دیزاین پترن (Design Patterns) چیست؟ با الگوهای طراحی آشنا شوید

طراحی شی‌گرا ممکن است برای بسیاری از توسعه‌دهندگان، به‌ویژه در پروژه‌های پیچیده، وقت‌گیر و پرخطا باشد. یکی از بهترین راه‌ها برای پیشگیری از آزمون و خطاهای تکراری، استفاده از الگوهای طراحی (Design Patterns) است؛ راه‌حل‌هایی اثبات‌شده که به حل مسائل رایج در طراحی نرم‌افزار کمک می‌کنند. این الگوها به ما یاد می‌دهند چگونه طراحی‌هایی قابل‌فهم‌تر، منعطف‌تر و قابل استفاده مجدد داشته باشیم.

در این مقاله از بلاگ آسا، ابتدا با مفهوم دیزاین پترن و مزایای آن آشنا می‌شویم، سپس دسته‌بندی الگوها (ایجادی، ساختاری و رفتاری) را بررسی کرده و با مثال‌هایی از دنیای واقعی، کاربرد عملی آن‌ها را نشان می‌دهیم. در پایان نیز به نقش این الگوها در افزایش کیفیت کد و سرعت توسعه اشاره خواهیم کرد.

دیزاین پترن یا الگوهای طراحی چیست؟

الگوهای طراحی راه‌حل‌هایی عمومی، تکرارپذیر و اثبات‌شده برای مسائل متداول در طراحی نرم‌افزار هستند. آن‌ها برای حل مشکلات رایجی که در توسعه‌ سیستم‌های نرم‌افزاری شیءگرا و مقیاس‌پذیر ظاهر می‌شوند، ارائه شده‌اند. نکته‌ مهم این است که یک الگوی طراحی، راه‌حل نهایی یا کد آماده نیست، بلکه یک قالب یا ساختار مفهومی است که می‌توان آن را در موقعیت‌های مختلف و با توجه به نیاز خاص پروژه پیاده‌سازی کرد.

الگوهای طراحی حاصل تجربه و دانش انباشته‌شده‌ صدها توسعه‌دهنده، معمار نرم‌افزار و برنامه‌نویس حرفه‌ای طی سال‌ها فعالیت در پروژه‌های واقعی هستند. این الگوها حاصل یک کشف ناگهانی یا اختراع فردی نیستند، بلکه بازتاب بهینه‌شده‌ شیوه‌هایی هستند که در طول زمان بارها و بارها برای دستیابی به انعطاف‌پذیری بالا، قابلیت توسعه و استفاده‌ مجدد از کد به‌کار رفته‌اند.

تاریخچه دیزاین پترن (Design Pattern)

مفهوم الگو طراحی برای اولین‌بار در دهه ۱۹۷۰، توسط معماری به نام کریستوفر الکساندر مطرح شد. در واقع او این الگوها را یک راه‌حلی عمومی برای مشکلاتی می‌دانست که بارها در یک زمینه مشخص تکرار می‌شوند. کریستوفر الکساندر می‌گوید:

«هر الگو، می‌تواند موضوع یا مسئله‌ای که بارها در پیرامون ما اتفاق می‌افتد را تشریح کند و سپس راه‌حل اساسی آن‌ را به‌صورتی بیان می‌کند که می‌توانید بدون آن که حتی دو نمونه از نتایج شبیه هم باشد، آن ‌را میلیون‌ها بار به ‌کار ببرید».

چند دهه بعد، این نگاه به دنیای نرم‌افزار وارد شد. در سال ۱۹۹۴، چهار متخصص به نام‌های اریک گاما، ریچارد هلم، رالف جانسون و جان ولیسیدس که به‌اختصار Gang of Four (GOF) نامیده می‌شوند، کتابی با عنوان Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software منتشر کردند. این کتاب، اولین منبع رسمی و ساختاریافته‌ای بود که ۲۳ الگوی طراحی پرکاربرد را معرفی و در سه دسته کلی طبقه‌بندی کرد.

نکته مهم در این کتاب، تعریف یک ساختار استاندارد شامل بخش‌هایی مانند هدف، کاربرد، ساختار، همکاری کلاس‌ها و اشیا، پیاده‌سازی و ارتباط الگو با سایر الگوها برای مستندسازی هر الگو بود. این الگوها از آن زمان تاکنون به‌عنوان یکی از پایه‌های مهم در طراحی نرم‌افزارهای شی‌گرا استفاده می‌شود.

پیشنهاد مطالعه: شی‌گرایی در برنامه‌نویسی چیست؟ اصول برنامه‌نویسی شی‌گرا

چرا باید از الگوهای طراحی استفاده کنیم؟

دلایل زیادی برای استفاده از الگوهای طراحی وجود دارد که تمامی آن‌ها به‌طور مستقیم بر سرعت، کیفیت و ساختار پروژه‌های نرم‌افزاری تاثیر می‌گذارد. در واقع این الگوها راه‌حل‌هایی اثبات‌شده برای مشکلات رایجی هستند که بارها در مراحل طراحی تکرار می‌شوند. در نتیجه، به‌جای شروع از صفر، می‌توان از الگوهایی استفاده کرد که در پروژه‌های مشابه موفق بوده‌اند.

اولین و شاید مهم‌ترین مزیت دیزاین پترن، تسریع فرایند توسعه است. شما می‌توانید بدون نیاز به بازطراحی مکرر برای مسائل پرتکرار، از راه‌حل‌هایی استفاده کنید که قبلا آزموده شده‌اند. این موضوع باعث صرفه‌جویی در زمان می‌شود و حتی از بروز خطاهای طراحی هم جلوگیری می‌کند.

همچنین الگوی طراحی باعث افزایش خوانایی، استانداردسازی کد و تسهیل در همکاری تیمی می‌شود. به عبارت ساده‌تر، هنگامی که از یک زبان مشترک برای طراحی استفاده می‌کنید، انتقال مفاهیم میان اعضای تیم ساده‌تر می‌شود و کدها برای توسعه و نگهداری در آینده، قابل‌فهم‌تر باقی می‌مانند.

دیزاین پترن در مرحله گذار از مدل تحلیل به مدل پیاده‌سازی هم به شما کمک می‌کنند تا تصمیم‌های دقیق‌تری بگیرید. همچنین مستندسازی تجربه‌های موفق گذشته، امکان انتخاب هوشمندانه راه‌حل‌ها را فراهم می‌کند.

عناصر الگوهای طراحی

به‌طور کلی یک الگو دارای چهار عنصر اساسی است:

۱. نام الگو: سمبلی است که می‌توانیم برای ارجاع به یک مسئله طراحی، راه‌‌حل و دستاوردهایش، در یک الی دو کلمه به کار بریم.

۲. مسئله: تعیین می‌کند که یک الگو تحت چه شرایطی می‌تواند به ‌کار برود و محل بحث و بستر آن را مشخص می‌کند. گاهی اوقات مسئله شامل فهرستی از شرایطی است که باید قبل از به‌کارگیری الگو فراهم شوند.

۳. راه‌‌حل: عناصری که طرح را می‌سازد و همچنین ارتباطات، وظایف و همکاری‌ها را تشریح می‌کند.

۴. دستاورد: نتایج، مزایا و معایب به‌کارگیری الگو را مشخص می‌کند.

الگوهای طراحی مزایای زیادی دارند؛ اما فقط با شناخت الگوها نمی‌توانیم هر مشکلی را حل کنیم. راه درست استفاده از الگوها این است که ابتدا مشکل خود را به‌خوبی بشناسیم، سپس بررسی کنیم که راه‌حل ازپیش‌آماده‌ای برای آن وجود دارد یا خیر. بهتر است بدانید که همیشه و همه‌‌جا مجبور به استفاده از الگوها نیستیم. اگر با مشکل ساده‌ای برخورد کردیم، نیازی نیست به هر نحوی یک الگو را با آن مطابقت دهیم. با این کار تنها کد خود را پیچیده می‌کنیم. در واقع همان‌‌گونه که الگوها می‌توانند مشکلات پیچیده را ساده کنند، می‌توانند مشکلات ساده را نیز پیچیده کنند. 

همچنین نوع کاربرد الگوها با یکدیگر متفاوت است و لزوما نیازی به استفاده از همه الگوها در یک پروژه نیست. استفاده از الگوها، به صورت‌مسئله و مشکلات پروژه بستگی دارد و کاربرد هر الگو با دیگری متفاوت است.

الگوهای طراحی نرم افزار (Design Pattern) چه مزایایی دارند؟

توسعه‌دهندگان حرفه‌ای، الگوهای طراحی را به‌عنوان یک ابزار کلیدی همواره کنار خود دارند. در واقع استفاده از این الگوها مزیت‌های مختلفی به همراه دارد، به همین دلیل توسعه‌دهندگان از آن‌ها برای رسیدن به راه‌حل‌های بهتر و سریع‌تر استفاده می‌کنند در ادامه، به مهم‌ترین مزایای استفاده از الگوهای طراحی اشاره می‌کنیم:

• بازاستفاده‌پذیری (Reusability): استفاده از الگوهای طراحی باعث می‌شود راه‌حل‌هایی که یک‌بار برای یک مسئله ارائه شده‌اند، بتوانند بارها و بارها در پروژه‌های مختلف استفاده شوند. این کار زمان توسعه را کاهش می‌دهد و از تولید کد تکراری جلوگیری می‌کند.
• مقیاس‌پذیری (Scalability): این الگوها با ایجاد ساختارهایی انعطاف‌پذیر به سیستم کمک می‌کنند تا بدون بازنویسی اساسی، پاسخگوی رشد و افزایش کاربران یا داده‌ها باشد.
• نگهداری آسان‌تر (Maintainability): کدی که بر اساس دیزاین پترن نوشته شده باشد، ساختاری منظم و قابل‌پیش‌بینی دارد. این موضوع باعث می‌شود اصلاح یا افزودن قابلیت‌های جدید به سیستم، ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر باشد.
• استانداردسازی (Standardization): الگوهای طراحی یک زبان مشترک بین برنامه‌نویسان ایجاد می‌کنند. این زبان مشترک باعث می‌شود مفاهیم پیچیده، به‌شکلی ساده‌تر منتقل شوند و ساختار پروژه قابل درک‌تر باشد.
• همکاری موثرتر در تیم (Collaboration): زمانی که اعضای تیم بر اساس الگوی طراحی شناخته‌شده با هم کار می‌کنند، هماهنگی بیشتر و میزان تعارض پایین می‌آید. این مزیت در پروژه‌های بزرگ و تیم‌های چندنفره بسیار مهم و حیاتی است.
• بهره‌گیری از راه‌حل‌های اثبات‌شده (Proven Solutions): این الگوها بیشتر راه‌حل‌هایی هستند که قبلا در پروژه‌های مختلف استفاده شده‌اند و کارایی آن‌ها در عمل اثبات شده است. این موضوع باعث می‌شود توسعه‌دهندگان بتوانند بدون نیاز به آزمون‌و‌خطا یا ایجاد راه‌حل‌های ناپایدار، با اطمینان از آن‌ها استفاده کنند.
• کاهش نیاز به بازسازی (Refactoring) کد: ازآنجایی‌که الگوهای طراحی بهینه‌ترین راه‌حل را برای یک مسئله خاص ارائه می‌دهند، استفاده از آن‌ها می‌تواند نیاز به بازنویسی یا بازسازی کد را در آینده کاهش دهد. در واقع طراحی از ابتدا به گونه‌ای انجام می‌شود که نیاز به تغییر آن به‌شدت پایین بیاید.
• کاهش حجم کد (Codebase Size): معمولا الگوهای طراحی ساختارهایی مینیمال و موثر را پیشنهاد می‌دهند تا پیچیدگی و حجم کلی کد کاهش پیدا کند. در واقع این موضوع به فهم بهتر سیستم، کاهش خطا و افزایش بهره‌وری کمک زیادی می‌کند.
• ارتقا بهره‌وری تیم توسعه (Productivity Boost): ازآنجایی‌که الگوهای طراحی مشکلات رایج را با راه‌حل‌های استاندارد رفع می‌کنند، قطعا زمان صرف‌شده برای تحلیل و حل این مسائل به‌شدت کاهش پیدا می‌کند. در واقع این اتفاق تسریع روند توسعه و تمرکز بیشتر روی ویژگی‌های خاص پروژه را به همراه دارد.
• درک ساده‌تر کدهای دیگران (Readability of Others’ Code): زمانی که توسعه‌دهندگان از دیزاین پترن استفاده می‌کنند، به‌دلیل آشنایی افراد با الگوهای رایج، ساختار کد برای سایر اعضای تیم (یا حتی تیم‌های دیگر) قابل‌فهم‌تر می‌شود. بهتر است بدانید که این مزیت در پروژه‌های بزرگ یا نگهداری بلندمدت بسیار مهم و حیاتی است.
• مستندسازی بهتر و استفاده آسان‌تر از الگوها (Documentation & Accessibility): در بیشتر اوقات الگو طراحی دارای مستندات دقیق و قالب‌های مشخصی برای کاربرد است. این موضوع باعث می‌شود حتی توسعه‌دهندگانی که در حوزه طراحی تخصص زیادی ندارند، بتوانند به سادگی از الگوها استفاده کنند و آن‌ها را در پروژه‌های مختلف به‌کار بگیرند.
• کاهش هزینه تولید (Lower Production Cost): به کمک دیزاین پترن، دیر نیازی به طراحی و پیاده‌سازی مجدد برای هر پروژه نیست. در واقع قابلیت استفاده مجدد باعث کاهش هزینه زمانی و مالی پروژه‌ها می‌شود.
• انتقال دانش میان تیم‌ها و سازمان‌ها (Knowledge Sharing): الگوی طراحی قابلیت انتقال دارد و می‌توان آن‌ها را درون یک پروژه، یک تیم و یا بین شرکت‌ها به اشتراک گذاشت. این ویژگی باعث ایجاد زبان مشترک و حفظ تداوم در رویکردهای طراحی می‌شود.

انواع الگوهای طراحی دیزاین پترن

در کتاب GOF: design patterns تعداد ۲۳ الگو در سه دسته‌بندی معرفی شده‌اند. در ادامه نگاهی کوتاه به این الگوها خواهیم داشت. البته بعد از این کتاب الگوهای دیگری هم مانند Multiton ایجاد شدند که آن‌ها را هم می‌توان در یکی از این دسته‌ها قرار داد.

۱. الگوهای ایجادی یا آفرینشی (Creational Pattern)

این الگوها به ساخت اشیا و ارجاع به آن‌ها می‌پردازند و با انتزاعی کردن روند نمونه‌سازی از کلاس‌ها، مسئولیت این کار را خودشان بر عهده می‌گیرند؛ یعنی دیگر نیازی نیست کلاینت، خودش به‌طور صریح از یک کلاس نمونه‌سازی کند. الگوهای آفرینشی، اتصال بین کلاس‌ها را ضعیف می‌کنند و اتصال‌های سست (Loose-coupling) را افزایش می‌دهند. هدف الگوهای ایجادی این است که یک سیستم را از چگونگی ساخت، تشکیل و ارائه اشیا جدا کنند. این الگوها انعطاف‌پذیری سیستم را از نظر این‌که چه کسی، چگونه و چه هنگام شی را ایجاد می‌کند، افزایش می‌دهند. 

الگوهای ایجادی، دانش این که چه کلاس‌هایی توسط سیستم استفاده می‌شود را کپسوله و جزئیات نمونه‌سازی از آن‌ها را پنهان می‌کنند. اهداف کلی این الگوها به شرح زیر است:

• تسریع نمونه‌سازی از کلاس‌های سنگین (Prototype)
• متمرکز کردن نمونه‌سازی از کلاس‌های هم شکل (Factory Method)
• ایجاد کلاسی که باید تنها یک نمونه داشته‌ باشد (Singleton)
• متمرکز کردن نمونه‌سازی از مجموعه‌ای از کلاس‌ها، که می‌توان آن‌ها را در قالب دسته‌های هم شکل تقسیم کرد (Abstract Factory)
• جدا کردن یک شی از روند ساخت آن (Builder)

۲. الگوهای ساختاری (Structural Pattern)

این الگوها بر روابط و تعامل بین اشیا و ترکیب شدن آن‌ها با یکدیگر برای شکل دادن سازه‌ها و اشیا پیچیده‌تر، تمرکز دارند. الگوهای ساختاری می‌توانند هنگام طراحی یک سیستم یا پس از آن، در حین نگهداری و توسعه استفاده شوند.

اهداف کلی الگوهای ساختاری به شرح زیر است:

• اضافه یا حذف کردن یک قابلیت به‌طور پویا به اشیا در زمان اجرا (Decorator)
• یکسان‌سازی واسط چندین کلاس مختلف مرتبط با هم (Composite)
• دسترسی غیرمستقیم به اشیا، از طریق اشیا واسطه و اعمال کنترل دسترسی (Proxy) 
• جدا ساختن قسمت پیاده‌سازی از قسمت انتزاعی یک کلاس و امکان تغییر آن‌ها به صورت مستقل (Bridge)
• فراهم کردن امکان استفاده از واسط‌های ناهمگون (Adapter) 
• کاهش مصرف منابع با فاکتورگیری از اشیا تکراری و استفاده از اشیا سبک وزن (Flyweight) 
• ساده‌سازی و خلاصه‌سازی چندین زیرسیستم بزرگ در قالب یک لایه ساده‌تر (Facade) 

۳. الگوهای رفتاری (Behavioral Pattern)

همان‌طور که اشاره کردیم، نقطه تمرکز الگوهای ایجادی و ساختاری ایجاد اشیا است؛ اما الگوهای رفتاری به جنبه‌ای دیگر می‌پردازند. در این الگوها به الگوریتم‌ها، مبادله اطلاعات و رفتار کلاس‌ها توجه می‌شود. هدف این الگوها پاسخگویی به سناریوهای رایجی است که در آن‌ها بتوان رفتار یک کلاس را بر اساس یک الگو تعریف کرد. الگوهای رفتاری نحوه تقسیم عملیات بین کلاس‌ها را تعریف می‌کنند و چگونگی ارتباط بین آن‌ها را بهبود می‌دهند.

اهداف کلی الگوهای رفتاری به شرح زیر است:

• قابلیت استخدام چند الگوریتم برای انجام یک کار مشخص (Strategy) 
• فراهم کردن رفتار پویا برای یک شی با وجود ثابت بودن واسط آن (State) 
• توانایی دخل و تصرف در بعضی از مراحل اجرای یک الگوریتم مشخص (Template Method) 
• فاصله انداختن بین درخواست‌دهنده و کسی که درخواست را اجابت می‌کند، با ایجاد زنجیره‌ای از پاسخ‌دهنده‌ها با وظایف و مسئولیت‌های مختلف (Chain of Responsibility) 
• نگهداری سابقه فرمان‌های اجراشده در برنامه برای فراهم کردن قابلیت بازگشت فرمان (Redo and Undo Command)
• ایجاد قابلیت تکرار و شمارش برای اشیایی که از مجموعه‌ای از آیتم‌ها تشکیل می‌شوند (Iterator)
• متمرکز کردن منطق داخلی یک مولفه‌ی بزرگ در قالب یک شی مرکزی (Mediator) 
• توانایی آگاه کردن تعدادی از اشیا از تغییرات یک شی دیگر (Observer) 
• اجرای یک عملیات بر روی مجموعه‌ای از اشیا ناهمگون (Visitor) 
• ایجاد مدلی ساده برای نمایش شی‌گرایی جملات یک زبان (Interpreter) 
• حفظ وضعیت یک شی در یک منبع خارجی برای بازیابی وضعیت شی در آینده (Memento) 

تفاوت بین الگوهای طراحی و معماری نرم‌افزار

بیشتر کاربران حوزه توسعه نرم‌افزار، دو مفهوم «الگوی طراحی (Design Pattern)» و «الگوی معماری (Architectural Pattern)» را با هم اشتباه می‌گیرند، در حالی‌ که هدف، مقیاس و زمان استفاده از آن‌ها متفاوت است. در واقع شناخت تفاوت این دو مفهوم باعث نوشتن یک کد ساختاریافته‌تر می‌شود و حتی به معماران و توسعه‌دهندگان کمک می‌کند تصمیمات بهتری در زمان طراحی و پیاده‌سازی سیستم بگیرند.

معمولا الگوهای طراحی در سطح کدنویسی عمل می‌کنند و راه‌حل‌هایی برای مشکلات تکراری در طراحی شی‌گرا ارائه می‌دهند. در طرف مقابل الگوهای معماری در سطح بالاتری قرار دارند و ساختار کلی سیستم (از نحوه تعامل ماژول‌ها گرفته تا نحوه سازماندهی کل اپلیکیشن) را مشخص می‌کنند. به زبان ساده‌تر می‌توان گفت که الگوی معماری نقشه کلی ساختمان است و الگوهای طراحی، نقش جزئیات اجرای هر اتاق را ایفا می‌کنند. در جدول زیر می‌توانید تمام تفاوت‌های «الگوی طراحی (Design Pattern)» و «الگوی معماری (Architectural Pattern)» را مشاهده کنید:

نقش دیزاین پترن در توسعه نرم‌افزارهای مقیاس‌پذیر

مقیاس‌پذیری (Scalability) یکی از مهم‌ترین دغدغه‌‌های حوزه توسعه نرم‌افزارهای بزرگ و پویا به شمار می‌آید. در این مسیر، الگوی طراحی به‌دلیل راهکارهایی آماده، قابلیت استفاده دوباره و تست‌شده برای مسائل رایج طراحی نقش مهمی ایفا می‌کنند.

الگوهای طراحی با کمک به سازماندهی بهتر کد، کاهش وابستگی اجزا و ساده‌سازی نگهداری، مسیر مقیاس‌پذیر شدن سیستم را هموار می‌سازند. در ادامه به مهم‌ترین نقش‌ها و تاثیرات دیزاین پترن در این زمینه اشاره می‌کنیم:

• استفاده دوباره از کد (Code Reusability): الگوها با ارائه راه‌حل‌های تکرارشونده، جلوی دوباره‌کاری را می‌گیرند. در واقع توسعه‌دهندگان می‌توانند به‌جای نوشتن مجدد منطق مشابه، از ساختارهای استاندارد استفاده کنند و زمان توسعه را کاهش دهند.
• نگهداری آسان‌تر (Maintainability): کدی که بر اساس الگوهای طراحی نوشته شده است، ساختارمندتر، خواناتر و قابل‌فهم‌تر است. همین موضوع باعث می‌شود که با رشد پروژه، اضافه کردن ویژگی‌های جدید یا رفع باگ‌ها ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر باشد.
• افزایش انعطاف‌پذیری (Flexibility): یک سری الگوهای طراحی از جمله Strategy یا Observer باعث می‌شوند اجزای سیستم به‌شکل جداگانه و مستقل از هم کار کنند. این جداسازی وابستگی، امکان تغییر در یک بخش از سیستم را بدون ایجاد اختلال در بخش‌های دیگر فراهم می‌کند.
• پشتیبانی از مقیاس‌پذیری واقعی (Practical Scalability): الگوهایی مانند Singleton (برای مدیریت منابع مشترک)، Factory Method (برای ایجاد کنترل‌شده‌ اشیا) یا Observer (برای مدیریت رویدادها)، از جمله ابزارهایی عملی برای مدیریت پیچیدگی در سیستم‌های در حال رشد هستند.
• تسهیل همکاری تیمی (Collaboration): الگوی طراحی با ایجاد زبان مشترک بین اعضای تیم، درک متقابل را بهبود می‌بخشد و به یکپارچگی طراحی کد در تیم‌های بزرگ کمک می‌کنند.

جمع‌بندی

الگوهای طراحی (Design Patterns) راه‌حل‌هایی تکرارشونده، قابل استفاده مجدد و اثبات‌شده برای مشکلات رایج در طراحی نرم‌افزارهای شی‌گرا هستند. این الگوها به ساختاریافتگی، خوانایی و مقیاس‌پذیری کد کمک می‌کنند و باعث تسریع توسعه، کاهش خطا و افزایش همکاری تیمی می‌شوند. برخلاف الگوریتم‌ها، دیزاین پترن‌ها کد آماده نیستند بلکه قالب‌هایی مفهومی هستند. این الگوها در سه دسته ایجادی، ساختاری و رفتاری طبقه‌بندی می‌شوند و باید به‌درستی و متناسب با مشکل پروژه استفاده شوند تا از پیچیدگی غیرضروری جلوگیری شود.

منابع

refactoring.guru | geeksforgeeks.org | soject.com | ryax.tech | blog.stackademic.com | aipublications.com | teamhub.com | ibm.com | gluo.mx | dev.to