Design Patterns Laurent Henocque Enseignant Chercheur ESIL/INFO France

Design Patterns

Laurent Henocquehttp://laurent.henocque.free.fr/

Enseignant Chercheur ESIL/INFO Francehttp://laurent.henocque.perso.esil.univmed.fr/

mis à jour en Octobre 2006

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ou par courrier postal à Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA.

Préambule

• Ce support de cours présente de nombreux diagrammes, dont certains peuvent contenir des erreurs UML2

• Il n'est donc pas utilisable sans l'aide d'un enseignant

Contexte

• De très nombreux projets logiciels font apparaître des éléments comparables– Réinventer les meilleures solutions connues dans

chaque nouveau projet est inutile, et risqué

• Analysis Patterns• Design Patterns• Frameworks• Workflow Patterns

Pourquoi les Patterns

• La réussite prime sur la nouveauté

• Importance de la clarté de la documentation

• Validation qualitative des acquis et de la connaissance pratique

• Importance de la dimension humaine dans le développement logiciel

• Faciliter la réutilisation de savoir faire

Sur la réutilisation

Les langages informatiques modernes orientés objet permettent la réutilisation

• par importation de classes

• par héritage : extension / spécialisation

• par l'inversion de contrôle (aspects)

Les patterns c'est quoi?

Design Pattern

=

Schéma de conception réutilisable

=

Organisation et hiérarchie de plusieurs modèles de classes réutilisable par simple

implémentation, adaptation, extension

Comment?

• Les Design Patterns sont présentés en utilisant la notation graphique standard UML

• Pour l'essentiel, seule la partie statique (diagrammes de classes) de UML est utilisée

Diagrammes de Classes UML2 (éléments)

Classe_A Classe_B

Classe_C

Classe_Dattributs

fonctions

héritage

relation

agrégat / composition

dépendance

Références

Références Web

• http://patterndigest.com/

• http://norvig.com/design-patterns

• http://www.industriallogic.com/papers/index.html

• … google…

Exemples Simples : Intuition

Quelques exemples de "proto" patterns, ou d'éléments de conception

réutilisables non officialisés

La Liste• La liste (ce n'est pas un schéma, mais un

élément de conception orientée objet)

Ce modèle est largement criticable : quels sont ses défauts?

Collection

• Gestion de collections via une classe

Ce modèle ne respecte pas les conventions UML: quels sont ses défauts?

Attribut Relation

• Définir un rôle d'une relation (binaire) par un pointeur

Maître / Esclave

• Déléguer la gestion d'une relation à une classe intermédiaire

Objet Relation

• Modéliser une relation importante par un objet (on veut ignorer la façon dont la relation est gérée)

Les 23 Patterns

Types de Patterns

• Patterns structuraux– décrivent une organisation de classes dans l'optique

"structure de données"

• Patterns de création– décrivent des approches de création déléguée d'objets

• Patterns dynamiques– décrivent une organisation de classes gérant les aspects

dynamiques d'un système

Présentation de Schémas Simples

• On débute par 7 schémas d'utilisation très répandue– Composite

– Iterator

– Command

– Adapter

– Singleton

– Factory Method

– Template Method

Composite

• Composer des structures hiérarchiques

Composite : exemples

• Toute structure de données récursive– container graphique– structure de document

(chapitre/section/paragraphe...)– container conceptuel (états composites dans

UML)

Iterator• Parcourir des conteneurs en masquant

l'implantation

Iterator

Iterator : exemples

• Toute logique de parcours de container

• Exemples nombreux en Java

• On veut enlever des structures de données toute information relative à son parcours, et ainsi permettre de faire varier les modes de parcours

Command

• Encapsuler une requête dans un objet

Command : exemples

• Command remplace les pointeurs vers fonctions dans tous les langages objet évolués.

• Command interface l'appel d'une opération via une méthode virtuelle.

• Utilisé dans les interfaces homme machine pour attacher un comportement à un objet

Function Object

• Encapsuler une fonction dans un objet (un autre nom pour "command")

FunctionObject-------------------execute(param)

ConcreteFunctionObject-------------------------------

state-------------------------------

execute(param)

(Class) Adapter

• Convertir une interface par héritage multiple

Adapter : exemples

• Toute situation où l'on veut réutiliser du code, mais pas son interface de programmation.

• Par exemple, un code ancien, ou tiers, ne respecte pas notre charte de présentation

Object Adapter (Wrapper)

• Convertir une interface par composition

Singleton

• Gérer une instance unique

Singleton : exemples

• Singleton permet de gérer la création à la demande (lazy) d'un objet unique.

• L'objet est créé au premier accès de façon invisible

• Exemples : le spooler d'impressions, le système de fichiers dans un OS

Factory Method

• Définir une interface de création, mais laisser les sous classes décider du type

Factory Method : exemples

• C'est un fragment de Abstract Factory (voir plus loin)

• C'est un exemple de "Template Method" (voir ci après)

• Utile par exemple pour créer des itérateurs. Chaque classe d'une hiérarchie de containers implante sa version de "createIterator()", qui retourne un objet du type adéquat.

Template Method• Prévoir un squelette de fonction, et

compléter par les sous classes

Template method : exemple

• La logique de création et archivage par nécessité suivante peut être définie par une super classe, et ses détails implantés par des sous classes

Object get(String name){Object o=find(name); if (o) return o;if (!canCreate(name)) return null;o = create(name);addToContainer(o);return o;

}

Autres Schémas de Création

Présentation quasi alphabétique

Schémas de Création

• Abstract Factory : – interface de création de familles d'objets de type exact inconnu

• Builder : – séparer création et représentation

• Factory Method :– interface de création spécifiée par des sous classes

• Prototype– création par clonage

• Singleton– classe à instance unique

Abstract Factory

• Interface de création de familles de produits

Abstract Factory : exemples

• Permet de changer le look and feel d'une interface en changeant le type des objets créés en changeant simplement d'object factory

• Peut aussi servir pour changer globalement les types de containers utilisés par un programme (listes ou tableaux ou hashtables) par exemple

Builder

• Séparer la construction d'un objet complexe de sa représentation

Builder : exemples

• L'exemple type est celui d'un convertisseur "à la volée" de texte formaté.– vers un autre format

– vers des formats avec perte (html -> texte seul)

• Le principe est qu'à chaque rencontre d'une unité remarquable (balise, chaîne de caractères, texte libre...) le parseur invoque le convertisseur. En changeant ce dernier, on change le format de sortie.

Prototype

• Créer des instances par clonage de prototypes

Prototype : exemples

• C'est la base de la mise en œuvre du copier/coller dans les interfaces graphiques

Autres Schémas Structuraux

Présentation alphabétique

Schémas Structuraux

• Adapter– convertir une interface en une autre pour réutilisation

• Bridge– découpler une abstraction de son implantation

• Composite– structures arborescentes

• Decorator– attachement dynamique de fonctionnalités

• Façade– interface unique sur les interfaces d'un module

• Flyweight– objets ultra légers

• Proxy– représentant local d'un objet distant

Bridge

• Découpler une abstraction de son implantation

Bridge : exemples

• On se trouve dans le cas où l'on doit maintenir en même temps une hiérarchie d'abstractions et plusieurs hiérarchies d'implantation différentes : par exemple pour réaliser des interfaces graphiques portables

• On peut aussi vouloir cacher des interfaces de programmation (C++) : cas particulier type de la classe "Handle"

Decorator

• Attacher des responsabilités dynamiquement

Decorator : exemples

• On veut attacher dynamiquement des traitements effectués de manière récursive

• Exemple : dans les interfaces graphiques, l'affichage des "décorations" : barre de saisie, ascenseurs, transparence etc...

• Autre possibilité : pour la sérialisation : ajout de balises html/xml autour du source généré par exemple.

Façade

• Interfacer un sous système par une classe façade

Facade : exemples

• Votre compilateur C++ en ligne de commande favori : permet l'invocation d'une session complète, ou du préprocesseur seul, ou du linker...

Flyweight

• Gérer des millions de pseudo objets associés à des données de base

Flyweight exemples

• Dans un éditeur de textes, faire de chaque caractère un objet.

• Dans un afficheur de signaux radars, faire de chaque signal un objet.

Proxy

• Définir un représentant local d'un objet accessible à distance

Proxy : exemples

• interface des EJB

Autres schémas dynamiques

Présentation alphabétique

Schémas Dynamiques

• Chain of Responsibility– découpler l'objet responsable d'un traitement

• Command– objet fonction

• Interpreter– représentation de la sémantique d'une grammaire

• Iterator– accès séquentiel au contenu d'un container

• Mediator– modélisation de l'interaction d'objets

• Memento– support du undo

Schémas Dynamiques

• Observer– gestion des notifications

• State– définir les états par des classes

• Strategy– définir des familles d'algorithmes interchangeables

• Template Method– définir le squelette d'un algorithme

• Visitor– permettre d'appliquer une opération aux éléments d'une structure

de données

Chain of Responsibility

• Eviter de coupler le demandeur d'une requête et son récepteur

exemples

• le système de prise en compte des événements dans le logiciel hypercard

• toute ihm ou l'on voudrait que par défaut un click s'il n'est pas traité par un bouton soit traité par un script d'un conteneur englobant, à un niveau quelconque

Interpreter

• Explorer un arbre syntaxique

Interpreter : exemples

• Utile pour la version "luxe" de "Builder". On a fait une analyse syntaxique, et on veut exploiter la structure de données hiérarchique qui a été construite pour:

• compiler

• traduire

• ...

Mediator

• Alléger le coût d'une communication nxn par un médiateur

Mediator

Mediator : exemples

• Dans une interface graphique, gérer des dépendances complexes entre des composants de saisie/visualisation

Memento

• Prévoir la restauration de l'état d'un objet (Undo)

Observer

• Définir une relation entre objets pour que chaque mise à jour soit notifiée

Observer : exemples

• Toujours dans une interface graphique par exemple, permettre la notification entre des vues multiples éditables ou non d'une même donnée.

• Par exemple feuille de calcul/diagrammes

State

• Gérer les états par une hiérarchie de classes

State : exemples

• La fonction "display" d'une icône représentant une connexion change selon l'état.

• Pour le code qui invoque display, il suffit de changer dynamiquement l'objet qui implémente l'état pour que cette particularité soit insensible

Strategy

• Varier dynamiquement les algorithmes

Strategy : exemples

• les tris ont des plages d'optimalité.

• On peut changer une foi pour toutes l'algo de tri attaché à un (itérateur de) vecteur par exemple, dès que le nombre de constituants dépasse 5

Visitor

• Explorer une structure de données hiérarchique

Visitor : exemples

• permettre l'appel d'une fonction sur des éléments d'une structure de données sans avoir à réécrire l'algo de parcours à chaque fois.

• la fonction "map" de LISP

Autres Patterns Utiles

Inversion de dépendance

• L'inversion de dépendance permet de rendre un code indépendant de ses conditions d'initialisation , et des API précises des ses données d'initialisation

• Utile dans les architectures multi couches• Exemple:

– le framework Spring:– http://www.theserverside.com/tt/articles/article.tss?

l=SpringFramework– le projet Pico (http://www.picocontainer.org/)– le projet Avalon

Inversion de Dépendance par les setters

Inversion de Dépendancepar les constructeurs

Patterns Aggrégés

Model View Controller

Model View Controller

MVC peut être vu comme une combinaison de design patterns

• Les vues sont organisées selon Composite• Le lien entre vues et modèles est l' Observer. • Les contrôleurs sont des Strategy attachées aux vues.

MVC peut mettre en jeu encore d'autres patterns:

• Le modèle est souvent un Mediator• Les arbres de vues mettent en œuvre Decorator• On a souvent besoin d' Adapter pour convertir l'interface d'un Modèle

de façon à ce qu'elle soit adaptée aux vues.• Les vues créent les contrôleurs avec FactoryMethod.

Document View Pattern

• Document View est une version simplifiée de MVC où la vue agit selon le pattern Observer, et est mise à jour en fonction de l'état du document

• (Mis en œuvre dans les MFC)

GRASP

General Responsibility Assignment Software Patterns or Principles

GRASP

• GRASP propose des guides généraux d'organisation des interfaces de programmation orientée par le concept de "responsabilité" attachée aux classes.

• Les "patterns" GRASP fournissent une canevas logique pour déployer des interfaces garantissant un niveau amélioré de réutilisabilité

Information Expert

• Ce modèle représente le plus fondamental des allocations de responsabilité:

• La responsabilité doit être attachée à la classe la plus compétente (Information Expert)

Creator

• La classe responsable de créer de nouvelles instances d'une classe C est celle qui:– agrège, contient, enregistre les instances de C– utilise les instances de C– possède l'information nécessaire pour créer les

C

Controller

• La responsabilité de traiter les événements système est déléguée à une classe non membre de l'interface utilisateur qui représente le système entier ou un scénario de cas d'utilisation

• Un contrôleur de use case doit être capable de gérer la totalité des évènements possibles d'un cas d'utilisation.

• Un contrôleur peut gérer les évènements de plusieurs scénarios si nécessaire

Low Coupling

• Le "couplage faible" renvoie aux aspects de l'organisation logicielle qui permettent:– de limiter les dépendances entre classes

– de réduire l'impact du changement sur les autres classes

– d'augmenter la réutilisabilité

• Les stratégies qui le permettent sont variées, mais reposent largement sur l'inversion de contrôle et les design patterns de séparation (bridge, builder, decorator, mediator etc...)

High Cohesion

• La "cohésion forte" est une stratégie d'organisation des classes qui vise à associer au sein d'une même classe des services fortement voisins ou reliés

Polymorphisme

• Quand des variations de fonctionnalités sont induites par le type des objets, la responsabilité de ces variations est données à des sous classes qui implantent le type, à une opération surchargée dans chaque cas par la méthode appropriée

Pure Fabrication

• Une "Pure Fabrication" est une classe ne faisant pas partie des objets métier ou technique, mais introduite pour les seuls besoins de satisfaire "low coupling et/ou high cohesion" ou tout autre besoin dicté par les GRASP

Indirection

• Utiliser un intermédiaire (pattern Mediator par exemple) pour satisfaire les impératifs de couplage faible

Protected Variations

• Protéger un ensemble logiciel des variations d'un élément en groupant ses parties instables dans une interface, dont les implantations réalisent les variations

Trois principes liés aux design et grasp patterns

Single-Responsibility Principle

• Une classe doit n'avoir qu'une seule raison de changer.

• Ce principe est une lecture du principe de "cohésion forte". La classe ne doit offrir que des services fortement reliés– on ne combine pas rémanence et fonctionnalité par

exemple

• Ce principe contredit de facto l'usage de l'héritage pour extension

Interface-Segregation Principle

• Un programme ne doit pas dépendre de méthodes qu'il n'utilise pas

• Principe également lié à la cohésion forte

• Conduit à la multiplication d'interfaces très spécifiques et petites.

Open-Closed Principle

• Un code doit être "ouvert à l'extension, mais fermé à la modification".

• En d'autres termes, tout ajout de fonctionnalité ou évolution du logiciel doit se faire de façon incrémentale, sans modifier une ligne de source existante

• Une approche de ce principe se fait par les design patterns "template method" et "strategy

Design Patterns J2EE

Les Patterns J2EE

• Java a popularisé une liste de Patterns utilisés dans la mise en œuvre d'applications à base d'EJBChaque Pattern n'est pas une collaboration au sens propre, mais le nom d'une classe, dotée de fonctionnalités particulières, et qui entre dans des interactions spécifiques avec d'autres

http://java.sun.com/blueprints/corej2eepatterns/Patterns/index.html

http://java.sun.com/blueprints/corej2eepatterns/Patterns/index.html

http://java.sun.com/blueprints/patterns/catalog.html

• Business Delegate Reduce coupling between Web and Enterprise JavaBeansTM tiers• Composite Entity Model a network of related business entities• Composite View Separately manage layout and content of multiple composed views• Data Access Object (DAO) Abstract and encapsulate data access mechanisms• Fast Lane Reader Improve read performance of tabular data• Front Controller Centralize application request processing• Intercepting Filter Pre- and post-process application requests• Model-View-Controller Decouple data, behavior, and presentation• Service Locator Simplify client access to enterprise business services• Session Facade Coordinate operations between multiple business objects in a workflow• Transfer Object Transfer business data between tiers• Value List Handler Efficiently iterate a virtual list• View Helper Simplify access to model state and data access logic

Références

• Mastering EJB 3.0– http://www.theserverside.com/tt/books/wiley/

masteringEJB3/index.tss

• EJB Design Patterns– http://www.theserverside.com/tt/books/wiley/

EJBDesignPatterns/index.tss

• L'ensemble du site est utile:– http://www.theserverside.com/

Conclusion

Les patterns fournissent un outil puissant

• de documentation de savoir-faire

• de nommage de concepts universellement utilisés

• de réutilisation pratique de modèles objet dans les projets

Autres Pseudo Patterns référencés

Casting Method

• Prédéfinir les casts

Connected Group

• Gérer collectivement les connexions

Double Checked Lockingclass Singleton {

public:

static Singleton * instance();

private:

static Singleton * self;

static SEMAPHORE key;

}

Singleton *

Singleton::instance() {

if (self == 0) {

if ( lock(key) >= 0 ) {

if (self == 0 ); //double-check!

self = new Singleton;

unlock (key);

} } }

Flexible Service• Faire d'une fonction une classe, évaluée de

manière retardée

Intelligent Children

• Eviter les down casts

Is Kind Of

• Fournir des informations de type

Multiton

class User {

public:

static const User * LogIn(const char * name,

const char * password);

protected:

virtual User * Lookup(const char *name);

private:

List<UserName> * _instances;

}

class UserName : public ListItem {

User* instance;

char* name;

}

Mutual Friends

• Représenter une relation bidirectionnelle

Named Object

Null Object

• Représenter une relation partielle

Objectifier• Permettre à un objet de faire varier

dynamiquement son comportement

RTTIVisitor

• Obtenir un cast sûr au moyen du pattern visitor

Sender Argument

• Permettre de s'identifier auprès d'autres objets par passage d'une référence

Serializer• Ecrire les objets dans des flux de données

pour les reconstruire plus tard

Timed Relationship

• Représenter une relation qui varie au cours du temps