כיצד לבחור בין Singleton, המפעל, ו-Prototype Patterns בעיצוב תוכנה

הבנת שלושת תבניות הבריאה של הליבה

תבניות עיצוב תוכנה הן טביעות עיניים עדות לפתרון בעיות עיצוב חוזרות.בין הנפוצים ביותר הם דפוסים הבריאה - Singleton, המפעל ופרוטוטיפ - כל מי ששולט כיצד אובייקטים הם מיידיים.בחירת הנכון משפיע ישירות על שמירת הקוד, ביצועים, וקנה מידה. זה הרחיב מדריך לצלול עמוק לתוך כל דפוס, חוקר תרחישים אמיתיים, ומספק קריטריונים מעשיים כדי לעזור לך לקבל החלטה מושכלת.

One Instance to Rule Them All

דפוס ה- Singleton מבטיח לכיתה יש בדיוק מקרה אחד ומספק נקודת גישה גלובלית לכך.זהו אחד הדפוסים הפשוטים ביותר, אך לעיתים קרובות הוא מנוצל לרעה.הרעיון המרכזי הוא לשלוט בתהליך ההרגעה כך שלא משנה כמה פעמים השיעור מתבקש, אותו אובייקט הוא חזר.

איך Singleton Works

בדרך כלל, לכיתת Singleton יש בונה פרטי ושיטת סטטית שחוזרת על המקרה.הקריאה הראשונה יוצרת את האובייקט; לאחר מכן שיחות שימוש חוזר באותו מקרה. בסביבות מרובות-הנקראות, יש צורך בסנכרון כדי למנוע תנאים של גזע שיכולים ליצור מספר מקרים.

public class DatabaseConnectionPool {
 private static DatabaseConnectionPool instance;
 private DatabaseConnectionPool() { /* initialization */ }
 public static synchronized DatabaseConnectionPool getInstance() {
 if (instance == null) {
 instance = new DatabaseConnectionPool();
 }
 return instance;
 }
}

סינגלים מ-Daton Shines

(ב) ,0) ניהול משאבים משותפים: 1FLT 1 A חיבור בריכה, שירות כניסה או מנהל תצורה הטבות מנקודת תיאום אחת.
(ב) כאשר מטמון או רישום של יישום צריך גישה עקבית.
(FLT:0) חומרי אבטחה או משאבי מערכת ההפעלה:031) מערכות קבצים, מברשות המדפסת או מנהלי חלונות מאפשרים בדרך כלל רק מקרה אחד.

מלכודות נפוצות להימנע

(ב) ,0) שימוש ב-[[המאה ה-1]]: השימוש ב- Singleton עבור כל דבר מוביל לתלויים נסתרים וגורם ליחידה לבחון קשה כי אי אפשר להחליף את המקרה בקלות בלעג.
(FLT:0) בטוח יתר על המידה: FIRLT:1) השיטה הסינכרון הקלאסית יכולה להפוך צוואר בקבוק. חלופות כמו כוונון להוט או מנעול כפול (עם תנודתי) להפחית את התוכן.
(FLT:0) הפיכה:FLT:1 כי נקודת הגישה העולמית היא קשה קודד, לקוחות להיות יחד עם המעמד הבטון, מהפרת התלות של עקרון ה- Principle.

למרות חסרונות אלה, Singleton נשאר שימושי כאשר אתה באמת צריך אובייקט יחיד, נגיש בעולם.

עיצוב מפעל: יצירת אובייקטים

דפוס המפעל משקף את הלוגיקה מיידית של האובייקט, ומאפשר לסווגן להחליט איזו מחלקה למתן מיידיות.זה מגיע בשני טעמים עיקריים: FLT:0:0.Factory MethodsFLT:1 (שיטה אחת מחזירה אובייקטים חדשים) ו-FLT:2Abstract FactoryFLT 3: 3 (משפחה של שיטות מפעל קשורות).

שיטת המפעל בפירוט

Define ממשק ליצירת אובייקט, אך לתת תת-classes לשנות את סוג האובייקטים שייצרו.לדוגמה, לכיתת דו-שיח עשויה להיות שיטה FLT:1 ; תת-כיתות כמו WindowsDialog ו- LinuxDialog override שיטה זו כדי להחזיר כפתורים ספציפיים פלטפורמה.

abstract class Dialog {
 abstract Button createButton();
 public void render() {
 Button okButton = createButton();
 okButton.onClick();
 }
}
class WindowsDialog extends Dialog {
 Button createButton() { return new WindowsButton(); }
}

דפוס זה אידיאלי כאשר:

מעמד אינו יכול לצפות את שיעור האובייקטים שהוא חייב ליצור.
אתה רוצה למקם את ההיגיון ליצירת האובייקט במקום אחד.
המערכת צריכה להיות עצמאית לגבי האופן שבו היא בנויה.

מפעל מופשט: הובלת משפחות של אובייקטים קשורים

מפעל אבסטרקטי מספק ממשק ליצירת משפחות של אובייקטים קשורים או תלויים מבלי לציין את השיעורים קונקרטיים שלהם.חשב על ערכת כלים GUI כי חייב לייצר כפתורים, צ'קוקס, ומגילות שנראים עקביים תחת נושא מסוים (למשל, חומר, קופידון) הלקוח משתמש ממשק מפעל מופשט כדי להשיג מוצרים, ומפעלים קונקרטיים (MaterialFactory, CupinoFactory) לייצר את הגרסאות.

דפוס זה עדיף כאשר:

המערכת חייבת להיות מוגדרת עם אחת ממשפחות מרובות של מוצרים.
אתה רוצה לאכוף עקביות בין מוצרים.
הוספת משפחות מוצר חדשות דורשות שינויים מינימליים בקוד הקיים.

ירידה בין המפעל לבין תבניות אחרות

המפעל הוא ה-Go-to שלך כאשר יצירת אובייקטים מורכבת או כאשר אתה צריך להחליף את המימוש בזמן ריצה.זה גמיש יותר מאשר Singleton כי זה לא מגביל את מספר המקרים - זה רק מרכזי יצירה.בניגוד לפרוטיפ, המפעל יוצר מקרים חדשים מאפס ולא העתקת הקיים.

תבנית פרוטוטיפית: Clone במקום לבנות

דפוס הפרוטוטיפ יוצר אובייקטים חדשים על ידי העתקת אובייקט קיים - אבטיפוס זה הוא בעל ערך במיוחד כאשר הרגעה היא יקרה (למשל, שאילתות מסד נתונים כבד, חישובים גאומטריה מורכבים) או כאשר תצורה האובייקט הוא זמן-consuming. במקום לבנות מאפס, אתה משטב את הדוגמה לפני-הגדרה ו tweak זה כנדרש.

Cloning Mechanics: Shallow vs. Deep Copy

רוב שפות התכנות מציעות שיטת שיבוט מובנה (FLT:3) ב- Java, LT:4 ב Python,FLT:5 או להפיץ ב- JavaScript) עם זאת, תשומת לב זהירה יש לשלם אם העותק הוא רדודה (התייחסויות משותפות לאובייקטים מוטים) או עמוק (בעצם עצמאי) עותק עמוק משוכפל את כל האובייקטים הנזכרים על ידי ה-Protypeto, אשר עליך להשתמש בדרגה שלך.

class MazePrototype {
 public MazePrototype clone() throws CloneNotSupportedException {
 return (MazePrototype) super.clone(); // shallow copy
 }
}

סקאנרים אידיאליים עבור Prototype

(ב) לדוגמה, יצירת התנגדות:0) ,001, למשל, טעינה של תצורה גדולה מקובץ או יצירת מרש גאומטרי מורכב.
(FLT:0) אובייקטים רצופים:FreaLT:1; כאשר המערכת חייבת ליצור אובייקטים חדשים אשר סוגיהם נקבעים בריצה (למשל, סוגי אויב במשחק שנוצרים מתבניות מוגדרות מראש).
(ב) התפוצצות תת-הדרגות: במקום ליצור כיתות רבות עבור וריאציות קלות, אתה משטב אב-טיפוס ולהתאים כמה תכונות.

Prototype Registry ו- Caching

אתה יכול לקחת Prototype צעד נוסף על ידי יישום רישום - חנות מרכזית של אבטיפוס שנבנה מראש על ידי מפתח.לקוחות לבקש אבטיפוס על ידי מפתח, ליבוט אותו, ולהתאמה אישית אותו.שילוב זה של Prototype עם מרשם יכול לשמש אלטרנטיבה קלה או מפעל או Singleton במקרים מסוימים.

Side-by-Sideהשוואה: Singleton, Factory, Prototype

כדי לעזור לך לבחור, השולחן מתחת מדגיש את ההבדלים העיקריים:

Pattern	Instance Count	Creation Mechanism	Best For
Singleton	Exactly one	Self-managed global access	Shared resources, global state
Factory	Multiple instances (or families)	Centralized creation logic	Decoupling client from concrete classes, complex creation
Prototype	Multiple instances cloned from a template	Cloning (shallow/deep copy)	Expensive instantiation, runtime object generation

כאשר דפוסים מתפרעים או משלבים

מפעל:0 (Singleton + Factory:FLT:1) מפעל יכול להיות יחידטון (למשל, מפעל מופשט אחד לפלטפורמה).
(FLT:0)Prototype + Factory:FLT:1 אבטיפוס רישום יכול לפעול כמפעל - אתה משטב אבטיפוס במקום לקרוא בונה.זה שימושי במיוחד בפיתוח המשחק כאשר גורמים יוצרים.
(FLT:0)Prototype + Singleton:FLT:1 אובייקט אב טיפוס יכול להיות רווקטון במובן שרק אבטיפוס אחד קיים לסוג, אם כי השיבוטים אינם בודדים.

מסגרת החלטה מעשית

כאשר אתה נתקל בבעיה עיצובית שקוראת לתבנית הבריאה, שאל את השאלות האלה על מנת:

(ב) האם אני צריך בדיוק מקרה אחד בכל יישום?(ראה: כן, לשקול את Singleton, אך הקפד שמדינה משותפת בעולם באמת צריכה, וכי אי-אפשרות הבדיקה לא תסבול.
(FLT:0) האם האובייקט יוצר מורכב או עשוי להשתנות?(ראה: כן, השתמש בשיטת המפעל או במפעל אבסטרקטי.זה מועיל במיוחד כאשר אתה צופה הוספת סוגי אובייקטים חדשים מאוחר יותר.
(FLT:0) האם אובייקט יוצר צוואר בקבוק ביצועים, או שאני צריך מקרים רבים כי שונים רק מעט?ראהFLT 1 אם כן, Prototype יכול לחסוך זמן וזיכרון על ידי שיבוט תבנית.
(FLT:0) יכול יותר מתבנית אחת לשרת את אותה מטרה?(ראה: ⁇ 1) , לדוגמה, דפוס במשקל זבוב עשוי להפחית את הזיכרון במקום פרוטוטיפ אם המטרה היא שיתוף נתונים בלתי ניתנים להחלפה.

דוגמאות אמיתיות בעולם בהנדסת תוכנה

יישומים הנדסיים לעתים קרובות משלבים דפוסים אלה.מערכת CAD עשויה להשתמש ב- Singleton עבור מנהל העדפות המשתמשים, המפעל כדי ליצור צורות גאומטריות שונות (קריל, פוליגון, ספירה), ו-Prototype עבור שיבוט של הרכבה מורכבת ולאחר מכן שינוי זה. מנוע סימולציה יכול להעסיק מפעל כדי ליצור אובייקטים שונים, Prototype עבור העתקת תצורה של מערכות חלקיקים, ו- Singleton עבור שירות אחסון כי כל השלבים.

מסקנה: אל תתנו לתבניות דוגמיות להפוך את העיצוב שלכם

Singleton, המפעל ופרוטוטיפ הם דפוסים של יצירת בסיס, אבל הם לא כדורי כסף.הבחירה הטובה ביותר מופיעה מתוך הבנה של מגבלות המערכת שלך: הצורך למשל לשלוט, המורכבות של יצירת אובייקטים, ואת העלות של מקרים חדשים.תמיד מעדיף בהירות ומבחן על פני דפוס טוהר. כאשר ספק, להתחיל עם המפעל - זה מציע את decoupling הנקי ביותר יכול להיות מוחלף או מוגברת עם המצב חד פעמי.

על ידי שליטה בשלושה הדפוסים האלה, אתה מצייד את עצמך עם ערכת כלים רב-תכליתית לבניית תוכנה בעלת עוצמה, גמישה הנדסית.לקריאה נוספת, לחקור את המאמר FLT:0Wikipedia על תבניות עיצוב תוכנה של עיצוב תוכנה:FLT:1 ואת ה-FLT:2refactoring Guru סקירה של תבניות הבריאה FLT 3:3.