Design Patterns I. Design Muster eine Einführung. Prof. Dr. Nikolaus Wulff

Transkript

1 Design Patterns I Design Muster eine Einführung Prof. Dr. Nikolaus Wulff

2 Agenda Zur Historie von Design Mustern Die Entwicklung von Lexi Was ist ein Design Muster Klassifizierung von Design Mustern Die wichtigsten Design Muster Vom Design Muster zur Implementierung Prof. Dr. Nikolaus Wulff 2

3 Historie der Desing Patterns Christopher Alexander (1977): A Pattern Language wie können Standardlösungen immer wiederkehrender Innenarchitekturprobleme sprachlich formuliert werden? E. Gamma, R. Helm, R. Johnson, J. Vlissides(1995): Design Patterns Elements of reusable OO-Software der bis heute maßgebende Katalog mit 23 Design Patterns, ein Klassiker Viele weitere Muster Bücher folgten... Design Patterns gehören heute zum Grundvokabular eines jeden SW-Ingenieurs. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 3

4 Eine Analogie Schriftsteller entwickeln ihre Handlungen nie von Grund auf neu. Bestimmte Stereotypen und Muster tauchen immer wieder in Variationen auf: tragisch gefallener Held unglückliche Liebe grausame(r) Stiefmutter/vater An Hand dieser existierenden Muster lässt sich leicht eine neue Geschichte entwickeln. Dies vereinfacht das Geschäft... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 4

5 Wie lernt man Schachspielen? Lerne Regeln: Figurennamen und Zugmöglichkeiten Lerne Prinzipien: relative Figurenwert, strategischer Wert des Brettzentrums, Angriffsvermögen, etc Lerne von Spielen der Meister: Spielzüge und deren Anwendungssituationen Es gibt hunderte von Eröffnungen und Strategien Diese bilden Muster... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 5

6 Wie lernt man Softwaredesign? Lerne Regeln: Programmiersprachen und Syntax, Algorithmen und Datenstrukturen Lerne Prinzipien: funktionales und modulares Programmieren, objektorientiertes Programmieren Lerne von den Meistern: Gute und erprobte Designs der Meister, passend zu immer wiederkehrenden Problemstellungen, sind inzwischen aufgeschrieben und als Baukasten vorhanden. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 6

7 Beschreibung von Mustern Name jedes Muster erhält einen kurzen, eindeutigen und prägnanten Namen zur Identifizierung. Absicht was ist der Sinn und Zweck des Musters Problem welches Problem wird durch das Muster gelöst Lösungsidee wie lautet die generische Idee zur Lösung des Problems Struktur wie ist die Struktur der Lösung als UML Diagramm Prof. Dr. Nikolaus Wulff 7

8 Beschreibung von Mustern (2) Beteiligte Welches sind die beteiligten Klassen und ihre Rollen im Muster Zusammenspiel Erklärt, wie die Teilnehmer zur Erfüllung der gemeinsamen Aufgabe zusammenarbeiten. Anwendbarkeit Beschreibt Situationen in denen das Muster sinnvoll eingesetzt werden kann. Folgen Was sind die Vor- und Nachteile des Musters Prof. Dr. Nikolaus Wulff 8

9 Beschreibung von Mustern (3) Implementation Diskutiert wichtige Details zur Codierung des Musters. Häufig werden auch sprachspezifische Aspekte benannt. Beispielcode Rudimentäre, lauffähige Codefragmente zur Veranschaulichung. Bekannte Verwendung Verweist auf unterschiedliche erfolgreiche Anwendungen des Musters Verwandte Muster Bezug zu anderen Mustern, die auch zur Lösung dienen könnten und Diskussion der Unterschiede. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 9

10 Lexi eine Fallstudie Der Dokumenteneditor Lexi soll entwickelt werden. Lexi ist ein WYSIWIG Editor ( What-You-See-Is- What-You-Get ). Die wesentlichen 7 Herausforderung sind: Dokumentenstruktur Formatierung Erweiterbare Benutzungsschnittstelle Look-and-Feel Verschiedene Fenster- und Betriebsysteme Komplexe und doch einheitliche Handhabung Rechtschreibprüfung und Silbentrennung Prof. Dr. Nikolaus Wulff 10

11 Anforderungen an Lexi Verwaltung der physischen Struktur Visuelle Präsentation des Dokuments Abbildung der Bildschirmposition auf die Elemente der internen Repräsentation. => Kontexbezogenes Reagieren. Randbedingungen: Text und Grafik sollen gleich behandelt werden. Einzelne Elemente und komplexe Gruppen von Objekten sollen gleich behandelt werden können. Ausnahmen: Rechtschreibprüfung,... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 11

12 Dokumentenstruktur Dokumente bestehen aus elementaren Elementen wie Wörtern, Zeichen, Linien, Rechtecken etc. Ein Textverarbeitungssystem sieht aber auch die Ebene der physischen Strukturen Zeilen, Spalten, Tabellen, Abbildungen und weitere Substrukturen. Ein Benutzer soll all diese Strukturen direkt als zusammenhängende Entitäten bearbeiten können. Eine Tabelle erscheint bei einer Copy & Paste Operation als eine logische Entität und nicht als eine Ansammlung von einzelnen Primitiven. Benötigt wird eine rekursive Komposition der Dokumente. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 12

13 Glyph als Composite Pattern Dokumentenstruktur per Composite-Pattern. Alle Elemente sind vom Typ Glyph. Composite Dieser enthält als abstrakte Klasse (oder Interface) die gemeinsame Schnittstelle. Frage: Wie werden Images (Jpeg etc.) zu Glyphs? Prof. Dr. Nikolaus Wulff 13

14 Glyph Objektstruktur Die physische Dokumentstruktur setzt sich rekursiv aus Glyph Objekten zusammen. Alle Glyphs haben die selbe Schnittstelle. Komposite (Spalte) Komposite (Zeile) Komposite (Zeile)... G e... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 14

15 Formatierung Die Glyph Hierarchie beschreibt jetzt die rekursive physische Struktur von Lexis Daten. Wie werden diese formatiert? Wo sind Zeilen- und Seitenumbrüche? Wie lassen sich diese einfach in ein Dokument einbauen und auch möglichst einfach auf Wunsch umformatieren? Benötigt werden unterschiedliche Formatierungsstrategien, die gezielt eingesetzt werden können. Hierzu wird das Strategie Muster angewandt. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 15

16 Strategie Muster zur Formatierung Formatierer kapselt die Formatieralgorithmen. Composition wird mit einem Formatierer parametrisiert. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 16

17 Formatierer Struktur Alle Komposita haben/kennen einen Formatierer... Komposite Spalte Formater Zeile Zeile... G e... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 17

18 Erweiterungen von Glyphs Bestimmte Glyph Typen wie z.b. Tabellen, Listen oder Bilder sollen mit Rahmen, Untertexten etc. versehen werden. Statt diese Funktionalität direkt in jeder dieser Unterklassen zu implementieren was zu eine Duplizierung von Code führt, werden diese Glyphs mit der Erweiterung dekoriert. Die Klasse wird nicht durch Vererbung erweitert, sondern transparent ohne eigenes Wissen in einer anderen Glyph Klasse eingehüllt. Das Dekorater-Muster dient genau diesem Zweck. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 18

19 Dekorator Pattern Prof. Dr. Nikolaus Wulff 19

20 Dekorierer Objektstruktur Beliebige Glyphs lassen sich einwickeln... Rahmen Scroller Komposite Spalte Zeile... G e... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 20

21 Look and Feel Lexi soll ohne große Änderung unterschiedliche graphische Standards unterstützen können. Die Style Guides für Benutzerschnittstellen von Mac OS, Unix Motif oder Windows XP sind ähnlich jedoch nicht identisch. Es soll eine Portierung von neuen zur Entwicklungszeit von Lexi noch unbekannten Standards einfach möglich sein. Idealerweise wird Lexi beim Start dynamisch mitgeteilt welches Look und Feel zu verwenden ist oder es kann zur Laufzeit gewechselt werden. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 21

22 Abstraktion der Objekterzeugung Oberflächen haben einen Satz von graphischen Objekten Widgets *, Knopf, Leiste, Dialog, etc Um das Look & Feel ändern zu können muss Lexi gegen eine abstrakte Widget Hierarchie entwickelt werden, von der zur Laufzeit konkrete Spezialisierungen instantiiert werden. So gibt es z.b. eine abstrakte Klasse Button mit den konkreten Subtypen passend zum Look & Feel MacButton, WinButton und MotifButton. Lexi darf nichts von diesen direkten Untertypen wissen. Sonst wäre Lexi nicht mehr erweiterbar. *) Widget: Kunstwort aus Window und Gadget (techn. Gerät) Prof. Dr. Nikolaus Wulff 22

23 Parallele Widget Hierarchie Abstraktion... Für jedes Look & Feel gibt es eigene Widget-Sets. Lexi darf nur gegen die abstrakten Widgets Menu, Button etc. programmiert werden. Frage: Wie erhält Lexi die konkreten Unterklassen? Prof. Dr. Nikolaus Wulff 23

24 new Operator vermeiden Überlicherweise würde Lexi ein konkretes Widget einfach erzeugen: Button b = new MacButton(); Konsequenz: Der Code ist nicht mehr portabel. Das MacFrame Widget ist hart codiert Es kann zur Laufzeit nicht geändert werden. Es können keine neuen Widget Hierarchien transparent hinzugefügt werden. Benötigt wird eine (abstrakte) Widget Fabrik Button b = widgetfactory.createbutton(); Prof. Dr. Nikolaus Wulff 24

25 Abstract Factory Pattern Der new Operator wird durch eine Abstrakte Fabrik ersetzt, deren konkrete Ausprägungen die konkreten Widgets erzeugen. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 25

26 Instantiierung der Abstrakten Fabrik static WidgetFactory widgetfactory; public static void main(string[] args) { String laf = System.getenv("LOOK_AND_FEEL"); if (laf.equals("mac")) { widgetfactory = new MacFactory(); } else if (laf.equals("motif")) { widgetfactory = new MotifFactory(); } else if (laf.equals("windows")) { widgetfactory = new WinFactory(); } } Beim Systemstart wird die Abstrakte Factory für das Look and Feel konkret instantiiert. Lexi kann sie global überall verwenden... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 26

27 Unterschiedliche Fenster Systeme Look und Feel ist nur ein Aspekt einer Anwendung. Soll Lexi von Linux nach Windows oder Mac OS portiert werden, so bedeutet dies mehr als nur eine Anpassung des Look und Feel. Die Programmierschnittstellen/APIs der jeweiligen Betriebsysteme sind unterschiedlich. Eine Möglichkeit zur Lösung wäre auch hierzu das Abstrakte Factory Muster zu verwenden. Die Randbedingungen sind jedoch anders: L&F emulierte auf einem OS das L&F der jeweils anderen. Jetzt geht es um eine einheitliche Abstraktion für alle OS. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 27

28 Brücken Muster Die Betriebsystem stellen im Prinzip ähnliche Resourcen Frame, Dialog, etc zur Verfügung. Lediglich die Schnittstelle zur Verwendung ist nicht identisch. Gesucht wird eine Brücke von den Abstraktionen, gegen die Lexi programmiert ist, zu den konkreten Angeboten/APIs der jeweiligen Betriebsysteme. Ähnlich dem Strategie Muster wird jetzt zu den Abstraktionen eine konkrete Implementierung gebildet, deren Auswahl durch eine Fabrik erfolgt. Als Beispiel dient die Klasse Window. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 28

29 Bridge Pattern Bridge Plattform neutral Plattform spezifisch Konkrete Anfragen an ein Window werden direkt an die konkrete, plattformspezifische impl-instanz des Window delegiert. Die impl-instantiierung geschieht OS abhängig... Unterklassen von Window sind einfach möglich. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 29

30 Benutzerfunktionalität Lexi bietet dem Benutzer viele Funktionen an: Erzeugen, Öffnen, Speichern und Drucken eines Dokuments Ausschneiden und Einfügen von Text Ändern von Formatierung, Schriftsatz, etc. Viele dieser Operationen müssen zentral in unterschiedlichen Kontexten erreichbar sein. Lexi bietet Undo- und Redofunktionalität an. Diese Anforderungen sind eine Herausforderung für den Entwickler. Wie lässt sich ein einheitliches Benutzungsmodell entwerfen? Prof. Dr. Nikolaus Wulff 30

31 Command Pattern Eine bestimmte Operation kann unter Umständen von mehreren Widgets Menu, Button, etc. ausgelöst werden. Es macht keinen Sinn diese Funktionen direkt in das Widget z.b. durch Vererbung einzubauen. Die Operationen werden in einer Befehlsklasse gekapselt. Ein abstrakter Befehl bietet als Schnittstelle lediglich eine execute-methode. Diese wird in konkreten Befehlsklassen entsprechend überladen. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 31

32 Befehle Hierarchie Commands haben eine einheitliche Schnittstelle. Jeder führt genau seine spezielle Operationen aus. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 32

33 Command execution Jedes Widget wird mit seinem Command Objekt parametrisiert, dessen execute Methode bei Betätigung ausführt wird. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 33

34 Kommando Historie Die Implementierung der Undo- Redofunktionalität ist leicht, es muss lediglich die Historie aller ausgeführten Befehlsobjekte verwaltet werden. cmd cmd cmd cmd cmd cmd cmd cmd cmd cmd past present future Nach einem Undo-Befehl wird die Zeitmarke um eins verschoben und ein Redo wird möglich... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 34

35 Glyph Travestierung Lexis Dokumente bestehen aus zusammengesetzten Composite Glyph Objekten. Wie diese intern aufgebaut sind ist für Klienten irrelevant. Es können Listen, Arrays, binäre Bäume etc. sein. Es muss jedoch z. B. für die Rechtschreibprüfung eine effektive Möglichkeit zur Travestierung dieser Strukturen bestehen, ohne diese offen zu legen. Diese Funktionalität lässt sich am einfachsten mit dem Konzept eines Iterator kapseln. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 35

36 Iterator Pattern Spezielle Iteratoren erlauben für Klienten eine transparente Travestierung, unabhängig von der konkreten Glyph Struktur... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 36

37 Rechtschreibprüfung Die Möglichkeit über alle Glyphs zu iterieren gestattet eine effiziente Implementierung der Rechtschreibprüfung oder Silbentrennung. Das Problem ist ähnlich dem der Formatierung und eine Kapselung dem Strategie Muster bietet sich an. Problem: Der Iterator liefert sämtliche Glyphs des Dokuments, Zeichen, Images, leere Glyphs, etc. Nicht alle machen für die Rechtschreibprüfung oder Silbentrennung Sinn. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 37

38 if-else Verteiler public class SpellChecker { public void check(glyph glyph) { if (glyph instanceof Character) { checkcharacter((character) glyph); } else if (glyph instanceof CompositeGlyph) { checkcomposite( (CompositeGlyph) glyph); } else if (glyph instanceof ImageGlyph) { return; // nothing to do with Image }... Ein solcher if-else Verteiler mit dynamischen Casts ist schlechter OO Stil... Mit jeder neuer Glyph Klasse wächst der Verteiler. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 38

39 Besucher Muster Eine elegantere Variante als if-else bietet das Besucher Muster. Die Glyph Klasse definiert eine spell-methode, die es dem SpellChecker erlaubt diese während der Iteration zu besuchen. Konkrete Unterklassen überladen diese Methode, so dass die richtige Methode des SpellCheckers passend zum Glyph Typen gerufen wird. Offensichtlich bedingt dies eine relative enge Koppelung der Glyph und SpellChecker Klasse. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 39

40 Visitor Pattern public class SpellChecker { public void check(glyph glyph) { Iterator iterator = glyph.createiterator(); while (iterator.hasnext())) { Glyph aglyph = iterator.nextelement(); aglyph.spell(this); } Der SpellChecker kann über alle Glyph Instanzen iterieren. Jedes Glyph Objekt weiss selbst wie es mit einem SpellChecker umzugehen hat... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 40

41 Visistor Pattern (II) public abstract class Glyph { public abstract void spell(spellchecker checker); public class CharacterGlyph extends Glyph { public void spell(spellchecker checker) { checker.checkcharacter(this); } public class CompositeGlyph extends Glyph { public void spell(spellchecker checker) { checker.checkcomposite(this); }... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 41

42 Lexi's Design Pattern Der Entwurf von Lexi demonstrierte einige Muster: Composite Strategy Decorator Factory Bridge Command Iterator Visitor Dokument Struktur Formatierungsalgorithmen Ausschmücken von Widgets Look und Feel Verschiedene Fensterplattformen Undo und Redo von Aktionen Zugriff auf Objektstrukturen Einheitliche Analyse Prof. Dr. Nikolaus Wulff 42