Thiết kế mẫu (Design Pattern)

Trong phát triển phần mềm hiện đại, kiến trúc tổng thể của dự án đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt với bộ khung (framework) và mẫu thiết kế (design pattern). Bài viết này sẽ giúp các bạn hiểu được một cách tổng quan về pattern cũng như cách thức thiết kế một số pattern tiêu biểu.

PATTERN là gì?

Pattern mô tả một giải pháp chung đối với một vấn đề nào đó trong thiết kế thường được “lặp lại” trong nhiều dự án. Nói một cách khác, một pattern có thể được xem như một “khuôn mẫu” có sẵn áp dụng được cho nhiều tình huống khác nhau để giải quyết một vấn đề cụ thể. Trong bất kỳ hệ thống phần mềm hướng đối tượng nào chúng ta cũng có thể bắt gặp các vấn đề lặp lại.

Đặc điểm chung:

• Pattern được hiểu theo nghĩa tái sử dụng ý tưởng hơn là mã lệnh.

Pattern cho phép các nhà thiết kế có thể cùng ngồi lại với nhau và cùng giải quyết một vấn đề nào đó mà không phải mất nhiều thời gian tranh cãi. Trong rất nhiều trường hợp, dự án phần mềm thất bại là do các nhà phát triển không có được sự hiểu biết chung trong các vấn đề về kiến trúc phần mềm. Ngoài ra, pattern cũng cung cấp những thuật ngữ và khái niệm chung trong thiết kế. Nói một cách đơn giản, khi đề cập đến một pattern nào đấy, bất kỳ ai biết pattern đó đều có thể nhanh chóng hình dung ra “bức tranh” của giải pháp. Và cuối cùng, nếu áp dụng pattern hiệu quả thì việc bảo trì phần mềm cũng được tiến hành thuận lợi hơn, nắm bắt kiến trúc hệ thống nhanh hơn.

• Pattern hỗ trợ tái sử dụng kiến trúc và mô hình thiết kế phần mềm theo quy mô lớn.

Cần phân biệt design pattern với framework. Framework hỗ trợ tái sử dụng mô hình thiết kế và mã nguồn ở mức chi tiết hơn. Trong khi đó, design pattern được vận dụng ở mức tổng quát hơn, giúp các nhà phát triển hình dung và ghi nhận các cấu trúc tĩnh và động cũng như quan hệ tương tác giữa các giải pháp trong quá trình thiết kế ứng dụng đối với một chuyên khu riêng biệt.

• Pattern đa tương thích. Pattern không phụ thuộc vào ngôn ngữ lập trình, công nghệ hoặc các nền tảng lớn như J2EE của Sun hay Microsoft .NET Framework.

Tiềm năng ứng dụng của pattern là rất lớn. Các thiết kế dựa trên pattern được sử dụng khá nhiều ở các phần mềm mã nguồn mở, trong nền tảng J2EE hoặc .NET… Trong các dạng ứng dụng này, có thể dễ dàng nhận ra một số tên lớp chứa các tiền tố hoặc hậu tố như Factory, Proxy, Adapter…

Phân loại pattern

Pattern được phân loại ra làm 3 nhóm chính sau đây:

• Nhóm cấu thành (Creational Pattern): Gồm Factory, Abstract Factory, Singleton, Prototype, Builder… Liên quan đến quá trình khởi tạo đối tượng cụ thể từ một định nghĩa trừu tượng (abstract class, interface).

• Nhóm cấu trúc tĩnh (Structural Pattern):

Gồm Proxy, Adapter, Wrapper, Bridge, Facade, Flyweight, Visitor… Liên quan đến vấn đề làm thế nào để các lớp và đối tượng kết hợp với nhau tạo thành các cấu trúc lớn hơn.

• Nhóm tương tác động (Behavioral Pattern):

Gồm Observer, State, Command, Iterator… Mô tả cách thức để các lớp hoặc đối tượng có thể giao tiếp với nhau.

Trong phần này ta sẽ tìm hiểu về các mẫu thiết kế trong nhóm mẫu kiến tạo (Creational Pattern).Mẫu kiến tạo (Creational Pattern)

Những mẫu này hỗ trợ cho một trong những nhiệm vụ của lập trình hướng đối tượng – khởi tạo đối tượng trong hệ thống. Hầu hết các hệ thống hướng đối tượng phức tạp yêu cầu nhiều đối tượng được thể hiện theo thời gian, và các mẫu này hỗ trợ cho việc tạo các tiến trình bằng việc cung cấp các khả năng:

– Sự thể hiện chung – Điều này cho phép các đối tượng được tạo ra trong hệ thống không cần phải định nghĩa một đặc tả kiểu lớp trong mã nguồn

– Đơn giản – Một vài mẫu làm cho việc khởi tạo đối tượng trở nên dễ dàng, vì vậy lớp “gọi” khởi tạo đối tượng không phải viết mã nhiều cũng như phức tạp.

Abstract Factory Method Pattern

Ý nghĩa

Đóng gói một nhóm những lớp đóng vai trò “sản xuất” (Factory) trong ứng dụng, đây là những lớp được dùng để tạo lập các đối tượng. Các lớp sản xuất này có chung một giao diện lập trình được kế thừa từ một lớp cha thuần ảo gọi là “lớp sản xuất ảo”.

Cấu trúc mẫu

Trong đó:

+ AbstractFactory: là lớp trừu tượng, tạo ra các đối tượng thuộc 2 lớp trừu tượng là: AbstractProductA và AbstractProductB

+ ConcreteFactoryX: là lớp kế thừa từ AbstractFatory, lớp này sẽ tạo ra một đối tượng cụ thể.

+ AbstractProduct: là các lớp trừu tượng, các đối tượng cụ thể sẽ là các thể hiện của các lớp dẫn xuất từ lớp này.- Tình huống áp dụng

+ Phía trình khách sẽ không phụ thuộc vào việc những sản phẩm được tạo ra như thế nào.

+ Ứng dụng sẽ được cấu hình với một hoặc nhiều họ sản phẩm.

+ Các đối tượng cần phải được tạo ra như một tập hợp để có thể tương thích với nhau.

+ Chúng ta muốn cung cấp một tập các lớp và chúng ta muốn thể hiện các ràng buộc, các mối quan hệ giữa chúng mà không phải là các thực thi của chúng(interface).Ví dụ 6.1

Giả sử ta cần viết một ứng dụng quản lý địa chỉ và số điện thoại cho các quốc gia trên thế giới. Điạ chỉ và số địa thoại của mỗi quốc gia sẽ có 1 số điểm giống nhau và 1 số điểm khác nhau. Ta xây dựng sơ đồ lớp như sau:


Ta sẽ xây dựng các phương thức tạo Address, và PhoneNumber cụ thể trong các lớp USAAddressPhoneFactory, FrechAddressPhoneFactory.

Với phương thực createProductAddress() của lớp AAddressPhoneFactory sẽ trả về đối tượng của lớp USAAddress.

Với phương thực createProductAddress() của lớp FrechAddressPhoneFactory sẽ trả về đối tượng của lớp FrechAddressTương tự với PhoneNumber.

AddressFactory.java

public interface AddressFactory {

public Address createAddress();

public PhoneNumber createPhoneNumber();

}

Address.java

public abstract class Address {

private String street;

private String city;

private String region;

private String postalCode;

public static final String EOL_STRING =

System.getProperty(“line.separator”);

public static final String SPACE = ” “;

public String getStreet() {

return street; }

public String getCity() {

return city; }

public String getPostalCode() {

return postalCode; }

public String getRegion() {

return region; }

public abstract String getCountry();

public String getFullAddress() {

return street + EOL_STRING + city + SPACE + postalCode + EOL_STRING; }

public void setStreet(String newStreet) {

street = newStreet; }

public void setCity(String newCity) {

city = newCity; }

public void setRegion(String newRegion) {

region = newRegion; }

public void setPostalCode(String newPostalCode) {

postalCode = newPostalCode; }

}

USAddressFactory.java

public class USAddressFactory implements AddressFactory{

public Address createAddress(){

return new USAddress(); }

public PhoneNumber createPhoneNumber(){

return new USPhoneNumber();

}

}

USAddress.java

public class USAddress extends Address{

private static final String COUNTRY = “UNITED STATES”;

private static final String COMMA = “,”;

public String getCountry(){

return COUNTRY;

}

public String getFullAddress(){

return getStreet() + EOL_STRING + getCity() + COMMA + SPACE + getRegion() + SPACE + getPostalCode() + EOL_STRING + COUNTRY + EOL_STRING;

}

}

Tương tự cho lớp PhoneNumber và USAPhoneNumber

Builder Pattern

Ý nghĩa

Phân tách những khởi tạo các thành phần của một đối tượng phức hợp, để có thể cùng một khởi tạo mà có thể tạo nên nhiều định dạng khác nhau.

– Cấu trúc mẫu

Trong đó:

+ Director: là lớp điều khiển tạo ra một đối tượng Product.

+ Builder: là lớp trừu tượng cho phép tạo ra đối tượng Product từ các phương thức nhỏ khởi tạo từng thành phần của Product

+ ConcreteBuilder: là lớp dẫn xuất của Builder, khởi tạo từng đối tượng cụ thể, lớp này sẽ khởi tạo đối tượng.

– Tình huống áp dụng

+ Có cấu trúc bên trong phức tạp (đặc biệt là một biến là một tập các đối tượng liên quan với nhau).

+ Có các thuộc tính phụ thuộc vào các thuộc tính kháco Sử dụng các đối tượng khác trong hệ thống mà có thể khó khởi tạo hoặc khởi tạo phức tạp.

– Ví dụ 6.2

Ta lại xét đối tượng Address, có các thành phần sau: Street, City và Region. Ta phân tách việc khởi tạo 1 đối tượng Address thành các phần : buildStreet, buildCity và buildRegion.

Trong đó:

+ AddressDirector: là lớp tạo ra đối tượng Address.

+ AddressBuilder: là lớp trừu tượng cho phép tạo ra 1 đối tượng Address bằng các phương thức khởi tạo từng thành phần của Addresso USAddressBuilder: là lớp tạo ra các Address. USAddressBuilder sẽ tạo ra địa chỉ theo chuẩn của USA.

Address.java

class Address(){

private String street;

private String city;

private String region;

/**

* @return the city

*/

public String getCity() {

return city;

}

/**

* @param city the city to set

*/

public void setCity(String city) {

this.city = city;

}

/**

* @return the region

*/

public String getRegion() {

return region;

}

/**

* @param region the region to set

*/

public void setRegion(String region) {

this.region = region;

}

/**

* @return the street

*/

public String getStreet() {

return street;

}

/** @param street the street to set **/

public void setStreet(String street) {

this.street = street;

}

}

AddressBuilder.java

abstract class AddressBuilder{

abstract public void buildStreet(String street){}

abstract public void buildCity(String city){}

abstract public void buildRegion(String region){}

}

USAddressBuilder.java

class USAddressBuilder extends AddressBuilder {

private Address add;

public void buildStreet(String street){

add.setStreet(street);

}

public void buildCity(String city){

add.setCity(city);

}

public void buildRegion(String region){

add.setRegion(region);

}

public Address getAddress(){

return add;

} }

AddressDirector.java

class AddressDirector{

public void Contruct(AddressBuilder builder, String street, String city, String region){

builder.buildStreet(street);

builder.buildCity(city);

builder.buildRegion(region);

}

}

Client.java

class Client{

AddressDirector director = new AddressDirector();

USAddressBuilder b = new USAddressBuilder();

director.Contruct(b. “Street 01”, “City 01”, “Region 01”);

Address add = b.getAddress();

}

Chúng ta quy ước với nhau rằng “giao diện lớp” được hiểu như interface hoặc abstract class vì đây đơn thuần là các định nghĩa lớp.

Factory pattern

Định nghĩa

Factory Pattern định nghĩa một lớp (interface, abstract, class) đóng vai trò như một “nhà xưởng” có nhiệm vụ khởi tạo đối tượng “cụ thể” khi ứng dụng chạy. Tại thời điểm thiết kế đối tượng này được định nghĩa trừu tượng.

– Ý nghĩa

Định nghĩa một phương thức chuẩn để khởi tạo đối tượng, như là một phần của phương thức tạo, nhưng việc quyết định kiểu đối tượng nào được tạo ra thì phụ thuộc vào các lớp con. – Cấu trúc mẫu

Trong đó:

+ Creator là lớp trừu tượng, khai báo phương thức factoryMethod() nhưng không cài đặt.

+ Product cũng là lớp trừu tượng.

+ ConcreteCreatorA và ConcreteCreatorB là 2 lớp kế thừa từ lớp Creator để tạo ra các đối tượng riêng biệt.

+ ConcreteProductA và ConcreteProductB là các lớp kế thừa của lớp Product, các đối tượng của 2 lớp này sẽ do 2 lớp ConcreteCreatorA và ConcreteCreatorB tạo ra.- Tình huống áp dụng

+ Khi bạn muốn tạo ra một framework có thể mở rộng, có nghĩa là nó cho phép tính mềm dẻo trong một số quyết định như chỉ ra loại đối tượng nào được tạo ra.

+ Khi bạn muốn 1 lớp con, mở rộng từ 1 lớp cha, quyết định lại đối tượng được khởi tạo.

+ Khi bạn biết khi nào thì khởi tạo một đối tượng nhưng không biết loại đối tượng nào được khởi tạo.

+ Bạn cần một vài khai báo chồng phương thức tạo với danh sách các tham số như nhau, điều mà Java không cho phép. Thay vì điều đó ta sử dụng các Factory Method với các tên khác nhau.- Ví dụ 6.3

Ta xét lại ví dụ về các địa chỉ ở phần Abstract Pattern


Phân loại

Factory Pattern được thiết kế theo một trong hai cách sau đây:

– Based-class Factory Pattern: Mẫu này sử dụng tính chất thừa kế để phân loại các đối tượng được tạo ra.

– Based-object Factory Pattern: Sử dụng mối quan hệ kết hợp để tham chiếu tới một đối tượng sẽ được tạo ra. Đối tượng được tạo ra sẽ trở thành một phần hay thuộc tính của lớp Factory. Chúng ta thường hay gặp loại này trong Abstract Factory Pattern được trình bày ở phần tiếp theo.

Abstract factory pattern

Định nghĩa

Abstract Factory cung cấp một giao diện lớp có chức năng tạo ra một tập hợp các đối tượng liên quan hoặc phụ thuộc lẫn nhau mà không chỉ ra đó là những lớp cụ thể nào tại thời điểm thiết kế.

Về bản chất, Abstract Factory Pattern chỉ khác Factory Pattern ở chỗ bản thân đối tượng Factory không được chỉ ra cụ thể tại thời điểm thiết kế, tức nó là một giao diện hoặc lớp trừu tượng (interface, abstract). Nếu như Factory Patttern phân loại đối tượng dựa trên tham số đầu vào thì đối với Abstract Factory Pattern, thủ tục createObject() còn phụ thuộc thêm vào các yếu tố phụ khác như môi trường hệ điều hành chẳng hạn. Ứng với mỗi yếu tố phụ thứ hai ta có một lớp Factory cụ thể.

Thiết kế động với Abstract Factory

Một trong những vấn đề gặp phải là khung giao diện Abstract Factory thường hay bị sửa đổi, thí dụ như bổ sung thủ tục chẳng hạn, khi đó các lớp cụ thể thực thi giao diện này sẽ phải được dịch và triển khai lại. Để giảm nhẹ vấn đề này người ta thường thiết kế giao diện Abstract Factory một cách linh động.

Singleton pattern (Static Factory Pattern)

Định nghĩa

Singleton Pattern đảm bảo một lớp chỉ có một thực thể (instance) duy nhất được tạo ra và đồng thời cung cấp một truy cập toàn cục đến đối tượng được tạo ra.

Chúng ta xét trường hợp có nhiều đối tượng có cùng chung một số tính chất nào đó được tạo ra ứng với mỗi một yêu cầu từ các đối tượng khách (client), lúc này độ phức tạp sẽ tăng lên và ứng dụng sẽ chiếm dụng nhiều vùng nhớ hơn. Singleton Pattern là một giải pháp đặc biệt của Factory Pattern ở chỗ đối tượng sinh ra là điểm truy cập toàn cục “duy nhất” đối với mọi chương trình gọi đến, hay nói một cách khác tất cả các đối tượng khách gọi đến đều chia sẻ đối tượng được tạo ra.

Ứng dụng rõ rệt nhất của Singleton Pattern có thể thấy trong dịch vụ web khi triệu gọi các đối tượng từ xa, ở đó đối tượng nằm trên server hoặc sẽ phục vụ chung cho tất cả các ứng dụng khách (singleton) hoặc sẽ chỉ đáp ứng một ứng dụng khách riêng lẻ nào đó rồi tự bị phá huỷ sau đó (single call).

Về các mẫu thiết kế tiêu biểu trong nhóm cấu thành: Factory, Abstract Factory và Singleton, các bạn có thể tham khảo thêm tài liệu về phương pháp xây dựng cụ thể cũng như mã nguồn chương trình viết bằng C#.NET tại địa chỉ:

http://www.codeproject.com/gen/desig…assFactory.aspProxy pattern

Định nghĩa

Proxy Pattern là mẫu thiết kế mà ở đó tất cả các truy cập trực tiếp một đối tượng nào đó sẽ được chuyển hướng vào một đối tượng trung gian (Proxy Class).

Nếu như Factory Pattern giúp quản lý đối tượng tốt hơn thì Proxy Pattern lại có nhiệm vụ bảo vệ việc truy cập một đối tượng thông qua Proxy, hay còn gọi là truy cập gián tiếp. Proxy được ủy quyền về phía ứng dụng khách cho phép tương tác với đối tượng đích theo những cách khác nhau; như gửi yêu cầu một dịch vụ nào đó, theo dõi trạng thái và vòng đời đối tượng, xây dựng lớp vỏ bảo vệ đối tượng… Thí dụ chúng ta phát hiện ra một đối tượng trong một thư viện DLL có thể bị khai thác truy cập vào một số trường quan trọng, khi đó chúng ta không thể mở mã nguồn thư viện đã được dịch để vá lỗ hổng, giải pháp lúc này là xây dựng một proxy ngăn chặn truy cập các trường đó và cuối cùng biên dịch lại thành một DLL mới.

Phân loại

Độ phức tạp của giải pháp sử dụng Proxy Pattern phụ thuộc vào tình huống bài toán đưa ra, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu nguyên tắc làm việc của các proxy dưới đây:

Remote Proxy: Client truy cập qua remote proxy để tham chiếu tới một đối tượng được bảo vệ nằm bên ngoài ứng dụng (trên cùng máy hoặc máy khác) như dịch vụ Windows, dịch vụ web, ứng dụng ở xa… Mô hình này “che giấu” đối tượng được triệu gọi đang nằm ở rất xa đâu đó và client có vẻ như truy cập vào đối tượng nằm trên cùng một chuyên khu làm việc (domain).

– Virtual Proxy: Virtual Proxy tạo ra một đối tượng trung gian mỗi khi có yêu cầu tại thời điểm thực thi ứng dụng, nhờ đó làm tăng hiệu suất của ứng dụng.

– Monitor Proxy: Monitor Proxy sẽ thiết lập các ràng buộc bảo mật trên đối tượng cần bảo vệ, ngăn không cho client truy cập một số trường quan trọng của đối tượng.

– Protection Proxy: Đối với proxy này thì phạm vi truy cập của các client khác nhau sẽ khác nhau. Protection Proxy sẽ kiểm tra các quyền truy cập của client khi có một dịch vụ được yêu cầu.

– Cache Proxy: Cung cấp không gian lưu trữ tạm thời cho các kết quả trả về từ đối tượng nào đó, kết quả này sẽ được tái sử dụng cho các client chia sẻ chung một yêu cầu gửi đến và do đó làm tăng đáng kể hiệu suất chương trình.

– Firewall Proxy: Bảo vệ đối tượng từ chối các yêu cầu xuất xứ từ các client không tín nhiệm.

– Smart Reference Proxy: Là nơi kiểm soát các hoạt động bổ sung mỗi khi đối tượng được tham chiếu, ví dụ như kiểm soát vòng đời của đối tượng, lưu lại số lần tham chiếu vào đối tượng…

– Synchronization Proxy: Đảm bảo nhiều client có thể truy cập vào cùng một đối tượng mà không gây ra xung đột. Thực tế có rất nhiều tình huống khiến chúng ta phải nghĩ đến thiết kế này. Một synchronization proxy được thiết lập có thể kiểm soát được nhiều yêu cầu cập nhật dữ liệu một cách đồng thời, tại thời điểm bắt đầu cập nhật chỉ có một client với mức ưu tiên cao nhất giành được khoá để đánh dấu rằng các client khác cần phải chờ đến lượt.

Synchronization proxy hoạt động rất hiệu quả và phổ biến trong thiết kế các bài toán đa tuyến. Một hiện tượng hay xảy ra với thiết kế này là khi một client nào đó chiếm dụng khoá khá lâu (và thậm chí là mãi mãi) khiến cho số lượng các client trong danh sách hàng đợi cứ tăng lên, và do đó hoạt động của hệ thống bị ngừng trệ, có thể dẫn đến hiện tượng “tắt nghẽn” là hiện tượng khoá được giữ vô thời hạn bởi một đối tượng nào đó. Trong trường hợp này người ta cải tiến thành mẫu thiết kế phức tạp hơn, đó là Copy-On-Write Proxy.

– Copy-On-Write Proxy: Cope-On-Write Proxy đảm bảo rằng sẽ không có client nào phải chờ vô thời hạn. Thiết kế này rất phức tạp do đó chỉ nên ứng dụng Copy-On-Write Proxy thay thế Synchronization Proxy khi hệ thống được dự đoán sẽ thường xuyên bị ngừng trệ hoặc có hiện tượng “tắt nghẽn” xảy ra.

Đặc điểm chung

Proxy Pattern có những đặc điểm chung sau đây:

Cung cấp mức truy cập gián tiếp vào một đối tượng.

Tham chiếu vào đối tượng đích và chuyển tiếp các yêu cầu đến đối tượng đó.

Cả proxy và đối tượng đích đều kế thừa hoặc thực thi chung một lớp giao diện. Mã máy dịch cho lớp giao diện thường “nhẹ” hơn các lớp cụ thể và do đó có thể giảm được thời gian tải dữ liệu giữa server và client.

Adapter pattern

Định nghĩa

Adapter Pattern biến đổi giao diện của một lớp thành một giao diện khác mà các đối tượng client có thể hiểu được. Lớp với giao diện được tạo ra đó gọi là Adapter. Nguyên tắc cơ bản của Adapter Pattern nằm ở chỗ làm thế nào để các lớp với các giao diện không tương thích có thể làm việc được với nhau.

Nguyên lý xây dựng Adapter Pattern khá đơn giản: chúng ta xây dựng một lớp với một giao diện mong muốn sao cho lớp đó giao tiếp được với một lớp cho trước ứng với một giao diện khác.

Adapter Pattern không quản lý tập trung các đối tượng gần giống nhau như Factory Pattern, mà kết nối với nhiều lớp không có liên quan gì với nhau. Ví dụ lớp A sau khi thực thi giao diện của nó và vẫn muốn bổ sung các phương thức từ một lớp B nào đó, chúng ta có thể kết nối A với B thông qua hình thức kế thừa hoặc liên kết đối tượng như một thành phần. Adapter Pattern có sự giống nhau một chút với Proxy Pattern ở chỗ nó tận dụng tối đa tính chất “uỷ quyền” (delegation); lớp Adapter sẽ kết nối với một đối tượng nào đó gọi là Adaptee và Adapter sẽ được uỷ quyền truy cập vào Adaptee, lớp Adapter đóng vai trò

10 mẫu nhà cấp 4 mái thái 300 triệu hot nhất 2018 – VietNamNet

Mãn nhãn với 8 mẫu thiết kế phòng ngủ nhỏ đơn giản – Chợ Tốt