エンジニアリングソフトウェアは、新しいハードウェア、更新された標準、進化するシミュレーション方法、および統合要件のシフトを予測しなければなりません。 アブストラクトファクトリーパターンは、コアロジックを書き換えることなく、モジュール的な拡張を可能にする、このようなシステムを構築するための構造化された方法を提供します。 この記事では、エンジニアリングドメイン全体でのパターン、および将来のアーキテクチャを防止するための実用的な戦略を探求しています。

抽象的な工場パターンは何ですか。

Abstract Factory パターンは、まず、[] でカタログ化された作成設計パターンです。] の 4 の ]] のガンは、その具体的なクラスを指定せずに関連または依存オブジェクトの ] を作成するためのインターフェイスを提供します。これは、クライアントが抽象的なインターフェイスではなく、既存のコードを拡張するような方法で変更することができます。

エンジニアリングコンテキストでは、特定のハードウェアプラットフォーム(例えば、センサー、アクチュエータ、通信プロトコル)に必要な全てのコンポーネントが、特定のシミュレーション環境(例えば、メッシュジェネレータ、ソルバー、ポストプロセッサ)に必要な全てのオブジェクトである場合があります。

コア参加者

  • []AbstractFactory] - 各種類の製品オブジェクトを作成するためのインターフェイスを宣言します。
  • ConcreteFactory] – 特定の家族に属する具体的な製品を生産するための作成方法を実行します。
  • []AbstractProduct] - 製品のタイプ(])のインターフェイスを宣言します。 ]])。
  • [ConcreteProduct] - 対応するコンクリート工場で生成される製品オブジェクトを定義し、AbstractProductインターフェイスを実行します。
  • [Client] - コンクリートの実装の独立性を保ち、AbstractFactoryとAbstractProductインターフェイスのみを使用します。

このデカップリングは、モジュール拡張のためにパターンを強力にするものです。新しいハードウェア設定を追加すると、新しいConcreteFactoryとそのサポートするConttractProductsを書くことを意味し、クライアントコードは変更されません。

なぜエンジニアリングソフトウェアがこのパターンを必要とするのか

エンジニアリングソフトウェアは、複数のドメイン、それぞれに固有の制約と迅速な技術変化を及ぼす。 アブストラクトファクトリーパターンは、いくつかの再発の痛みのポイントをアドレスします。

モジュラー

コンポーネントは、独自に開発、テスト、および維持することができます。例えば、finite要素分析(FEA)アプリケーションは、異なる要素タイプ(2D、3D、シェル)または異なるソルバーバックエンド(直接、反復)のための別の工場家族を持つことができます。各工場は独自の作成ロジックをカプセル化し、その1つのソルバーファミリーを変更することは、他の人に影響を与えません。

スケーラビリティ

新製品のバリエーションが出現すると、自動運転車両ソフトウェア用のLIDARセンサーが新たに登場するので、既存の工場やクライアントコードに触れることなく、新しいCont Factoryを追加することができます。エンジニアリングソフトウェアがハードウェアベンダーや規格の拡大エコシステムをサポートする必要がある場合は、特に価値があります。 [2]

ドメイン間での柔軟性

エンジニアリング分野は、機械的シミュレーション、電気CAD、構造解析など、さまざまな分野に変化します。アブストラクトファクトリーは、コアアプリケーションロジックジェネリックを維持しながら、ドメイン固有のオブジェクトを生成するように設計できます。例えば、ジェネリックの「シミュレーションコントローラ」は、各エンジンがシミュレーションのコンポーネントを構築するための独自の工場を提供する場合、シミュレーションエンジンと連携できます。

分離による維持性

工場の家族が一変する。ハードウェアドライバーをアップデートしたり、サードパーティのライブラリを交換したりすると、対応するコンクリート工場でのみ変更が必要である。これにより、回帰リスクを低減し、バージョン管理を簡素化する。

パターンの実装: 実用的な例

複数の幾何学的カーネル(Parasolid、ACIS、オープンカスケード)をサポートする必要があるコンピュータエイド設計(CAD)アプリケーションを検討してください。各カーネルは、曲線、表面、固体、エッジの独自の表現と操作を持っています。パターンなしで、コードベース全体が条件付きロジックで絡み合っています。

// Client code full of if-else chains
if (kernel == "Parasolid") {
 Curve c = new ParasolidCurve(...);
} else if (kernel == "ACIS") {
 Curve c = new AciSCurve(...);
}

抽象的な工場パターンでは、クライアントはコンクリートカーネルを知らない:

// Abstract factory interface
public interface GeometryFactory {
 Curve createCurve(Point p1, Point p2);
 Surface createSurface(...);
 Solid createSolid(...);
}

// Concrete factories
public class ParasolidFactory implements GeometryFactory { ... }
public class AciSFactory implements GeometryFactory { ... }

// Client
GeometryFactory factory = getFactory(); // selected via config or runtime
Curve c = factory.createCurve(p1, p2);
Solid s = factory.createSolid(face);

クライアントはカーネルから完全にデコルドされます。 第三カーネル(例:オープンカスケード)を追加するには、 ]] インターフェイスとコンクリート製品のセットを実装する必要があります。

複数の「dialects」や実装が存在するエンジニアリングドメインに、センサードライバ、ソルバーバックエンド、可視化エンジン、またはマテリアルデータベースが含まれている。

Horizonsの拡大: 高度の使用場合

シンプルなドライバー選択を超えて、アブストラクトファクトリーパターンは洗練されたモジュラーアーキテクチャを可能にします。

プラグインアーキテクチャ

外部チームがサードパーティのモジュールを開発しましょう。各プラグインは、ランタイムで登録された独自のコンクリート工場を提供します。ホストアプリケーションは、コアをコンパイルすることなく、工場を新しい機能を追加し、例えば、新しい材料モデルや分析タイプを追加するために発見し、呼び出す。

多プラットフォーム展開

エンジニアリングソフトウェアは、Windows、Linux、および組み込みシステムで頻繁に実行されます。 抽象的なファクトリは、ファイルシステムアクセス、スレッド、またはUIコンポーネントのプラットフォーム固有の作成をカプセル化することができます。 新しいプラットフォームにデプロイすると、コンクリート工場の新しい家族を実装することを意味します。

異なる忠実度レベルを持つシミュレーション環境

流体力学や電磁シミュレーションでは、高速近接のソルバーと高忠実度なものの間で切り替えることができます。アブストラクトファクトリーは、各忠実度に適切なソルバーオブジェクト、境界条件、およびポストプロセッサーを生成し、すべてのレベルにわたって一貫したインターフェイスを確保することができます。

未来の「モジュラー拡張」の推進

アブストラクトファクトリーパターンのデザインは、新興技術やビジネス要件の変更のためのエンジニアリングソフトウェアを準備します。

IoTとエッジコンピューティングとの統合

エンジニアリング機器がよりスマートになるように、組み込みソフトウェアはクラウドサービス、ローカルコントローラー、およびその他のデバイスと通信しなければなりません。Abstract Factoryは、異なる通信スタック(MQTT、CoAP、HTTP/2)とデータフォーマットオブジェクト(Protobuf、JSON、CBOR)を生成できます。新しいプロトコルを追加すると、新しい工場家族を作成するのと同じくらい簡単です。

AI・機械学習支援

エンジニアリング分析は、モデルモデリング、最適化、または異常検知のためにMLモデルを活用しています。 アブストラクトファクトリーは、モデルローダー、推論エンジン、およびデータパイプラインのトレーニングの生成をカプセル化することができます。 MLフレームワーク(TensorFlow、PyTorch、ONNX)をスワッピングすると、新しい工場を実装する問題になります。

クラウド・ネイティブ・コンテナーアーキテクチャー

Microservicesは、Abstract Factories から、環境(開発、ステージング、生産)のさまざまなサービス実装に恩恵を与えます。各サービスは、データベースアクセス、認証、メッセージキューの抽象的な工場を定義できます。これにより、チームはサービスロジックを記述することなくアーキテクチャを進化させることができます。

長期メンテナンスコスト削減

パターンは、変化の「さざ波効果」を削減します。ソフトウェア工学研究所の勉強によると、アーキテクチャレベルの変更は、ライフサイクルで初期に行われた10〜100倍の時間を削減します。 オブジェクトの作成を用途からデカップリングすることで、アブストラクトファクトリーは、初期導入後のソフトウェアを新しいハードウェアや標準年に適応させるのがより安くなります。

潜在的な落札とザムを回避する方法

パターンは銀弾丸ではありません。 アブストラクトファクトリーは、過剰に使用した場合、不要な複雑さを導入することができます。 一般的な間違いは次のとおりです。

  • [] 抽象レイヤー[]の多すぎる – それぞれのマイナーなバリエーションの工場を作ることは、デバッグが困難である深い階層につながります。 完全に異なるオブジェクトの家族のためにのみパターンを使用してください。
  • [] 柔軟性のある抽象 - 抽象的な製品インタフェースが狭すぎる場合は、新しいバリアントを追加すると、抽象的な工場自体を変更する必要があります。 製品のインターフェイスを安定して汎用性に保つ。
  • []依存性注射[を無視する - コンクリート工場が構成で選択されると、ハードコーディングされていない場合、工場が最適に動作します。 パターンをDIコンテナまたはサービスロケータと組み合わせて、最大限の柔軟性を実現します。

ジューシーに使用した場合、アブストラクトファクトリーパターンは、エンジニアリングソフトウェアに、明確さを犠牲にすることなく必要とする適応性を与えます。

コンテンツ

Abstract Factory パターンは、新しい技術、基準、ドメインで成長できるエンジニアリングソフトウェアの構築にタイムレスな設計ツールです。 安定したインターフェースの背後にあるオブジェクトの作成をカプセル化することで、近代的なエンジニアリングシステムが要求するモジュール性、スケーラビリティ、および保守性を付与します。 CAD、シミュレーション、制御システム、または IoT ミドルウェアを開発している場合でも、このパターンを早期に採用することで、将来の再作業を削減し、将来のイノベーションに備えたコードベースを維持します。

参照]

  1. Gamma、E.、Helm、R.、ジョンソン、R.、&Vlissides、J.(1994)。 ]]のデザインパターン:再使用可能なオブジェクト指向ソフトウェアの要素[]。 Addison-Wesley。 O'Reilly link]
  2. フォフラー、M.(2002)。 ]エンタープライズアプリケーションアーキテクチャのパターン。 アディソン・ウェスレイ。 []MartinFowler.com
  3. ソフトウェアエンジニアリングに関するSEIシリーズ。 ]ソフトウェアアーキテクチャの経済学。 ]CMU SEIホワイトペーパー