MAC 441/5714 - Programação Orientada a Objetos

Aula 17 - 20/05/2008

Padrões de Projeto de Software

• (ou padrões de desenho de software, ou simplesmente, padrões)
• A idéia de padrões foi apresentada por Christopher Alexander em 1977 no contexto de Arquitetura (de prédios e cidades):
• Cada padrão descreve um problema que ocorre repetidamente de novo e de novo em nosso ambiente, e então descreve a parte central da solução para aquele problema de uma forma que você pode usar esta solução um milhão de vezes, sem nunca realiza-la duas vezes da mesma forma.
• Alexander escreveu os livros The Timeless Way of Building e A Pattern Language: Towns, Buildings, and Construction que serviram de inspiração para os softeiros.
• Um padrão encerra o conhecimento de uma pessoa muito experiente em um determinado assunto de uma forma que este conhecimento pode ser transmitido para outras pessoas menos experientes.
• Outras ciências (p.ex., química) e engenharias possuem catálogos de soluções.
• Desde 1995, o desenvolvimento de software passou a ter o seu primeiro catálogo de soluções para projeto de software: o livro GoF.
• Passamos a ter um vocabulário comum para conversar sobre projetos de software. Soluções que não tinham nome passam a ter nome.
• Ao invés de discutirmos um sistema em termos de pilhas, filas, árvores e listas ligadas, passamos a falar de coisas de muito mais alto nível como Fábricas, Fachadas, Observador, Estratégia, etc.

• A Gangue dos Quatro (GoF): o livro surgiu a partir da tese de doutorado do Erich Gamma; Ralph Johnson, professor na UIUC é um dos maiores nomes de OO no mundo; John Vlissides é um especialista em sistemas OO da IBM TJ Watson e Richard Helm eu não conheço :-)
• A maioria dos autores eram entusiastas de Smalltalk, principalmente o Ralph Johnson.
• Mas acabaram baseando o livro em C++ para que o impacto junto à comunidade de CC fosse maior. E o impacto foi enorme, o livro vendeu centenas de milhares de cópias. É um dos livros mais vendidos da história da Ciência da Computação.
• Existem outros tipos de padrões mas na aula de hoje nos concentramos nos padrões do GoF

• Todo padrão inclui 
• Nome
• Problema
• Solução
• Conseqüências / Forças

• Especificamente os padrões do GoF contém, em geral, as seguintes seções:
• Nome (inclui número da página)
• um bom nome é essencial para que o padrão caia na boca do povo
• Objetivo / Intenção
• Também Conhecido Como
• Motivação
• um cenário mostrando o problema e a necessidade da solução
• Aplicabilidade
• como reconhecer as situações nas quais o padrão é aplicável
• Estrutura
• uma representação gráfica da estrutura de classes do padrão (usando OMT91)
• às vezes, diagramas de interação (Booch 94)
• Participantes
• as classes e objetos que participam e quais são suas responsabilidades
• Colaborações
• como os participantes colaboram para exercer as suas responsabilidades
• Conseqüências
• vantagens e desvantagens, trade-offs
• Implementação
• com quais detalhes devemos nos preocupar quando implementamos o padrão
• aspectos específicos de cada linguagem
• Exemplo de Código
• no caso do GoF, em C++ (a maioria) ou Smalltalk
• Usos Conhecidos
• exemplos de sistemas reais de domínios diferentes onde o padrão é utilizado
• Padrões Relacionados
• quais outros padrões devem ser usados em conjunto com esse
• quais padrões são similares a este, quais são as dierenças

• Classes de Padrões do GoF
1. Padrões de Criação
2. Padrões Estruturais
3. Padrões Comportamentais
• Vamos ver um exemplo de cada um deles, respectivamente.
  

Fábrica Abstrata (Abstract Factory (87)) - padrão de Criação de objetos

• Objetivo: prover uma interface para criação de famílias de objetos relacionados sem specificar sua classe concreta.
• Motivação: considere uma aplicação com interface gráfica que é implementada para plataformas diferentes (Motif para UNIX e outros ambientes para Windows e MacOS). As classes implementando os elementos gráficos não podem ser definidas estaticamente no código. Precisamos de uma implementação diferente para cada ambiente. Até em um mesmo ambiente, gostaríamos de dar a opção ao usuário de implementar diferentes aparências (look-and-feels).
  Podemos solucionar este problema definindo uma classe abstrata para cada elemento gráfico e utilizando diferentes implementações para cada aparência ou para cada ambiente.
  Ao invés de criarmos as classes concretas com o operador new, utilizamos uma Fábrica Abstrata para criar os objetos em tempo de execução.
  O código cliente não sabe qual classe concreta utilizamos.
• Aplicabilidade: use uma fábrica abstrata quando
• um sistema deve ser independente da forma como seus produtos são criados e representados
• um sistema deve poder lidar com uma família de vários produtos diferentes
• você quer prover uma biblioteca de classes de produtos mas não quer revelar as suas implementações, quer revelar apenas suas interfaces
• Estrutura (pag. 88 do GoF)
• Participantes:
• AbstractFactory (WidgetFactory)
• ConcreteFactory (MotifWidgetFactory, WindowsWidgetFactory)
• AbstractProduct (Window, ScrollBar)
• ConcreteProduct (MotifWindow, MotifScrollBar, WindowsWindow, WindowsScrollBar)
• Client - usa apenas as interfaces declaradas pela AbstractFactory e pelas classes AbstratProduct
• Colaborações:
• Normalmente, apenas uma instância de ConcreteFactory é criada em tempo de execução. Esta instância cria objetos através das classes ConcreteProduct correspondentes a uma família de produtos. 
• Uma AbstractFactory deixa a criação de objetos para as suas subclasses ConcreteFactory.
• Conseqüências: o padrão
• isola as classes concretas dos clientes.
• facilita a troca de famílias de produtos (basta trocar uma linha do código pois a criação da fábrica concreta aparece em um único ponto do programa).
• promove a consistência de produtos (não há o perigo de misturar objetos de famílias diferentes).
• dificulta a criação de novos produtos ligeiramente diferentes (pois temos que modificar a fábrica abstrata e todas as fábricas concretas).
• Implementação:
1. Fábricas abstratas em geral são implementadas como Singleton (127)
2. Na fábrica abstrata, cria-se um método fábrica para cada tipo de produto. Cada fábrica concreta implementa o código que cria os objetos de fato
3. Definindo fábricas extensíveis.
• normalmente, cada tipo de produto tem o seu próprio método fábrica; isso torna a inclusão de novos produtos difícil.
• solução: usar apenas um método fábrica (Product make (string type) ).
• isso aumenta a flexibilidade mas torna o código menos seguro (não teremos verificação de tipos pelo compilador).
4. Podemos também usar o Prototype (117): criamos um dicionário mapeando tipos de produtos em instâncias prototípicas destes produtos. Aí, sempre que precisarmos criar um novo produto pedimos à sua instância prototípica que crie um clone (usando um método como clone() ou copy()).
5. Em linguagens dinâmicas como Smalltalk onde classes são objetos de primeira classe, não precisamos guardar uma instância prototípica, guardamos uma referência para a própria classe e daí utilizamos o método new para construir as novas instâncias.
• Exemplo de Código:
• páginas 92 e 93 do GoF: exemplo em C++
• páginas 94 e 95 do GoF: variações em Smalltalk
  
• Usos Conhecidos:
• InterViews usa fábricas abstratas para encapsular diferentes tipos de aparências para sua interface gráfica
• ET++ usa fábricas abstratas para permitir a fácil portabilidade para diferentes ambientes de janelas (XWindows e SunView, por exemplo)
• Sistema de captura e reprodução de vídeo feito na UIUC usa fábricas abstratas para permitir portabilidade entre diferentes placas de captura de vídeo.
• Em linguagens dinâmicas como Smalltalk (e talvez em POO em geral) classes podem ser vistas como fábricas de objetos.
• Padrões Relacionados:
• Fábricas abstratas são normalmente implementadas com métodos fábrica (FactoryMethod (107)) mas podem também ser implementados usando Prototype (117). O uso de protótipos é particularmente importante em linguagens não dinâmicas como C++ e em linguagens "semi-dinâmicas" como Java. Em Smalltalk, não é tão relevante. Curiosidade: a linguagem Self não possui classes, toda criação de objetos é feita via clonagem.
• Uma fábrica concreta é normalmente um Singleton (127)

Referência

• The Gang of Four Book, ou GoF:
• E. Gamma and R. Helm and R. Johnson and J. Vlissides. Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison-Wesley, 1995.
• Parece que a versão em português, Padrões de Projeto, também é boa (não tenho certeza).
• Os slides que usei na aula.