Effizientes Programmieren

Transkript

1 Effizientes Programmieren Praktikum smuster ( ) Christopher Pietsch

2 Agenda 1 2 smuster / 23 smuster ( )

3 smuster Teil 1 2 / 23 smuster ( )

4 smuster Definition: [...] alle Aktivitäten im Rahmen des Softwareentwicklungsprozesses [.], mit denen ein Modell logisch und physisch strukturiert wird. [OB12] Wie soll das System die in der Analyse beschriebenen Anforderungen erfüllen? Entwicklung eines Lösungskonzepts unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen, insbesondere: - Spezifikation der Funktionen des Systems aus fachlicher Sicht Anwendungsmodell - Gliederung des Systems in Teilsysteme (Komponenten, Pakete) (formale) Spezifikation aller Schnittstellen Wiederkehrende, ähnlich gelagerte sprobleme in unterschiedlichen objektorientierten Systemen 2 / 23 smuster ( )

10 smuster Teil 2 smuster 3 / 23 smuster ( )

11 smuster smuster Definition: (s-) Muster Each pattern describes a problem which occurs over and over again in our environment, and then describes the core of the solution to that problem, in such a way that you can use this solution a million times over, without ever doing it the same way twice. [AIS77] Wiederverwendung bewährter, generischer Lösungsansätze für immer wiederkehrende sprobleme 3 / 23 smuster ( )

12 smuster smuster Definition: (s-) Muster Each pattern describes a problem which occurs over and over again in our environment, and then describes the core of the solution to that problem, in such a way that you can use this solution a million times over, without ever doing it the same way twice. [AIS77] Wiederverwendung bewährter, generischer Lösungsansätze für immer wiederkehrende sprobleme 3 / 23 smuster ( )

13 smuster smuster Ein Muster besteht aus vier grundlegenden Elementen: 1 Mustername: Stichwort, um ein sproblem und dessen Lösungen und Auswirkungen kurz zu benennen. Erweiterung des svokabulars 2 Problemabschnitt: Beschreibung des adressierten Problems und dessen Kontexts, bei dem das Muster sinnvoll angewandt werden kann. 3 Lösungsabschnitt: Abstrakte Beschreibung der Elemente, deren Beziehungen, Zuständigkeiten und Interaktionen zur Lösung eines sproblems. Schablone, die in vielen verschiedenen Situationen angewandt werden kann 4 Konsequenzenabschnitt: Auflistung der Vor- und Nachteile der smusteranwendung 4 / 23 smuster ( )

18 smuster smuster Gamma et al. [GEG09] katalogisieren 23 smuster Nicht betrachtet werden Muster für: - Nebenläufigkeit - verteilte oder Echtzeitprogrammierung - Benutzungsschnittstellen - Gerätetreiber - objektorientierte Datenbanken Abbildung: Die Beziehungen zwischen smustern [GEG09] 5 / 23 smuster ( )

19 Klassifikation objektorientierter smuster smuster Gültigkeitsbereich klassenbasiert objektbasiert Aufgabe Erzeugungsmuster Strukturmuster Verhaltensmuster Adapter (klassenbasiert) Interpreter Schablonenmethode Abstrakte Fabrik Adapter (objektbasiert) Befehlt Erbauer Brücke Prototyp Dekorierer Besucher Singleton Fassade Iterator Fliegengewicht Vermittler Proxy Zustand Zuständigkeitskette Tabelle: Dimensionen der Ausprägung von smusterns [GEG09] 6 / 23 smuster ( )

20 Aufgabe objektorientierter smuster smuster Erzeugermuster: Prozess der Objekterzeugung Strukturmuster: Zusammensetzung von Klassen und Objekten Verhaltensmuster: Zuständigkeiten und Aufgabenteilung zwischen Objekten und Klassen 7 / 23 smuster ( )

23 Gültigkeitsbereich objektorientierter smuster smuster Klassenbasierte smuster: - behandeln Beziehungen zwischen Klassen unter Verwendung von Generalisierung - Beziehungen werden statisch, also zur Übersetzungszeit festgelegt Objektbasierte smuster: - behandeln Beziehungen zwischen Klassen unter Verwendung von Aggregation, Komposition, Delegation und Generalisierung - Beziehungen werden dynamisch, also zur Laufzeit festgelegt und geändert 8 / 23 smuster ( )

24 Gültigkeitsbereich objektorientierter smuster smuster Klassenbasierte smuster: - behandeln Beziehungen zwischen Klassen unter Verwendung von Generalisierung - Beziehungen werden statisch, also zur Übersetzungszeit festgelegt Objektbasierte smuster: - behandeln Beziehungen zwischen Klassen unter Verwendung von Aggregation, Komposition, Delegation und Generalisierung - Beziehungen werden dynamisch, also zur Laufzeit festgelegt und geändert 8 / 23 smuster ( )

26 smuster 1 Mustername: (engl. factory method) klassenbasiertes smuster 2 Problembeschreibung: - Zweck: Delegation der Erzeugung von Objekten an Unterklassen Definiere Klassenschnittstelle zum Erzeugen eines Objekts lasse Unterklassen entscheiden, von welcher Klasse das zu erzeugende Objekt ist - Motivation: z.b. Framework für Anwendungen, die mehrere Dokumente gleichzeitig anzeigen können Framework verwendet abstrakte Klasse für die Dokumente muss anwendungsspezifische Dokumente erzeugen können, kennt aber nur deren abstrakte Oberklasse Framework weiß lediglich, wann ein neues Dokument erzeugt werden soll, nicht aber welche Art von Dokument Lösung: Erzeugung der Objekte durch eine, die von einer Unterklasse überschrieben wird 9 / 23 smuster ( )

30 smuster 2 Problembeschreiubng: - Anwendbarkeit: wenn eine Klasse die von ihr zu erzeugenden Objekte nicht im voraus kennen kann wenn Unterklassen einer Klasse festlegen sollen, welche Objekte erzeugt werden festlegt. wenn Klassen Zuständigkeiten an eine von mehreren Hilfsunterklassen delegieren sollen und das Wissen lokalisierbar sein soll, an welche Hilfsunterklasse die Zuständigkeiten delegiert werden 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: 10 / 23 smuster ( )

31 smuster 2 Problembeschreiubng: - Anwendbarkeit: wenn eine Klasse die von ihr zu erzeugenden Objekte nicht im voraus kennen kann wenn Unterklassen einer Klasse festlegen sollen, welche Objekte erzeugt werden festlegt. wenn Klassen Zuständigkeiten an eine von mehreren Hilfsunterklassen delegieren sollen und das Wissen lokalisierbar sein soll, an welche Hilfsunterklasse die Zuständigkeiten delegiert werden 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: 10 / 23 smuster ( )

32 smuster 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: Product definiert die Schnittstelle der von der erzeugten Objekte ConcreteProduct implementiert die Produktschnittstelle Creator deklariert (und nutzt) die abstrakte ConcreteCreator implementiert die abstrakte, so dass Exemplare der Klasse ConcreteProduct zurückgegeben werden - Interaktion: Creator verlässt sich darauf, das Unterklassen die korrekt implementieren 4 Konsequenzen: das Muster verhindert, dass ein Framework anwendungsspezifische Klassen kennen muss. 11 / 23 smuster ( )

35 smuster 1 Mustername: (engl. observer) objektbasiertes smuster 2 Problembeschreibung: - Zweck: Definition von 1-zu-n Abhängigkeiten zwischen Objekten bei der Änderung des Zustands eines Objekts werden alle abhängigen Objekte benachrichtigt diese können dann ihren Zustand aktualisieren - Motivation: z.b. verschiedene graphische Darstellungen der Daten eines Objekts in einem GUI Die graphischen Darstellungen kennen einander nicht, repräsentieren jedoch die gleichen Anwendungsdaten Bei Änderung der Anwendungsdaten über eine der graphischen Darstellung, sollen alle weiteren graphischen Darstellungen aktualisiert werden. Lösung: Graphische Darstellungen beobachten das gleiche Objekt, welches die Anwendungsdaten repräsentiert und werden bei einer Änderung aktualisiert 12 / 23 smuster ( )

39 smuster 2 Problembeschreibung: - Anwendbarkeit: Eine Abstraktion besitzt zwei Aspekte, die wechselseitig voneinander abhängen Kapselung in unterschiedliche Objekte Änderung eines Objektes bedingt die Änderung anderer Objekte Anzahl der zu ändernden Objekte ist unbekannt. Objekt soll andere Objekte benachrichtigen lose Kopplung 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: 13 / 23 smuster ( )

40 smuster 2 Problembeschreibung: - Anwendbarkeit: Eine Abstraktion besitzt zwei Aspekte, die wechselseitig voneinander abhängen Kapselung in unterschiedliche Objekte Änderung eines Objektes bedingt die Änderung anderer Objekte Anzahl der zu ändernden Objekte ist unbekannt. Objekt soll andere Objekte benachrichtigen lose Kopplung 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: 13 / 23 smuster ( )

41 smuster 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: Subject kennt beliebige Zahl an n Observer definiert Aktualisierungsschnittstelle für konkrete ConcreteSubject speichert den für ConcreteObserver relevanten Zustand und benachrichtigt diese bei Änderung ConcreteObserver implementiert die Aktualisierungsschnittstelle, kennt das konkrete Subjekt und merkt sich den Zustand, der mit dem des Subjekts konsistent sein soll - Interaktion: konkretes Subjekt benachrichtigt bei Zustandsänderung alle seine, woraufhin diese ihren Zustand aktualisieren 14 / 23 smuster ( )

42 smuster 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: Subject kennt beliebige Zahl an n Observer definiert Aktualisierungsschnittstelle für konkrete ConcreteSubject speichert den für ConcreteObserver relevanten Zustand und benachrichtigt diese bei Änderung ConcreteObserver implementiert die Aktualisierungsschnittstelle, kennt das konkrete Subjekt und merkt sich den Zustand, der mit dem des Subjekts konsistent sein soll - Interaktion: konkretes Subjekt benachrichtigt bei Zustandsänderung alle seine, woraufhin diese ihren Zustand aktualisieren 14 / 23 smuster ( )

43 smuster 4 Konsequenzen: - Unabhängigkeit: Code von Subjekten und n ist unabhängig: Subjekt und sind einzeln wiederverwendbar Hinzufügen von n ohne Änderung des Subjekts - Unerwartete Aktualisierung: Kaskaden von Benachrichtigungen möglich 15 / 23 smuster ( )

44 smuster 1 Mustername: (composite) objektbasiertes Strukturmuster 2 Problembeschreibung: - Zweck: Definition von rekursiven Kompositionen von Objekten Objekte werden zu Baumstrukturen zusammen, um Teil-Ganzes-Hierarchien zu repräsentieren einzelne Objekte als auch Kompositionen von Objekten können einheitlich behandelt werden - Motivation: z.b. graphische Elemente in einem Graphikeditor Klassen für Grafikprimitive wie Text und Linien sowie Klassen für Behälter dieser Primitive Objekte der Klassen sollen in der Anwendung gleich behandelt werden können Lösung: Einführung einer abstrakten Klasse Grafik, welche sowohl primitive als auch Behälterobjekte repräsentiert. 16 / 23 smuster ( )

48 smuster 3 Problembeschreibung: - Anwendbarkeit: Es müssen Teil/Ganzes-Hierarchien dargestellt werden Klienten sollen keinen Unterschied zwischen elementaren und zusammengesetzten Objekten wahrnehmen alle Objekte sollen gleich behandelt werden können 4 Lösungsbeschreibung: - Struktur: 17 / 23 smuster ( )

49 smuster 3 Problembeschreibung: - Anwendbarkeit: Es müssen Teil/Ganzes-Hierarchien dargestellt werden Klienten sollen keinen Unterschied zwischen elementaren und zusammengesetzten Objekten wahrnehmen alle Objekte sollen gleich behandelt werden können 4 Lösungsbeschreibung: - Struktur: 17 / 23 smuster ( )

50 smuster 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: Component deklariert gemeinsame Schnittstelle für alle Objekte, incl. Verwaltung von Teilobjekten Leaf repräsentiert elementare/primitiver Objekte und definiert das Verhalten der dieser Composite definiert Verhalten von zusammengesetzten Objekten, speichert Teilobjekte und reicht Methodenaufrufe ggf. an alle Teilobjekte weiter Client manipuliert die Objekte in der Komposition durch die Schnittstelle von Component - Interaktion: Client verwendet nur die Klassenschnittstelle von Component elementare Objekte verarbeiten Anfragen direkt zusammengesetztes Objekt gibt Anfrage an seine Teilobjekte weiter 18 / 23 smuster ( )

51 smuster 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: Component deklariert gemeinsame Schnittstelle für alle Objekte, incl. Verwaltung von Teilobjekten Leaf repräsentiert elementare/primitiver Objekte und definiert das Verhalten der dieser Composite definiert Verhalten von zusammengesetzten Objekten, speichert Teilobjekte und reicht Methodenaufrufe ggf. an alle Teilobjekte weiter Client manipuliert die Objekte in der Komposition durch die Schnittstelle von Component - Interaktion: Client verwendet nur die Klassenschnittstelle von Component elementare Objekte verarbeiten Anfragen direkt zusammengesetztes Objekt gibt Anfrage an seine Teilobjekte weiter 18 / 23 smuster ( )

52 smuster 4 Konsequenzen: - vereinfacht Klienten, da primitive und zusammengesetzte Objekte gleich behandelt werden - vereinfacht es, neue Arten von Komponenten einzufügen - erschwert es, mögliche Komponenten des s einzuschränken (Prüfung zur Laufzeit nötig) 19 / 23 smuster ( )

53 smuster 1 Mustername: (engl. strategy) objektbasiertes Verhaltensmuster 2 Problembeschreibung: - Zweck: Definition von Familien von Algorithmen Algorithmen werden gekapselt und können ausgetauscht werden - Motivation: z.b. zur Kapselung unterschiedlicher Algorithmen zur Bearbeitung oder Überprüfung eines Textstromes bzw. einer Texteingabe (Validierungsfunktion) mehrere Klassen, welche unterschiedlichen Validierungsfunktionen für Texte realisieren Klasse, welche Textfelder repräsentiert, deren Eingaben je nach Kontext unterschiedlich validiert werden sollen Lösung: Einführung einer abstrakten Klasse, die eine einheitliche Schnittstelle der Klassen repräsentiert, welche die Validierungsfunktionen bereitstellen 20 / 23 smuster ( )

56 smuster 2 Problembeschreibung: - Anwendbarkeit: Viele verwandte Klassen unterscheiden sich nur in ihrem Verhalten Konfiguration der Verhaltensweise einer Klasse Es werden unterschiedliche Varianten eines Algorithmus benötigt Algorithmen mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen Kapselung komplexer algorithmenspezifischer Datenstrukturen Information Hiding Definition von unterschiedlichen Verhaltensweisen einer Klasse führt zu mehrfachen Bedingungsanweisungen 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: 21 / 23 smuster ( )

57 smuster 2 Problembeschreibung: - Anwendbarkeit: Viele verwandte Klassen unterscheiden sich nur in ihrem Verhalten Konfiguration der Verhaltensweise einer Klasse Es werden unterschiedliche Varianten eines Algorithmus benötigt Algorithmen mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen Kapselung komplexer algorithmenspezifischer Datenstrukturen Information Hiding Definition von unterschiedlichen Verhaltensweisen einer Klasse führt zu mehrfachen Bedingungsanweisungen 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: 21 / 23 smuster ( )

58 smuster 3 Lösungsbeschreibung: - Struktur: Strategy deklariert eine Schnittstelle, die von allen unterstützten Algorithmen angeboten wird ConcreteStrategy implementiert den Algorithmus unter Verwendung der schnittstelle Context wird mit einem ConcreteStrategy-Objekt konfiguriert - Interaktion: Ein Context-Exemplar leitet die Anfrage an seine weiter 4 Konsequenzen: - Definition von Familien von verwandten Algorithmen, die von Kontextobjekten wiederverwendet werden können - Algorithmus kann unabhängig vom Kontext variieren und ist daher flexibler bzgl. der Austauschbarkeit und Erweiterbarkeit - Vermeidung von Bedingungsanweisungen - zusätzlicher Kommunikationsaufwand und erhöhte Anzahl von Objekten 22 / 23 smuster ( )

62 smuster Quellen: [AIS77] Christopher Alexander, Sara Ishikawa, and Murray Silverstein. A Pattern Language: Towns, Buildings, Construction (Center for Environmental Structure). Oxford University Press, later printing edition, August [GEG09] E. Gamma and R.H.J.V.R.J. Erich Gamma. smuster: Elemente wiederverwendbarer objektorientierter Software. Professionelle Softwareentwicklung. Addison-Wesley, [OB12] B. Oestereich and S. Bremer. Analyse und Design mit der UML 2.5: Softwareentwicklung. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, / 23 smuster ( )