Návrhové vzory. Poznámky k prednáškam z predmetu Objektovo-orientované programovanie. Valentino Vranić.

Transcription

1 Návrhové vzory Poznámky k prednáškam z predmetu Objektovo-orientované programovanie Valentino Vranić vranic@stuba.sk Ústav informatiky a softvérového inžinierstva Fakulta informatiky a informačných technológií Slovenská technická univerzita v Bratislave 29. február 2016

2 OBSAH i Obsah 1 Pojem návrhového vzoru 1 2 Visitor 1 3 Observer 5 4 Strategy 7 5 Composite 8

3 1 POJEM NÁVRHOVÉHO VZORU 1 1 Pojem návrhového vzoru Vysvetlenie pojmu návrhového vzoru v kontexte hry o obroch a rytieroch rozvíjanej na prednáškách Meč je nástroj oberania obra o energiu v rukách rytiera Jeho účinnosť závisí od jeho druhu, ale aj od druhu rytiera, ktorý ním narába Ako toto zabezpečiť? Na jednej strane bolo potrebné umožniť pridávanie nových druhov meču Na druhej strane bolo nežiaduce preto vždy upravovať triedy reperezentujúcich rytierov Toto sú protichodné sily Opakovane sa vyskytujú v kontexte zabezpčenia rozšíriteľnosti triedy o nové operácie Ich rozriešenie predstavuje vzor (pattern) Presnejšie: návrhový vzor (design pattern) vzor na úrovni návrhu (design), t.j. použiteľný v programovacich jazykoch určitého typu Vzor: kontext problém riešenie Each pattern is a three-part rule, which expresses a relation between a certain context, a problem, and a solution. As an element in the world, each pattern is a relationship between a certain context, a certain system of forces which occurs repeatedly in that context, and a certain spatial configuration which allows these forces to resolve themselves. As an element of language, a pattern is an instruction, which shows how this spatial configuration can be used, over and over again, to resolve the given system of forces, wherever the context makes it relevant. Each pattern is a three-part rule, which expresses a relation between a certain context, a certain system of forces which occurs repeatedly in that context, and a certain software configuration which allows these forces to resolve themselves. Christopher Alexander, The Timless Way of Building 2 Visitor Visitor: pridávanie operácií k objektom určitých tried bez toho, aby ich bolo potrebné meniť Návrhový vzor Visitor umožňuje pridávanie operácií k objektom určitých tried bez toho, aby ich bolo potrebné meniť Spoločné operácie pre typy, ktoré nie sú vo vzťahu dedenia Vhodný, ak tieto operácie nesúvisia priamo s triedami, nad ktorými operujú Zabraňuje sa tak znečisteniu kódu Operácie, ktoré súvisia navzájom, budú v jednej triede Vhodný pri potrebe častého pridávania operácií

4 2 VISITOR 2 Štruktúra vzoru Visitor Podľa Poznámka k štruktúre vzorov Len jeden pohľad na vzor Ide skôr o príklad štruktúry ako o absolútne platnú štruktúru 1 Podobne je to s implementáciou Visitor a double dispatch Polymorfizmus prekonávaním metód: dynamické viazanie + dedenie Viacnásobný polymorfizmus; multimetódy v jazyku CLOS Vzor Visitor využíva idióm double dispatch pri operácii accept() Najprv sa dynamicky rozhodne o metóde accept() na základe skutočného typu elementu (Element) Následne sa v metóde accept() dynamicky rozhodne o metóde visit() na základe skutočného typu návštevníka (Visitor) Príklad použitia vzoru Visitor Pripomeňme si príklad z prednášky o mechanizmoch OOP, ktorý bol použitý na predvedenie idiómu double dispatch v Jave je Visitor realizovaný práve pomocou tohto idiómu Predstavme si, že pracujeme s položkami, ktoré treba zobrazovať na rôznych zariadeniach Jestvujú rôzne typy položiek pre nás slová a zoznamy Položky sa zobrazujú na rôznych typoch zobrazovacích zariadení pre nás to budú horizontálny zobrazovač a vertikálny zobrazovač, ale treba počítať s tým, že pribudnú ďalšie 1

5 2 VISITOR 3 Môžu pribudnúť aj ďalšie typy položiek, ale to je menej pravdepodobné a nie je stredobodom nášho záujmu Položky public interface DItem { // rozhranie Element void display(ddevice d); // prijatie návštevníka public class WordItem implements DItem { String word; public WordItem(String s) { word = s; public void display(ddevice d) { d.write(this); public class ListItem implements DItem { List<String> list; public ListItem(List<String> l) { list = l; public void display(ddevice d) { d.write(this); Zariadenia public interface DDevice { // rozhranie Visitor void write(worditem item); void write(listitem item); public class HorDevice implements DDevice { public void write(worditem item) { // navštívenie WordItem for(int i = 0; i < item.word.length(); i++) System.out.print(item.word.charAt(i)); public void write(listitem item) { // navštívenie ListItem for(int i = 0; i < item.list.size(); i++) { System.out.print(item.list.get(i)); System.out.print(, ); public class VerDevice implements DDevice { public void write(worditem item) { // navštívenie WordItem for(int i = 0; i < item.word.length(); i++) System.out.println(item.word.charAt(i)); public void write(listitem item) { // navštívenie ListItem for(int i = 0; i < item.list.size(); i++) { System.out.print(item.list.get(i)); System.out.println(, );

6 2 VISITOR 4 Použitie public class M { public static void main(string[] args) { List<String> list = new ArrayList<>(); list.add( a ); list.add( b ); list.add( c ); DItem[] item = {new WordItem( visit ), new ListItem(list); DDevice[] device = {new HorDevice(), new VerDevice(); Výstup visit v i s i t a, b, c, a, b, c, for (DItem it : item) for (DDevice dev : device) { it.display(dev); System.out.println( ); Visitor a double dispatch Polymorfizmus prekonávaním metód: dynamické viazanie + dedenie Viacnásobný polymorfizmus; multimetódy v jazyku CLOS Vzor Visitor využíva idióm double dispatch pri operácii accept() Najprv sa dynamicky rozhodne o metóde display() na základe skutočného typu položky Následne sa v metóde display() dynamicky rozhodne o metóde write() na základe skutočného typu zariadenia Metóda accept() a double dispatch Výber metódy závisí od typu dvoch príjemcov DItem[] item; // Element DDevice[] device; // Visitor... it.display(dev); // element.accept(visitor) Metóda accept() public void accept(visitor v) { v.visit(this);

7 3 OBSERVER 5 3 Observer Observer: pozorovacie objekty majú byť upovedomené o zmene stavu pozorovaného objektu, a má ich byť možné pridávať bez potreby upravovať pozorovaný objekt Návrhový vzor Observer definuje závislosť stavu viacerých objektov od ďalšieho objektu Potrebné je zabezpečiť, aby tieto pozorovacie objekty boli upovedomené o zmene stavu pozorovaného objektu a aby ich bolo možné pridávať bez potreby upravovať pozorovaný objekt Vhodný, ak treba oddeliť dva vzájomne závislé aspekty Vhodný, ak zmena v jednom objekte vyžaduje zmeny v iných objektoch, ktorých počet a presný typ nie je známy Štruktúra vzoru Observer Príklad použitia vzoru Observer Teplotné senzory Rôzne spôsoby zobrazenia teploty: digitálny, analógový, rozsahový... Senzor a zobrazenie public interface TempDisplay { // rozhranie Observer void refresh(); // aktualizácia pozorovateľa public interface TempSensor { // rozhranie Element void adddisplay(tempdisplay d); // pripoj pozorovateľa void removedisplay(tempdisplay d); // odpoj pozorovateľa void notifydisplays(); // pošli notifikáciu pozorovateľovi double readtemp(); public void measuretemp(); Senzor teploty ľudského tela public class HumanTempSensor implements TempSensor { private List<TempDisplay> displays = new ArrayList<>(); private double temp;

8 3 OBSERVER 6 public double refreshrate; public double readtemp() { return temp; public void measuretemp() { //... zistí teplotu z fyzickej jednotky notifydisplays(); // a pošle notifikáciu displejom public void settempdebug(double t) { temp = t; public void adddisplay(tempdisplay d) { displays.add(d); public void removedisplay(tempdisplay d) { /... / public void notifydisplays() { for (TempDisplay dis : displays) { dis.refresh(); Digitálne zobrazenie public class DigitalTemp implements TempDisplay { private HumanTempSensor sensor; private float temp; public DigitalTemp(HumanTempSensor s) { sensor = s; public void refresh() { temp = (float)sensor.readtemp(); public void display() { // len dve desatinné miesta System.out.println(Math.round(temp 100.0) / 100.0); public void measuretemp() { sensor.measuretemp(); Rozsahové zobrazenie // vymenovaný typ časť 10.7 v OJA public enum TempRange { LOW, NORMAL, HIGH public class RelTemp implements TempDisplay { private HumanTempSensor sensor; TempRange range; double high = 37.0; double low = 35.0; public RelTemp(HumanTempSensor s) { sensor = s; Rozsahové zobrazenie (2) public void refresh() { double temp = sensor.readtemp(); if (temp <= low) range = TempRange.LOW; else if (temp >= high)

9 4 STRATEGY 7 range = TempRange.HIGH; else range = TempRange.NORMAL; Rozsahové zobrazenie (3) public void display() { switch (range) { case LOW: System.out.println( LOW ); break; case HIGH: System.out.println( HIGH ); break; default: System.out.println( NORMAL ); public void measuretemp() { sensor.measuretemp(); // class RelTemp Použitie public class M { public static void main(string[] args) { HumanTempSensor s = new HumanTempSensor(); DigitalTemp d1 = new DigitalTemp(s); s.adddisplay(d1); RelTemp d2 = new RelTemp(s); s.adddisplay(d2); s.settempdebug( ); s.notifydisplays(); d1.display(); // d2.display(); // HIGH Observer v Java API Java API obsahuje predprípravu na použitie vzoru Observer 2 Trieda Observable jej rozšírením vytvárate vlastné pozorované objekty Rozhranie Observer pozorovatelia ho musia implementovať 4 Strategy Strategy (Policy): jestvujú (a môžu pribúdať) rôzne stratégie riešenia daného problému, a kontext ich uplatnenia má na to byť pripravený V danom kontexte potrebujeme rôzne stratégie riešenia toho istého problému napr. rôzne algoritmy 2 Viac informácií o použití na

10 5 COMPOSITE 8 Riešením je vzor Strategy (známy aj ako Policy): Strategy definuje rozhranie spoločné pre všetky stratégie riešenia ConcreteStrategy predstavuje konkrétnu stratégiu riešenia (je ich viac) Context upravuje svoje správanie podľa poskytnutej konkrétnej stratégie Strategy príklad public class Sifrovac { private Sifra sifra; public Sifrovac(Sifra sifra) { this.sifra = sifra; public void sifrujtext(string text) { for(int i = 0; i < text.length(); i++) text.charat(i) = sifra.sifruj(text.charat(i)); public interface Sifra { char sifruj(char c); public class SifraA implements Sifra { public char sifruj(char c) {... public class SifraB implements Sifra { public char sifruj(char c) {... 5 Composite Composite: prvky môžu byť kompozitné a atomické, a prístup k ním má byť jednotný Návrhový vzor Composite umožňuje tvorbu stromových hierarchií časť celok spôsobom transparentným pre klienta Vhodný, ak treba umožniť jednotný prístup k atomickým a kompozitným prvkom

11 5 COMPOSITE 9 Štruktúra vzoru Composite Client «interface» Component operation() * Leaf +operation() Composite +operation() +add(component : Component) +remove(component : Component) +getchild(i : Integer) Composite príklad Modelujeme virtuálne mesto Mesto sa skladá z častí Časti sa skladajú z ďalších častí a jednotlivých budov O každej časti a budove evidujeme nejaké informácie, a tie sa majú dať vypísať súhrnne pre celé mesto public interface Cast { void info(); public class CastMesta implements Cast { List<Cast> casti; public void pridajcast(cast cast) {... public void odstrancast(cast cast) {... public void odstrancast(int i) {... public void info() {... \\ vypis informacií o časti mesta \\ výpis informácií o všetkých častiach a budovách tejto časti mesta for (Cast e : casti) e.info(); public class Budova implements Cast {... \\ atributy s informaciami o budove public void info() {... \\ výpis informacií o budove... \\ použitie: mesto vytvoríme ako akúkoľvek inú časť Cast mesto = new Cast();

12 5 COMPOSITE 10 \\ vytvoríme a do mesta pridáme jeho časti a budovy Cast c = new CastMesta(); c.pridajcast(new Budova());... mesto.pridajcast(c);... \\ výpis všetkých informácií o meste je jednoduchý mesto.info(); Sumarizácia Vzory vo vývoji softvéru Návrhové vzory špeciálne GoF návrhové vzory Vzor Visitor a vzory, z ktorých pozostáva vzor MVC: Observer, Strategy a Composite 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 Christopher Alexander 3 3 E. Gamma et al. Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Design. Addison Wesley, 1995.