5. Suunnittelumallit Suunnittelumallin käsite Suunnittelumallien hyötyjä Suunnittelumallien kuvaaminen Esimerkki: Rekursiokooste Antisuunnittelumallit Suunnittelumallit ja UML Mallikielet Suunnittelumallit eivät ole... Yhteenveto http://www.enteract.com/~bradapp/docs/patterns-intro.html http://www.hillside.net/patterns/ Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 1
Suunnittelumallin käsite Cristopher Alexander et al.: A Pattern Language, 1977 Cristopher Alexander: The Timeless Way of Building, 1979 Maailma koostuu toistuvista tiettyjen mallien ilmentymistä Esimerkki: Jokainen maanviljelijä osaa rakentaa ladon - miksi? Malli (pattern) on yleistä suunnitteluosaamista, joka olisi saatettava kaikkien tarvitsijoiden ulottuville Alexander: mallien käyttö johtaa hyvään laatuun Paljon käytetty eri muodoissa insinöörialoilla Erityisen hyödyllinen ajatus ohjelmistotekniikassa Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 2
Esimerkki: Ikkunat ja ovet hirsitalossa hirret painuvat kasaan Ongelma: ikkunat ja ovet ovat kiinteitä, vaikka hirsiseinä liikkuu ja painuu kasaan. Ratkaisu: ikkunoiden ja ovien karmeja ei kiinnitetä suoraan seinään, vaan "karaan", joka liikkuu vapaasti hirsiin tehdyssä urassa. Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 3
Mikä on suunnittelumalli? Suunnittelumalli Yleinen ratkaisu usein esiintyvään arkkitehtuuritai suunnitteluongelmaan tietyssä yhteydessä. Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 4
Selitystä Yleinen ratkaisu... ei liity tiettyyn kieleen tai teknologiaan, kuvataan yleisellä tavalla... usein esiintyvään... täytyy olla käytännön validoima (esim. GoF: 3 esimerkkiä)... arkkitehtuuri- tai suunnitteluongelmaan... sovelletaan ohjelmistotekniikassa arkkitehtuurin ja yksityiskohtaisen suunnittelun tasolla... tietyssä yhteydessä. ongelma esiintyy yhteydessä, josta seuraa erilaisia vaatimuksia ja voimia Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 5
Suunnittelumallien hyötyjä Suunnittelumallit... tuovat piilossa olevan suunnittelutietämyksen kaikkien saataville; auttavat järjestelmän dokumentoinnissa; antavat uuden korkeamman tason toteutusvälineen; toimivat arkkitehtuurin rakennuspalikoina; antavat suunnittelijoille yhteisen sanaston. Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 6
Suunnittelumallin kuvaus Keskeiset osat: Nimi Konteksti Ongelma Ratkaisu Seuraukset Kuvaava ytimekäs nimi, tulee osaksi yhteistä sanastoa Lähtötilanne Ongelman ja siihen vaikuttavien tekijöiden kuvaus, oletukset, esimerkki Luokkien ja olioiden organisointi ongelman ratkaisemiseksi (esim. käyttäen UML:ää) Lopputilanne, ratkaisun edut ja haitat Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 7
"Gang of Four kirja, GoF: GoF:in kuvausformaatti Gamma E., Helm R., Johnson R., Vlissides J.: Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison-Wesley 1995. Name (and category) Intent Also known as Motivation Applicability Structure Participants Collaborations Consequences Implementation Sample code Known uses Related patterns Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 8
Esimerkki suunnittelumallista: Rekursiokooste Ongelma: Käyttäjä tee joku operaatio lehtiolioille Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 9
Rekursiokooste (Composite) suunnittelumalli Nimi: Rekursiokooste Konteksti: Hierakkinen oliokokoelma, jonka (lehti)olioille halutaan tehdä jokin operaatio. Ongelma: Kuinka hallita hierarkkisesti järjestettyä oliokokoelmaa niin, että kokoelman käyttäjän ei tarvitse tuntea rakenteen organisointitapaa? Ratkaisu: Item operation() * children Leaf operation() Composite operation() For all children c: c.operation() Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 10
Rekursiokooste (jatkuu) Seuraukset: Hierarkiarakenne ei näy käyttäjän koodissa Käyttäjän koodi yksinkertaistuu Rakenteeseen on helppo lisätä uusia kooste- ja lehtiluokkia (ei näy käyttäjälle) Pieni tehokkuusrasite kutsun siirtämisen takia Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 11
Esimerkki soveltamisesta SourceManager <<interface>> Source delete() print() * children File delete() print() Folder delete() print() add(source) For all children c: c.delete(); Delete folder Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 12
Antisuunnittelumallit Ongelma Suunnittelumalli Hyvä ratkaisu Seuraukset Antisuunnittelumalli Huono ratkaisu Oireet Muokkaus Antisuunnittelumalli = huono ratkaisu + hyvä ratkaisu Suunnittelumalli = ongelma + ratkaisu Brown W.J. et al.: Antipatterns - Refactoring Software, Architectures, and Projects in Crisis. Wiley 1998. Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 13
Dokumentoituja antisuunnittelumalleja The Blob Lava flow Golden Hammer Spaghetti Code Cut-and-Paste Programming http://www.antipatterns.com/dev_cat.htm Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 14
Antisuunnittelumallien oireita Huono ylläpidettävyys Huono uudelleenkäytettävyys Huono laajennettavuus Vaikeasti ymmärrettävä Tehottomuus Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 15
Mitä huonoja ratkaisutapoja olet tunnistanut oliojärjestelmissä? Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 16
Suunnittelumallit ja UML: Kollaboraatiosymboli Item Composite SourceManager Source delete() print() * Leaf children Composite File delete() print() Folder delete() print() add(source) For all children c: c.delete(); Delete folder Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 17
Suunnittelumallit ja UML: Esimerkki EventSource register(statemachine) * informs * StateMachine run(state) handle(event) 1 Singleton State Observer 1 Event source(): Object current.exit(); current = current.transit(e); current.entry(); uses 0..1 current State transit(event): State entry() exit() Event1 source(): Object Event2 source(): Object StateA transit(event): State entry() exit() StateB transit(event): State entry() exit() Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 18
Suunnittelumallit ja UML: Stereotyypit SourceManager <<Composite:Item>> Source delete() print() * children <<Composite:Leaf>> File delete() print() <<Composite:Composite>> Folder delete() print() add(source) For all children c: c.delete(); Delete folder Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 19
Mallikielet Suunnittelumallikieli: Systemaattisesti organisoitu kokoelma suunnittelumalleja, jotka kattavat jonkin ongelma-alueen keskeiset ratkaisut. Systemaattisesti organisoitu: mallit liittyvät toisiinsa joillakin suhteilla (esim. hierarkkinen, verkko), jotka auttavat valitsemaan sopivat mallit sopivassa järjestyksessä. => Kieltä voidaan soveltaa kokonaisuutena, ideaalisti se generoi järjestelmän arkkitehtuurin Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 20
Mallikielen organisointitapoja Hierarkkinen rakenne: Käytä ensin mallia A, sen jälkeen mallia B tai C osaongelmien ratkaisuun, jos käytät B:tä, käytä sen jälkeen mallia D tai E jne. Mallit koskevat ko. kohteen pienempiä ja pienempiä osia. Malli B Malli A Malli C Alexanderin mallikieli Malli D Malli E Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 21
Mallikielen organisointitapoja Verkkorakenne: Malli A Malli E Jos olet käyttänyt mallia C, on mahdollista, että mallit A ja D ja E saattaisivat auttaa jonkin C:stä seuraavan ongelman ratkaisussa. Mallin C soveltaminen luo kontekstin Malleille A, D ja E. Malli B Malli D Malli C Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 22
Esimerkki: Mallikieli koneenohjausjärjestelmille Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 23
Mallikielen organisointitapoja Yleistysrakenne: Malli A on abstrakti kuvaus ratkaisusta, joka voidaan tarkemmin toteuttaa tavalla B tai tavalla C. Malli A Malli B Malli C Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 24
Mallikielen organisointitapoja Implisiittinen rakenne: Malli A pre post Kullekin mallille annetaan esija jälkikonteksti: missä tilanteessa mallia voidaan soveltaa, ja mihin tilanteeseen malli jättää arkkitehtuurin. Jos mallin A jälkikonteksti vastaa mallin B esikontekstia, voi B:tä soveltaa A:n jälkeen = pre Malli B post Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 25
Mallikielen organisointitapoja Sovellusalueen mukainen rakenne, esimerkiksi domainmalliin perustuen Helpottaa kysymystä: mitä mallia voisi tietyssä tilanteessa soveltaa? Antaa viitteitä puuttuvista malleista Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 26
Suunnittelumallit eivät ole yleinen lääke ohjelmiston laadun parantamiseen; ongelmattomia: arkkitehtuurin monimutkaistuminen mahdollinen ongelman yliratkaisu (overkill) tehokkuushäviö: runsaasti dynaamista sidontaa ja kutsun siirtämistä olion identiteetti hämärtyy: olioskitsofrenia tarvitsevat hyvän dokumentoinnin järjestelmässä Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 27
Yhteenvetoa Suunnittelumallit antavat hyväksi havaittuja ratkaisuja yleisiin suunnitteluongelmiin Käytä suunnittelumallia vasta kun ongelma on selvästi ymmärretty Suunnittelumallit ovat kokemusperäistä tietoa, eivät innovaatioita Suunnittelumallit organisoidaan mallikieleksi käytön helpottamiseksi Ohjelmistoarkkitehtuurit Syksy 2009 TTY Ohjelmistotekniikka 28