Entwurfsmuster

bewährte Lösungsschablone in der Softwareentwicklung

Entwurfsmuster (englisch design patterns) sind bewährte Lösungsschablonen für wiederkehrende Entwurfsprobleme sowohl in der Architektur als auch in der Softwarearchitektur und -entwicklung. Sie stellen damit eine wiederverwendbare Vorlage zur Problemlösung dar, die in einem bestimmten Zusammenhang einsetzbar ist. In den letzten Jahren hat der Ansatz der Entwurfsmuster auch zunehmendes Interesse im Bereich der Mensch-Computer-Interaktion gefunden. Ursprünglich wurde der Begriff in der Architektur von Christopher Alexander verwendet.[1]

Arten von EntwurfsmusternBearbeiten

 
Beispiel eines Entwurfsmusters in UML (hier das Entwurfsmuster „Prototyp“)

Es gibt unterschiedliche Typen von Entwurfsmustern. Ursprünglich wurden folgende Typen unterschieden:[2]

Erzeugungsmuster (englisch creational patterns)
Dienen der Erzeugung von Objekten. Sie entkoppeln die Konstruktion eines Objekts von seiner Repräsentation. Die Objekterzeugung wird gekapselt und ausgelagert, um den Kontext der Objekterzeugung unabhängig von der konkreten Implementierung zu halten, gemäß der Regel: „Programmiere auf die Schnittstelle, nicht auf die Implementierung!“
Strukturmuster (englisch structural patterns)
Erleichtern den Entwurf von Software durch vorgefertigte Schablonen für Beziehungen zwischen Klassen.
Verhaltensmuster (englisch behavioral patterns)
Modellieren komplexes Verhalten der Software und erhöhen damit die Flexibilität der Software hinsichtlich ihres Verhaltens.

Später kamen noch weitere Typen für diejenigen Entwurfsmuster, die in keine der drei genannten Typen passten, hinzu. Darunter beispielsweise

Muster für objektrelationale Abbildung
Dienen der Ablage und dem Zugriff von Objekten und deren Beziehungen in einer relationalen Datenbank.[3]

GeschichteBearbeiten

Der Architekt Christopher Alexander hatte in einer auf Vitruv zurückgehenden Tradition zwischen 1977 und 1979 eine Sammlung von Entwurfsmustern zusammengestellt.[4] Die Hauptaufgabe dieser Muster ist es, die Bewohner der zu bauenden Strukturen in den Entwurfsprozess einzubinden. Der Ansatz für Entwurfsmuster wurde von Alexander bereits 1964 in Notes on the synthesis of form dargestellt. In der Architektur hat sich diese Idee jedoch bei weitem nicht so verbreitet wie später in der Softwareentwicklung.

Kent Beck und Ward Cunningham griffen 1987 die Ideen Alexanders aus der Architektur auf und entwickelten Entwurfsmuster für die Erstellung von grafischen Benutzeroberflächen in Smalltalk. Ein Jahr später begann Erich Gamma mit seiner Promotion an der Universität Zürich über die generelle Übertragung dieser Methode auf die Softwareentwicklung. Parallel dazu arbeitete James Coplien in den Jahren 1989 bis 1991 an musterähnlichen Idiomen für C++ und veröffentlichte 1991 sein Buch Advanced C++ Idioms.

Erich Gamma beendete im selben Jahr seine Promotion und ging im Anschluss in die Vereinigten Staaten. Dort brachte er 1994 zusammen mit Richard Helm, Ralph Johnson und John Vlissides das Buch Design Patterns – Elements of Reusable Object-Oriented Software heraus, in dem 23 Entwurfsmuster beschrieben sind. Diese vier Autoren sind unter Entwicklern auch unter ihrem Spitznamen Gang of Four (Viererbande, kurz GoF) bekannt und verhalfen mit ihrem Buch den Entwurfsmustern zu ihrem Durchbruch. Gelegentlich wird GoF auch als Verweis für das besagte Buch verwendet. Anders als Alexander, der seine Muster vor allem für Laien geschrieben hat, richten sich die GoF-Muster an Softwareentwickler und nicht an Benutzer.

Anforderungen und NutzenBearbeiten

Ein gutes Muster sollte

  • ein oder mehrere Probleme lösen,
  • ein erprobtes Konzept bieten,
  • auf realen Designs basieren,
  • über das rein Offensichtliche hinausgehen,
  • den Benutzer in den Entwurfsprozess einbinden,
  • Beziehungen aufzeigen, die tiefergehende Strukturen und Mechanismen eines Systems umfassen.

Entwurfsmuster beinhalten in der Regel Referenzen auf andere Muster. Mithilfe dieser ist es möglich, Mustersprachen zu entwickeln.

Der primäre Nutzen eines Entwurfsmusters liegt in der Beschreibung einer Lösung für eine bestimmte Klasse von Entwurfsproblemen. Weiterer Nutzen ergibt sich aus der Tatsache, dass jedes Muster einen Namen hat. Dies vereinfacht die Diskussion unter Entwicklern, da man abstrakt über eine Struktur sprechen kann. So sind etwa Software-Entwurfsmuster – im Gegensatz zu Idiomen – zunächst einmal unabhängig von der konkreten Programmiersprache.

Wenn der Einsatz von Entwurfsmustern dokumentiert wird, ergibt sich ein weiterer Nutzen dadurch, dass durch die Beschreibung des Musters ein Bezug zur dort vorhandenen Diskussion des Problemkontextes und der Vor- und Nachteile der Lösung hergestellt wird.

NachteileBearbeiten

Der erfolgreiche Einsatz von Entwurfsmustern in der Vergangenheit kann dazu verleiten, die Entwurfsmuster als Wunderwaffe und Garant für gutes Design anzusehen. Unerfahrene Entwickler können geneigt sein, möglichst viele bekannte Muster zu verwenden, und dabei übersehen, dass in ihrem Fall vielleicht eine elegantere Lösung ohne den Einsatz von Mustern möglich wäre. Entwurfsmuster garantieren nicht, dass der Entwurf gut ist. Insofern ist die Anwendung zu vieler oder ungeeigneter Entwurfsmuster ein Antimuster.

MusterkatalogeBearbeiten

Entwurfsmuster werden üblicherweise nach dem Vorbild der Bücher von Christopher Alexander und der Viererbande in sogenannten Musterkatalogen (englisch „Design Pattern Catalog“) gesammelt. Diese beschreiben die einzelnen Muster katalogartig anhand ihrer Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind beispielsweise beim Buch Design Patterns – Elements of Reusable Object-Oriented Software folgende: Aufgabe, Andere Namen, Motivation, Anwendbarkeit, Struktur, Teilnehmer, Kollaborationen, Konsequenzen, Implementierung, Beispielcode, Bekannte Verwendungen, verwandte Muster.

Neben dem Entwurfsmusterkatalog der Viererbande gibt es eine Reihe weiterer Kataloge. Zu diesen zählen die Bücher Patterns of Enterprise Application Architecture, Pattern-Oriented Software Architecture, Volume 1, A System of Patterns, Refactoring To Patterns sowie die Core J2EE Patterns. Siehe Abschnitt Literatur.

Liste von MusternBearbeiten

Die folgende Tabelle enthält Entwurfsmuster der Viererbande, funktionale Verhaltensmuster von Stuart Sierra sowie andere Entwurfsmuster aus anderen Katalogen. Die ersten drei Spalten stellen die Teilmengen dar, in die die Entwurfsmuster im Buch Design Patterns kategorisiert wurden. Die vierte Spalte enthält Muster für die objektrelationale Abbildung die insbesondere von Martin Fowler geprägt wurden.[3] Die fünfte Spalte enthät Entwurfsmuster für die Kommunikation zwischen Anwendungen, die von Gregor Hope und Bobby Woolf im Buch Enterprise Integration Patterns[5] beschrieben wurden. Die sechste Spalte enthält solche Entwurfsmuster, die sich keiner der ersten fünf Spalten zuordnen lassen. Sie ist nicht vollständig und überschneiden sich teilweise mit Architekturmustern.

Erzeugungsmuster (Creational Design Patterns) Strukturmuster (Structural Design Patterns) Verhaltensmuster (Behavioral Design Patterns) Muster für objektrelationale Abbildung Kommunikationsmuster Weitere Muster
abstrakte Fabrik (abstract factory pattern) Adapter (adapter pattern) Beobachter (observer pattern) Data Mapper Message Endpoint Business Delegate
Einzelstück (singleton pattern) Brücke (bridge pattern) Besucher (visitor pattern) Data Access Object Messaging Gateway Dependency Injection
Erbauer (builder pattern) Container (container pattern) Interceptor (interceptor pattern) Datentransferobjekt (data transfer object) Messaging Mapper Extension Interface
Fabrikmethode (factory method pattern) Dekorierer (decorator pattern) Interpreter (interpreter pattern) Table Data Gateway Transactional Client Fluent Interface
Multiton (multiton pattern) Fassade (facade pattern) Iterator (iterator pattern) Row Data Gateway Polling Consumer Inversion of Control
Prototyp (prototype pattern) Fliegengewicht (flyweight pattern) Kommando (command pattern) Active Record Event-driven Consumer Transaction Script
  Kompositum (composite pattern oder Whole-Part) Memento (memento pattern) Unit of Work Competing Consumers Table Module
  Stellvertreter (proxy pattern) Nullobjekt (Null Object pattern) Identity Map Message Dispatcher Page Controller
  Half Object Plus Protocol Schablonenmethode (template method pattern) Lazy Loading Selective Consumer Template View
  Strategie (strategy pattern) Identity Field Durable Subscriber Transform View
    Vermittler (mediator pattern) Dependent Mapping Idempotent Receiver Two-Step View
    Zustand (state pattern) Embedded Value Service Activator Application Controller
    Zuständigkeitskette (chain of responsibility) Serialized LOB Message Remote Facade
    State/Event Inheritance Mapper Command Message Locks
    Consequences Metadata Mapping Document Message Session States
    Accumulator Query Object Event Message Repository
    MapReduce Command-Query-Responsibility-Segregation Request-Reply Value Object
    Reduce/Combine   Return Address Registry
    Rekursive Erweiterung   Correlation Identifier
    Software Pipelining   Message Sequence
    Prozess Wrapper   Message Expiration
    Token   Format Indicator
    Page Object   Message Channel
        Point-to-Point Channel
        Publisher-Subscriber Channel
        Datatype Channel
        Invalid Message Channel
        Dead Letter Channel
        Guaranteed Delivery
        Channel Adapter
        Messaging Bridge
        Message Bus
        Pipes-and-Filters
        Message Router
        Content-based Router
        Message Filter
        Dynamic Router
        Recipient List
        Splitter
        Aggregator
        Resequencer
        Composed Message Processor
        Scatter-Gather
        Routing Slip
        Process Manager
        Message Broker
        Message Translator
        Envelope Wrapper
        Content Enricher
        Content Filter
        Claim Check
        Normalizer
        Canonical Data Model
        Control Bus
        Detour
        Wire Tap
        Message History
        Message Store
        Smart Proxy
        Test Message
        Channel Purger
Legende Entwurfsmuster der Viererbande Verhaltensmuster von Stuart Sierra Muster für ORM von Martin Fowler Kommunikationsmuster andere Entwurfsmuster

Andere Arten von MusternBearbeiten

Die Arbeiten der Viererbande haben viele Autoren zu weiteren Veröffentlichungen angeregt. Daraus entstand auch die Problematik, dass ein Muster sich nicht mehr ohne weiteres als Entwurfsmuster klassifizieren lässt. Vielmehr gibt es graduelle Unterschiede in der Granularität von Mustern. So wird etwa das Model-View-Controller-Muster (MVC) von einigen als Architekturmuster, von anderen (noch) als Entwurfsmuster betrachtet.

Beispiele für Muster, welche keine Entwurfsmuster sind:

AntimusterBearbeiten

Wo Entwurfsmuster in der Software-Entwicklung allgemein übliche und bekannte Lösungsansätze sind, um Probleme zu lösen, so sind Antimuster Negativ-Beispiele von bereits durchgeführten Lösungen, die Hinweise darauf geben, welche Fehler vermieden werden sollten.

Nachdem bei der Softwareentwicklung immer mehr von positiven Erfahrungen von erfolgreich abgeschlossenen Aufgabenstellungen profitiert wurde, konzentrierte man sich auch darauf, die Negativbeispiele, also wiederkehrende Fehler bei der Software-Entwicklung, zu identifizieren und zu dokumentieren.

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

WeblinksBearbeiten

Wikibooks: Entwurfsmuster – Lern- und Lehrmaterialien

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Andreas Zeller: Entwurfsmuster auf st.cs.uni-saarland.de (PDF, S. 2.)
  2. Erich Gamma, Richard Helm, Ralph E. Johnson, John Vlissides: Entwurfsmuster. Elemente wiederverwendbarer objektorientierter Software. Addison-Wesley, München 2004, ISBN 3-8273-2199-9 (englisch: Design Patterns. Elements of Reusable Object-Oriented Software.).
  3. a b Martin Fowler: Patterns of Enterprise Application Architecture. Addison-Wesley-Longman, Amsterdam 2002, ISBN 0-321-12742-0.
  4. Christopher Alexander, Sara Ishikawa, Murray Silverstein, Max Jacobson, Ingrid Fiksfahl-King, Shlomo Angel: Eine Muster-Sprache. Städte, Gebäude, Konstruktion. Löcker, Wien 1995, ISBN 3-85409-179-6.
  5. Gregor Hope, Bobby Woolf: Enterprise Integration Patterns. Designing, Building, and Deploying Messaging. Hrsg.: Addison-Wesley. 1. Auflage. Addison-Wesley, 2003, ISBN 978-0-321-20068-6 (englisch, 480 S.).