Eigenständige Wiederverwendungskonzepte Aber wertvolle Synergieeffekte! 424

10 7 Entwurfsmuster und Frameworks Frage zu 7.1 Nennen Sie die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Mustern, Frameworks und Bibliotheken. Antwort Gemeinsamkeiten Unterstützung der Wiederverwendung Standardisierung von Software Unterschiede Abstrakteste Form, kein Code Software-Architektur für bestimmte Anwendungsbereiche Relativ unabhängige Sammlung von Einheiten zur direkten Verwendung Muster Frameworks Bibliotheken Frameworks basieren meistens auf Mustern und Bibliotheken 425

11 7.2 Fabrikmethode-Muster 7 Entwurfsmuster und Frameworks 7.1 Entwurfsmuster, Klassenbibliotheken, Frameworks 7.2 Fabrikmethode-Muster 7.3 Singleton-Muster 7.4 Beobachter-Muster 7.5 Anwendungsbeispiel 7.6 Zusammenfassung 426

12 7.2 Fabrikmethode-Muster Fabrikmethode Motivation: Problem: Verwendung eines Frameworks für eine Anwendung, die mehrere Dokumente gleichzeitig anzeigen kann Verwendung der beiden abstrakten Klassen Application und Document und Modellierung einer Assoziation zwischen ihren Objekten Klasse Application ist für die Erzeugung neuer Dokumente zuständig Softwarekonstrukteur leitet von diesen beiden Klassen seine anwendungsspezifischen Klassen ab Erzeugung eines neuen Objekts von MyDocument aus der Klasse MyApplication Framework muss Objekte erzeugen, kennt aber nur die abstrakte Oberklasse, von der es keine Objekte erzeugen darf 427

13 7.2 Fabrikmethode-Muster Fabrikmethode Lösung: Unterklassen von Application überschreiben die abstrakte Operation createdocument() Exemplar von MyDocument wird zurückgegeben Nach der Erzeugung eines Objekts von MyApplication kann diese spezifische Dokumente erzeugen, ohne deren exakte Klasse zu kennen createdocument() heißt Document open() close() save() revert() docs * Application createdocument() newdocument() opendocument() Fabrikmethode Document doc = createdocument(); docs.add(doc); doc.open(): MyDocument <<creates>> Myapplication createdocument() return new MyDocument; 428

14 7.2 Fabrikmethode-Muster Fabrikmethode - das Prinzip Methodenaufruf Konstruktoraufruf Programm-stück (benötigt Objekt) Zwischenschicht (Fabrik) Implementierte Klasse Bisher: Schnittstelle meinobjekt = new ImplementierteKlasse() mit Fabrikmethode: meinobjekt = Fabrik.Fabrikmethode() 429

15 7.2 Fabrikmethode-Muster Fabrikmethode Anwendbarkeit: Eine Klasse kann oder darf die zu erzeugenden Objekte nicht im Voraus kennen Unterklassen sollen festlegen, wie Objekte erzeugt werden Struktur (klassenbasiertes Erzeugungsmuster) Creator Product factorymethod() anoperation()... product = factorymethod();... ConcreteProduct <<creates>> ConcreteCreator factorymethod() return new ConcreteProduct 430

16 7.3 Singleton-Muster 7 Entwurfsmuster und Frameworks 7.1 Entwurfsmuster, Klassenbibliotheken, Frameworks 7.2 Fabrikmethode-Muster 7.3 Singleton-Muster 7.4 Beobachter-Muster 7.5 Anwendungsbeispiel 7.6 Zusammenfassung 431

17 7.3 Singleton-Muster Singleton Motivation: Bei manchen Klassen soll genau ein Objekt existieren Bsp.: Datenbank, Druckerspooler Einfacher Zugriff auf dieses Einzel -Objekt durch andere Objekte Struktur (Objektbasiertes Erzeugungsmuster) Singleton uniquelnstance singletondata instance() singletonoperation() getsingletondata() return uniqueinstance 432

18 7.3 Singleton-Muster Singleton Implementierung: Erzeugung von Instanzen (mit new()) soll verhindert werden class Singleton { } private static Singleton uniqueinstance = new Singleton(); private int singletondata; private Singleton() {} public static Singleton instance() { return uniqueinstance; } public int getvalue() { return singletondata; } public void setvalue(int x) {singletondata = x; } Verwendung Singleton s = Singleton.instance(); Nicht möglich: Singleton s = new Singleton(); Verhindert Default- Konstruktor! 433

19 7.3 Singleton-Muster Singleton Anwendbarkeit: Es soll genau ein Objekt einer Klasse geben und ein einfacher Zugriff darauf bestehen Das einzige Exemplar wird durch Spezialisierung mittels Unterklassen erweitert und Klienten können das erweiterte Exemplar verwenden, ohne ihren Code zu ändern Konsequenzen: Singleton-Muster vs. statische Methoden Flexiblere Lösung als statische Methoden Erweiterbarkeit auf n Instanzen Erweiterung auf mehrere Instanzen kann leicht auf (höchstens) n Instanzen erweitert werden instance() Methode kann parametrisiert werden, damit verschiedene Instanzen abgefragt werden können 434

20 7.4 Beobachter-Muster 7 Entwurfsmuster und Frameworks 7.1 Entwurfsmuster, Klassenbibliotheken, Frameworks 7.2 Fabrikmethode-Muster 7.3 Singleton-Muster 7.4 Beobachter-Muster 7.5 Anwendungsbeispiel 7.6 Zusammenfassung 435

21 7.4 Beobachter-Muster Beobachter Motivation: Objekt enthält Anwendungsdaten Darstellung dieser Daten auf verschiedene Arten Kreisdiagramme sollen sich ändern, wenn die Daten in der Tabelle verändert werden und umgekehrt 436

22 7.4 Beobachter-Muster Beobachter Struktur Abstrakte Klasse Subject kennt alle ihre Beobachter (Observer) und informiert sie über alle Änderungen Abstrakte Klasse Observer definiert die Schnittstelle für alle konkreten Observer, d.h. für alle Objekte, die über Änderungen eines Subjects informiert werden müssen. Beobachter kennen sich untereinander nicht Synchronisation jedes Beobachters mit dem Zustand des Subject Subject attach(observer) detach(observer) notify() for all o in observers {o.update()} observers * Observer update() Concrete Observer Concrete Subject subject 1 observerstate subjectstate getstate() setstate() return subjectstate update() observerstate= subject.getstate() 437

23 7.4 Beobachter-Muster Beobachter - Interaktionen des Musters :ConcreteSubject Observer 1 Observer 2 attach(self) attach(self) setstate() notify() update(self) getstate() getstate() update(self) Konsequenzen Das Beobachter-Muster ermöglicht es, Subjekte und Beobachter unabhängig voneinander zu modifizieren Beobachter und Subjekte können einzeln wiederverwendet werden Neue Beobachter sind ohne Änderung des Subjekts hinzufügbar 438

24 7.5 Anwendungsbeispiel 7 Entwurfsmuster und Frameworks 7.1 Entwurfsmuster, Klassenbibliotheken, Frameworks 7.2 Fabrikmethode-Muster 7.3 Singleton-Muster 7.4 Beobachter-Muster 7.5 Anwendungsbeispiel 7.6 Zusammenfassung 439

25 7.5 Anwendungsbeispiel Hintergrund: Oberflächen-Programmierung in Java Oberflächen bestehen aus verschiedenen Anzeige-Objekten Fenster Buttons Scrollbars Menüs Listen Auswahlboxen Java stellt für die Oberflächen-Programmierung die Java Foundation Classes (JFC) zur Verfügung, die aus mehreren Bibliotheken bestehen Java Swing Bibliothek API zur Erstellung leistungsfähiger und komplexer grafischer Benutzeroberflächen (GUI) Alle Swing-Klassen beginnen mit dem Großbuchstaben J Alle Komponenten sind in Java geschrieben (lightweight components) 440

26 7.5 Anwendungsbeispiel Ereignisbehandlung mit SWING Damit in den Programmen auch auf Aktionen des Benutzers reagiert werden kann, existieren Abhörerklassen Benutzeraktivitäten lösen Ereignisse aus, die vom GUI-System an das jeweilige Programm weitergegeben werden Vorteile Ereignisse werden durch Anzeige-Objekte erzeugt und weitergeleitet Ereignisquellen Beispiel: Button, der angeklickt wird, Tastatureingabe, Mausbewegung GUI-Programme warten auf Ereignisse (events) Trennung von Oberfläche und Ereignisbehandlung (Listener-Klassen für bestimmte Arten von Ereignissen) bessere Objektorientierung (Ereigniscode für eine spezielle Klasse von Ereignissen ist vererbbar und an jede Oberfläche "montierbar") schnell, flexibel, übersichtlich Anwendung des Beobachtermusters 441

27 7.5 Anwendungsbeispiel Prinzip der Ereignisbehandlung Anzeige-Objekte sind Ereignisquellen Beispiel: Fenster Button, Tastatur, Scrollbar Control-Objekte sind Beobachter / Abhörer (Event-Listener) Benötigen Informationen über Benutzeraktionen Event-Listener Schnittstellen Event-Listener reagieren auf Ereignisse an den Quellen (z.b. ActionListener für Button-Ereignisse) Schnittstelle definiert Operationen, die von Anzeige-Objekten aufgerufen werden, wenn ein bestimmtes Ereignis eintritt Event-Listener müssen für jedes Ereignis, auf das reagiert werden soll, implementiert werden Control-Objekte müssen sich dann bei Ereignisquelle anmelden, damit diese die geforderten Ereignisse weitermeldet Objekte können sich bei mehreren Ereignisquellen anmelden Bei einer Ereignisquelle mehrere Objekte als Abhörer möglich 442

28 7.5 Anwendungsbeispiel Erstellung einer Abhörerklasse Prinzip: Button ActionEvent ActionListener Implementieren eines Event Handlers: 1. Die eigene Event Handler Klasse muss die Listener Schnittstelle implementieren: class MeinEventHandler implements ActionListener { 2. Die Event Handler Klasse muss sich als Listener bei einer oder mehreren Komponenten registrieren: Button.addActionListener(ObjektVonMeinEventHandler); 3. In der Event Handler Klasse werden die Methoden der Listener Schnittstelle implementiert: public void actionperformed(actionevent e) { // Reagiere auf das aufgetretene Ereignis } 443

29 7.5 Anwendungsbeispiel Beispiel JButton button Der Mausklick veranlasst den angeklickten JButton, ein Objekt event vom Typ ActionEvent zu erzeugen. Dieses wird an alle bei dem Button registrierten ActionListener Objekte geschickt. ActionEvent event Hat alle Informationen bzgl. des Ereignisses und seiner Quelle, sowie eine Beschreibung der Ausgeführten Aktion. MyListenerClass myactionlistener implementiert die Event Listener Methode actionperformed (), in der festgelegt ist, was beim Eintreten des Events passieren soll. Sie wird von dem Button bei dem das Objekt als ActionListener registriert ist aufgerufen. Animation: Ereignisverarbeitung in Java 444

30 7.5 Anwendungsbeispiel Event-Listener Schnittstellen Schnittstellen verschiedener Ereignis-Abhörer ActionListener zeigt Aktionen auf Button, List, MenuItem, TextField an MouseListener MouseMotionListener KeyListener FocusListener AdjustmentListener ItemListener TextListener Abhören von möglichen Maus-Klicks hört auf Mausbewegungen hört die Tastatur ab hört ab, ob eine Komponente den Eingabefokus erhält achtet auf Verschieben der Scrollbar beobachtet die Zustände von Auswahlboxen beobachtet Veränderungen in Textfeldern 445

31 7.6 Zusammenfassung 7 Entwurfsmuster und Frameworks 7.1 Entwurfsmuster, Klassenbibliotheken, Frameworks 7.2 Fabrikmethode-Muster 7.3 Singleton-Muster 7.4 Beobachter-Muster 7.5 Anwendungsbeispiel 7.6 Zusammenfassung 446

32 7 Entwurfsmuster und Frameworks Zusammenfassung 7 Klassenbibliotheken dienen der Wiederverwendung von Implementierungscode Entwurfsmuster beschreiben Lösungen für immer wiederkehrende Entwurfsprobleme Fabrikmethode-Muster (klassenbasiertes Erzeugungsmuster) Bietet eine Schnittstelle zum Erzeugen eines Objekts an Unterklassen entscheiden, von welcher Klasse das erzeugte Objekt ist Singleton-Muster (objektbasiertes Erzeugungsmuster) Stellt sicher, dass eine Klasse genau ein Objekt besitzt Ermöglicht einen globalen Zugriff auf dieses Objekt Beobachter-Muster (objektbasiertes Verhaltensmuster) Bei Änderung eines Objekts werden alle davon abhängigen Objekte benachrichtigt und automatisch aktualisiert Frameworks stellen Klassen bereit, die als Basisklassen für neu zu erstellende Anwendungen verwendet werden können 447

33 7 Entwurfsmuster und Frameworks Frage zu 7 Geben Sie an, welches Muster im folgenden Klassendiagramm beschrieben ist. Element Diagram draw() delete() tools * createelement() showelement() activeelement() tool = createelement() Link Object MyDiagram createelement() Antwort Fabrikmethode (factory method) In der Klasse MyDiagram wird durch die Fabrikmethode createelement() konkret festgelegt, welche Objekte sie erzeugen soll 448