دیزاین پترن چیست؟ آشنایی با مفهوم دیزاین پترن در مهندسی نرم افزار

یکی از چالش‌های امروز در توسعه نرم افزار، طراحی سیستمی است که هم قابل نگهداری باشد، هم قابل توسعه، و هم بتواند پاسخگوی نیازهای تغییر یافته در آینده باشد. دیزاین پترن راه‌حلی است برای این که توسعه‌دهندگان بتوانند الگوهای اثبات‌شده‌ای را که مشکلات رایج در طراحی نرم‌افزار را حل کرده‌اند، دوباره به کار ببرند. وقتی می‌گوییم design pattern چیست، منظور مجموعه‌ای از الگوهایی است که برای مسائل تکرارشونده‌ای در طراحی نرم‌افزار پیشنهاد شده‌اند.

دیزاین پترن چیست؟

دیزاین پترن یا “design pattern” عبارتی است برای توصیف راه‌حل‌هایی تکراری، قابل استفاده مجدد، و اثبات‌شده که توسعه‌دهندگان در پروژه‌های مختلف نرم‌افزاری با آن‌ها مواجه شده‌اند و به نتایجی رضایت‌بخش رسیده‌اند.

این الگوها، تجربه‌های موفق در طراحی نرم‌افزار هستند که از آن‌ها برای جلو گیری از مشکلات رایج، افزایش کیفیت و انعطاف‌پذیری استفاده می‌شود. وقتی می‌پرسیم design pattern چیست، معمولا به الگوهایی اشاره داریم که استاندارد سازی شده‌اند (مانند الگوهای ذکر شده در کتاب مشهور Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software اثر Gamma و دیگران).

انواع دیزاین پترن و توضیح مهم‌ترین الگوها

دیزاین پترن‌ها بر اساس نوع مسئله‌ای که حل می‌کنند به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
۱) الگوهای ایجادی (Creational)
۲) الگوهای ساختاری (Structural)
۳) الگوهای رفتاری (Behavioral)

در ادامه، به تفکیک هر دسته را توضیح می‌دهیم و سپس مهم‌ترین الگوهای هر دسته را با مثال‌ها و کاربردهای آن بررسی می‌کنیم.

الگوهای Creational در طراحی شیءگرا

الگوهای Creational یکی از پنج دسته اصلی الگوهای طراحی هستند که به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا نحوه‌ی ایجاد و مدیریت اشیاء را در سیستم‌های پیچیده و بزرگ، به روشی کارآمدتر و مقیاس‌پذیرتر، سازماندهی کنند. این الگوها به جای اینکه مستقیماً به شیوه‌های ساخت اشیاء پرداخته و کدهای پیچیده و تکراری را در سراسر برنامه توزیع کنند، به توسعه‌دهنده امکان می‌دهند که اشیاء را به طور جداگانه و با استفاده از الگوهایی استاندارد و منعطف بسازند. در این مقاله به بررسی چند الگوی Creational پرکاربرد پرداخته می‌شود که در طراحی نرم‌افزار مفید هستند.

برخی از رایج‌ترین الگوهای این مدل عبارتند از:

1. Singleton

این الگو تضمین می‌کند که تنها یک نمونه از یک کلاس در سیستم وجود داشته باشد و دسترسی جهانی به آن نمونه فراهم می‌شود. این الگو برای مدیریت منابع مشترک مانند اتصال به پایگاه‌داده یا مدیریت تنظیمات کاربرد دارد.

2. Factory Method

این الگو اجازه می‌دهد که کلاس‌ها ایجاد اشیاء را به زیرکلاس‌های خود واگذار کنند، بدون اینکه نیازی به مشخص کردن کلاس دقیق در هنگام ایجاد شیء باشد. این الگو برای زمانی مناسب است که کلاس نمی‌تواند پیش‌بینی کند که کدام کلاس از اشیاء را باید ایجاد کند.

3. Abstract Factory

این الگو یک رابط برای ایجاد خانواده‌ای از اشیاء مرتبط فراهم می‌کند، بدون اینکه کلاس‌های دقیق آن‌ها را مشخص کند. این الگو زمانی مفید است که سیستم باید با خانواده‌ای از اشیاء مرتبط کار کند و نیازی به مشخص کردن کلاس‌های دقیق آن‌ها نباشد.

4. Builder

این الگو ساخت یک شیء پیچیده را از طریق مراحل گام‌به‌گام مدیریت می‌کند و اجازه می‌دهد که ساختارهای مختلفی از یک شیء مشابه ایجاد شود. این الگو برای زمانی مناسب است که یک شیء پیچیده باید ساخته شود و نیاز به کنترل دقیق بر فرآیند ساخت آن وجود داشته باشد.

5. Prototype

این الگو از یک نمونه اولیه برای ایجاد اشیاء جدید استفاده می‌کند و به جای ساخت مجدد، نمونه‌ها را کپی می‌کند. این الگو زمانی مفید است که ایجاد یک شیء جدید پرهزینه باشد و نیاز به ایجاد نسخه‌های جدید از یک شیء مشابه باشد.

الگوهای Structural

الگوهای طراحی ساختاری، به‌عنوان یکی از سه دسته اصلی الگوهای طراحی نرم‌افزار (در کنار الگوهای Creational و Behavioral)، بر نحوه ترکیب و ساختاردهی کلاس‌ها و اشیاء در سیستم‌های نرم‌افزاری تمرکز دارند. هدف این الگوها ساده‌سازی و بهینه‌سازی روابط میان اجزای سیستم است تا انعطاف‌پذیری، مقیاس‌پذیری و نگهداری‌پذیری آن افزایش یابد.

برخی از رایج‌ترین الگوهای ساختاری عبارتند از:

الگوی Adapter

Adapter زمانی به‌کار می‌رود که بخواهیم بین دو کلاس با رابط‌های ناسازگار ارتباط برقرار کنیم. فرض کنید یک کلاس کتابخانه‌ای دارید که با یک API خارجی ارتباط برقرار می‌کند، اما شیوه نام‌گذاری و متدهایش با ساختار داخلی پروژه شما سازگار نیست. با استفاده از Adapter، یک کلاس واسط ایجاد می‌شود که داده‌ها را از شکل بیرونی به شکل مورد انتظار در داخل سیستم ترجمه می‌کند.

الگوی Facade

Facade برای پنهان کردن پیچیدگی‌های داخلی یک سیستم و ارائه‌ی یک رابط ساده و تمیز به کاربر استفاده می‌شود. مثلاً فرض کنید با یک زیرسیستم پیچیده سر و کار دارید که ده‌ها کلاس در آن دخیل هستند. با ساخت یک کلاس Facade، می‌توانید تنها از طریق چند متد ساده، همه کارها را انجام دهید، در حالی که پیچیدگی پشت‌صحنه پنهان باقی می‌ماند.

این الگو در طراحی API‌ها، ماژول‌های کتابخانه‌ای یا حتی SDK‌ها بسیار کاربرد دارد.

الگوی Decorator

Decorator برای افزودن رفتار یا قابلیت جدید به اشیاء موجود، بدون تغییر در ساختار اصلی آن‌ها طراحی شده است. مثلاً اگر کلاس اصلی شما مسئول ارسال ایمیل است و می‌خواهید قابلیت رمزگذاری، ثبت لاگ یا کش‌کردن را به آن اضافه کنید، می‌توانید یک یا چند Decorator بنویسید که این رفتارها را اضافه کنند، بدون اینکه نیازی به تغییر در کلاس اصلی باشد.

این روش بسیار منعطف است و قابلیت ترکیب چند Decorator با هم را نیز فراهم می‌کند.

الگوی Composite

Composite مناسب زمانی است که با ساختارهای درختی مانند فایل‌ها و پوشه‌ها، یا عناصر گرافیکی پیچیده سروکار داریم. این الگو اجازه می‌دهد اشیاء منفرد و مجموعه‌ای از اشیاء را به‌صورت یکنواخت مدیریت کنیم.

برای مثال، فرض کنید یک سیستم طراحی گرافیکی دارید. ممکن است یک عنصر ساده مثل دایره و یک گروه از عناصر شامل چند دایره و مربع با هم باشند. Composite اجازه می‌دهد همه این اجزا از طریق یک رابط واحد مدیریت شوند.

الگوی Proxy

Proxy یک نماینده یا واسط برای شیء اصلی است که دسترسی به آن را کنترل می‌کند. این الگو معمولاً برای مواردی مثل بارگذاری تنبل یا lazy initialization، اعمال محدودیت‌های امنیتی، ثبت لاگ یا بهینه‌سازی عملکرد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای مثال، اگر یک شیء سنگین فقط در برخی مواقع لازم باشد، می‌توان با استفاده از Proxy، تا زمانی که در واقع نیاز به آن نباشد، نمونه‌سازی را به تعویق انداخت.

الگوهای Behavioral

دسته سوم از دیزاین پترن‌ها، بر نحوه تعامل و توزیع وظایف بین اشیاء تمرکز دارد. با بزرگ شدن سیستم‌ها، نحوه‌ی انتقال داده، اجرای عملیات و هماهنگی میان کلاس‌ها اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، و اینجاست که الگوهای رفتاری نقش کلیدی دارند.

الگوی Observer

Observer زمانی مفید است که تعدادی شیء نیاز داشته باشند از تغییرات یک شیء دیگر مطلع شوند. به‌عنوان مثال، اگر کاربری قیمت یک محصول خاص را دنبال می‌کند، با تغییر قیمت، همه کاربران دنبال‌کننده باید اطلاع پیدا کنند. در این حالت، Observer این ارتباط را بدون نیاز به وابستگی مستقیم میان اشیاء مدیریت می‌کند.

الگوی Strategy

Strategy امکان تغییر دینامیک الگوریتم‌ها در زمان اجرا را فراهم می‌کند. فرض کنید در اپلیکیشن فروشگاهی، روش‌های مختلفی برای محاسبه تخفیف وجود دارد (تخفیف درصدی، ثابت، بر اساس سابقه خرید و غیره). با استفاده از Strategy، می‌توان هر روش را در قالب یک کلاس جدا پیاده‌سازی کرد و بسته به شرایط، الگوریتم مناسب را اعمال کرد.

الگوی Command

Command برای جدا کردن درخواست از اجرا طراحی شده است. به‌جای اینکه دکمه‌ای مستقیماً عملیاتی را انجام دهد، یک شیء Command ایجاد می‌شود که آن عملیات را نگه می‌دارد و در زمان مناسب اجرا می‌کند. این الگو امکان مدیریت عملیات، ذخیره آن‌ها برای اجرا در آینده، یا حتی بازگشت عملیات (Undo) را فراهم می‌کند.

الگوی Chain of Responsibility

در این الگو، درخواست از میان مجموعه‌ای از اجزاء عبور می‌کند تا یکی از آن‌ها آن را پردازش کند. برای مثال، در یک سیستم بررسی درخواست مشتری، ابتدا بررسی اعتبار، سپس موجودی کالا، سپس بررسی شرایط ارسال انجام می‌شود. هر مرحله در زنجیره، بررسی خودش را انجام می‌دهد و اگر توانست پاسخ دهد، کار را خاتمه می‌دهد؛ وگرنه آن را به مرحله بعدی می‌سپارد.

الگوی Mediator

Mediator برای مدیریت ارتباطات پیچیده بین اجزای مختلف سیستم به‌کار می‌رود. به‌جای اینکه اجزا مستقیماً با هم ارتباط داشته باشند (که منجر به وابستگی بالا می‌شود)، همه تعامل‌ها از طریق یک واسطه مرکزی صورت می‌گیرد. این کار باعث کاهش پیچیدگی و تسهیل در نگهداری و تست سیستم می‌شود.

الگوی Visitor

Visitor زمانی مفید است که می‌خواهید عملیاتی جدید روی مجموعه‌ای از کلاس‌ها بدون تغییر در آن‌ها انجام دهید. برای مثال، در یک سیستم حسابداری، ممکن است بخواهید روی داده‌های مالی موجود انواع گزارش‌ها یا محاسبات جدید اعمال کنید. به‌جای تغییر در کلاس‌های داده‌ای، می‌توانید Visitorهایی بنویسید که عملیات جدید را روی آن‌ها پیاده‌سازی کنند.

مزایای دیزاین پترن در طراحی نرم‌افزار

استفاده از دیزاین پترن‌ها نشانه‌ای از تسلط مهندس نرم‌افزار بر اصول طراحی است و در عمل موجب بهبود کیفیت، نگهداری‌پذیری و توسعه‌پذیری نرم‌افزار می‌شود. در ادامه، مهم‌ترین مزایای دیزاین پترن را با جزئیات کامل بررسی می‌کنیم:

افزایش خوانایی و درک‌پذیری کد

الگوهای طراحی کمک می‌کنند کدی بنویسید که برای سایر توسعه‌دهندگان قابل درک باشد. به‌عنوان مثال، اگر در کدی از Singleton استفاده شده باشد، یک توسعه‌دهنده دیگر بلافاصله متوجه می‌شود که این کلاس فقط باید یک نمونه داشته باشد و هدف آن چیست. در واقع، استفاده از دیزاین پترن باعث ایجاد یک “زبان مشترک” بین اعضای تیم می‌شود. این مزیت به‌ویژه در پروژه‌های تیمی و سازمانی بزرگ، که افراد زیادی روی کد کار می‌کنند، بسیار مفید است.

 تسهیل نگهداری و توسعه نرم‌افزار

زمانی که طراحی پروژه بر پایه الگوهای استاندارد باشد، اعمال تغییرات در سیستم بدون تخریب سایر بخش‌ها آسان‌تر است. برای مثال، استفاده از Strategy Pattern باعث می‌شود که اگر بخواهید یک الگوریتم جدید اضافه یا جایگزین کنید، بدون نیاز به تغییر کلاس‌های دیگر فقط یک کلاس جدید پیاده‌سازی شود.

این اصل باعث می‌شود سیستم در مواجهه با تغییرات نیازمندی‌ها یا بازار، سریع‌تر واکنش نشان دهد.

افزایش قابلیت استفاده مجدد از کد (Reusability)

دیزاین پترن‌ها با ساختارهای استاندارد و جدا کردن وظایف، کمک می‌کنند بخش‌های مختلف سیستم طوری طراحی شوند که بتوانند در پروژه‌های دیگر هم استفاده شوند. برای مثال، کلاس‌هایی که بر اساس Factory Pattern نوشته شده‌اند، معمولاً مستقل از سایر کلاس‌ها بوده و می‌توانند در پروژه‌های دیگر هم استفاده شوند. این قابلیت باعث صرفه‌جویی در زمان و منابع در پروژه‌های بعدی خواهد شد.

کاهش وابستگی بین اجزای سیستم

الگوهایی مثل Observer یا Mediator به‌طور خاص برای کاهش coupling طراحی شده‌اند. با کاهش وابستگی مستقیم میان کلاس‌ها، می‌توان بدون تغییر در یک کلاس، کلاسی دیگر را جایگزین یا به آن اضافه کرد.

این ویژگی باعث می‌شود تغییرات محلی در سیستم تأثیرات ناخواسته در دیگر بخش‌ها ایجاد نکند.

افزایش قابلیت تست و دیباگ

استفاده از دیزاین پترن‌هایی که وابستگی‌ها را از طریق واسط‌ها تعریف می‌کنند، مانند Dependency Injection یا Factory Pattern، باعث می‌شود که در زمان تست بتوان از Mock یا Stub استفاده کرد. در نتیجه، کلاس‌ها به‌صورت مستقل از محیط واقعی تست می‌شوند.

این باعث افزایش کیفیت تست واحد و کاهش باگ‌های زمان اجرا می‌شود.

افزایش انعطاف‌پذیری در طراحی سیستم

با دیزاین پترن‌ها، می‌توان طراحی‌هایی انجام داد که آینده‌نگر باشند. به عنوان مثال، اگر پیش‌بینی می‌کنید که الگوریتم‌های مختلفی برای پردازش داده‌ها به سیستم افزوده خواهد شد، می‌توانید از Strategy Pattern استفاده کنید. این کار باعث می‌شود تغییر یا افزودن قابلیت جدید به سادگی انجام شود.

سیستم در برابر تغییر مقاوم‌تر و در عین حال قابل گسترش باقی می‌ماند.

تسریع فرآیند توسعه با راه‌حل‌های آماده

دیزاین پترن‌ها راه‌حل‌هایی آماده برای مشکلات رایج در طراحی هستند. وقتی مشکلی شناخته‌شده دارید، لازم نیست از صفر فکر کنید؛ می‌توانید یکی از پترن‌های موجود را پیاده‌سازی کنید یا آن را سفارشی‌سازی نمایید.

این کار باعث صرفه‌جویی در زمان و جلوگیری از تکرار خطاهای رایج می‌شود.

 یکپارچگی و انسجام بیشتر در طراحی کل سیستم

استفاده منظم و هوشمندانه از دیزاین پترن‌ها موجب هماهنگی در ساختار سیستم می‌شود. به‌جای تصمیم‌گیری موردی در هر بخش، معماری کلی سیستم به صورت یک‌پارچه پیش خواهد رفت.

این انسجام در درازمدت باعث می‌شود که سیستم پیچیده، ولی قابل فهم و مدیریت‌پذیر باقی بماند.

کاربرد دیزاین پترن‌ها در معماری نرم‌افزار

در معماری نرم‌افزار، دیزاین پترن‌ها به‌عنوان ابزارهایی برای حل مشکلات رایج در طراحی سیستم‌ها و افزایش کیفیت نرم‌افزار مورد استفاده قرار می‌گیرند. استفاده از این الگوها می‌تواند مزایای زیر را به همراه داشته باشد:

• افزایش قابلیت نگهداری و توسعه‌پذیری: با استفاده از الگوهای طراحی، ساختار کد به‌گونه‌ای سازمان‌دهی می‌شود که تغییرات و افزودن ویژگی‌های جدید آسان‌تر شود.

• کاهش پیچیدگی: الگوهای طراحی، راه‌حل‌های ساده و اثبات‌شده‌ای برای مشکلات پیچیده ارائه می‌دهند که به کاهش پیچیدگی سیستم کمک می‌کند.

• استفاده مجدد از کد: با استفاده از الگوهای طراحی، می‌توان از کدهای نوشته‌شده در پروژه‌های مختلف استفاده مجدد کرد که باعث صرفه‌جویی در زمان و هزینه می‌شود.

• افزایش کیفیت نرم‌افزار: استفاده از الگوهای طراحی باعث بهبود کیفیت نرم‌افزار از طریق کاهش خطاها و افزایش کارایی می‌شود.

دیزاین پترن‌ها در معماری‌های مختلف نرم‌افزار مانند معماری مونولیتیک و معماری میکروسرویس کاربرد دارند:

معماری مونولیتیک

در این معماری، تمام اجزای سیستم در یک واحد یکپارچه قرار دارند. استفاده از الگوهای طراحی مانند Singleton و Factory Method می‌تواند به سازمان‌دهی بهتر کد و کاهش پیچیدگی کمک کند.

معماری میکروسرویس

در این معماری، سیستم به مجموعه‌ای از سرویس‌های کوچک و مستقل تقسیم می‌شود. استفاده از الگوهای طراحی مانند Observer و Strategy می‌تواند به تعامل بهتر بین سرویس‌ها و افزایش انعطاف‌پذیری سیستم کمک کند.

ارتباط دیزاین پترن با معماری نرم‌افزار

معماری نرم‌افزار به تصمیم‌گیری‌های کلان و طراحی ساختار کلی سیستم می‌پردازد و تضمین می‌کند که نرم‌افزار با کیفیت مطلوب توسعه یابد و نیازمندی‌های کاربران را برآورده سازد. از سوی دیگر، دیزاین پترن‌ها به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا در سطح کدنویسی راه‌حل‌های بهینه‌ای برای مشکلات رایج پیدا کنند و کدی با قابلیت استفاده مجدد و پایدار بنویسند. در واقع، دیزاین پترن‌ها به مسائل جزئی‌تر در سطح پیاده‌سازی کمک می‌کنند، در حالی که معماری نرم‌افزار به مسائل کلان‌تر می‌پردازد.

نحوه انتخاب و به کارگیری دیزاین پترن‌ها در معماری نرم‌افزار

انتخاب دیزاین پترن مناسب در معماری نرم‌افزار نیازمند بررسی دقیق شرایط پروژه، نیازمندی‌ها و مقیاس نرم‌افزار است. در ادامه چند معیار و روند برای انتخاب صحیح آورده می‌شود:

شناخت دقیق مسئله

اولین گام این است که دقیق بدانیم چه مشکلی قرار است حل شود: آیا مشکل وابستگی میان بخش‌هاست؟ آیا مسئله هماهنگی توزیع‌شده است؟ آیا نیاز به ساخت سیستم مقاوم در برابر خطاست؟ یا مسئله مقیاس‌پذیری و عملکرد است؟

تحلیل نیازمندی‌های غیر کارکردی

مانند عملکرد، قابلیت اطمینان، مقیاس‌پذیری، قابلیت نگهداری، امنیت، قابلیت تغییر. الگوها معمولاً دارای Trade-off هستند؛ مثلاً pattern ای که مقیاس‌پذیری را بالا می‌برد ممکن است پیچیدگی را افزایش دهد.

سازگاری با معماری کلی سیستم

معماری انتخاب‌شده باید امکان استفاده از دیزاین پترن‌ها را داشته باشد. اگر سیستم بر پایه معماری مونولیتیک باشد، بعضی الگوها به سادگی قابل پیاده‌سازی‌اند، ولی در معماری میکروسرویس ممکن است نیاز به زیرساخت‌های خاصی باشد (مانند زیرساخت پیام، event bus، مدیریت تراکنش توزیع‌شده).

پروتوتایپ و آزمایش

قبل از به‌کارگیری کامل، بهتر است که یک نمونهٔ کوچک (پروتوتایپ) ساخته شود تا ببینیم pattern انتخابی چگونه عمل می‌کند، هزینه‌ها و مزایا و مشکلات عملی آن مشخص شود.

مستندسازی و آموزش تیم

اگر تیم توسعه‌دهنده با دیزاین پترن‌ها آشنایی نداشته باشد، استفاده از آنها می‌تواند به‌جای کمک کردن منجر به پیچیدگی شود. بنابراین مستندسازی الگوها، نمونه‌کدها، و الگوهای مرجع ضروری است.

نگهداری و انطباق با تغییرات آینده

معماری و design patternها باید به گونه‌ای انتخاب شوند که تغییرات آینده (مثلاً تغییر فناوری، افزایش بار، نیاز به مقیاس بزرگتر، تغییر در نیازمندی‌های کسب‌وکار) بتواند با کمترین هزینه انجام شود.

دیزاین پترن در مقابل الگوهای معماری

گاهی افراد دیزاین پترن و الگوهای معماری را به جای هم به کار می‌برند، اما تفاوت‌هایی وجود دارد: