Tópicos Avançados em Engenharia de Software

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1 Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de Matemática e Computação Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação Tópicos Avançados em Engenharia de Software Padrões e Frameworks (Aula 01- Parte 1) Prof. Dr. Rogério Eduardo Garcia (rogerio@fct.unesp.br) Introdução Padrões de software: descrição de soluções para determinados problemas que ocorrem frequentemente durante o desenvolvimento de sistemas Vantagens: Aumento de produtividade Uniformidade na estrutura do software Aplicação imediata por outros desenvolvedores Redução da complexidade: blocos construtivos 1

2 Introdução Rogério Eduardo Garcia É importante saber aplicar o padrão correto e de maneira correta. Os padrões devem ser lidos, entendidos e incorporados ao modelo mental de projeto de software. Só assim poderão ser utilizados no projeto de algum software. A Inspiração A idéia de padrões foi apresentada por Christopher Alexander em 1977 no contexto de Arquitetura (de prédios e cidades): Cada padrão descreve um problema que ocorre repetidamente de novo e de novo em nosso ambiente, e então descreve a parte central da solução para aquele problema de uma forma que você pode usar esta solução um milhão de vezes, sem nunca implementa-la duas vezes da mesma forma. 2

3 Histórico Origem: Christopher Alexander (padrões de arquitetura para construção de casas, bairros, cidades, etc.) Em software: Peter Coad: padrões de análise James Coplien padrões de programação Gamma et al padrões de projeto Primeira conferência PLOP Gang of Four (GoF) E. Gamma and R. Helm and R. Johnson and J. Vlissides. Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison-Wesley,

4 Gang of Four (GoF) Passamos a ter um vocabulário comum para conversar sobre projetos de software. Soluções que não tinham nome passam a ter nome. Ao invés de discutirmos um sistema em termos de pilhas, filas, árvores e listas ligadas, passamos a falar de coisas de muito mais alto nível como Fábricas, Fachadas, Observador, Estratégia, etc. A maioria dos autores eram entusiastas de Smalltalk, principalmente o Ralph Johnson. Mas acabaram baseando o livro em C++ para que o impacto junto à comunidade de CC fosse maior. E o impacto foi enorme, o livro vendeu centenas de milhares de cópias. O Formato de um padrão Todo padrão inclui Nome Problema Solução Conseqüências / Forças 4

5 O Formato dos padrões no GoF Nome (inclui número da página) um bom nome é essencial para que o padrão caia na boca do povo Objetivo / Intenção Também Conhecido Como Motivação um cenário mostrando o problema e a necessidade da solução Aplicabilidade como reconhecer as situações nas quais o padrão é aplicável Estrutura uma representação gráfica da estrutura de classes do padrão (usando OMT91) em, às vezes, diagramas de interação (Booch 94) Participantes as classes e objetos que participam e quais são suas responsabilidades Colaborações como os participantes colaboram para exercer as suas responsabilidades O Formato dos padrões no GoF Conseqüências vantagens e desvantagens, trade-offs Implementação com quais detalhes devemos nos preocupar quando implementamos o padrão aspectos específicos de cada linguagem Exemplo de Código no caso do GoF, em C++ (a maioria) ou Smalltalk Usos Conhecidos exemplos de sistemas reais de domínios diferentes onde o padrão é utilizado Padrões Relacionados quais outros padrões devem ser usados em conjunto com esse quais padrões são similares a este, quais são as dierenças 5

6 Tipos de Padrão Existem padrões em diversos níveis de abstração: Padrões de Análise Padrões de Projeto Padrões de Interface Padrões Arquiteturais Padrões de Programação Padrões de Processo Padrões de Padrão Padrões de Análise Descrevem soluções para problemas de análise de sistemas, embutindo conhecimento sobre o domínio de aplicação específico Exemplo: Padrão: Time-Association Problema: Duas entidades possuem uma associação temporal importante Solução: crie uma classe para cada uma das entidades e uma classe representando a associação temporal 6

7 Padrões de Projeto Soluções para problemas de projeto de software Exemplo: Padrão: Iterator Problema: Um agregado precisa ser percorrido de diferentes maneiras Solução: Defina uma classe abstrata Iterador e utilize instâncias desse iterador para fazer cada percurso desejado. Padrões de Interface Soluções para problemas comuns no projeto da interface de sistemas Exemplo: Padrão: Alternate subforms Problema: como projetar uma janela na qual são necessários conjuntos diferentes de dispositivos de acordo com dados da aplicação Solução: Monte um formulário usando subformulários menores. Crie um subform p/ cada variação dos dispositivos... 7

8 Padrões Arquiteturais Expressam o esquema ou organização estrutural fundamental de sistemas de software. Exemplo: Padrão:Model-View-Controller Problema: interfaces voláteis podem afetar a manutenibilidade do sistema como um todo Solução: desvincular a interface do modelo e do controlador... Padrões de programação Soluções de programação particulares de uma determinada linguagem Exemplo: C++ Idioms (Coplien 92) Idiom: forma canônica ortodoxa Problema: funcionamento de um objeto apresenta problemas devido a não existência de um padrão de implementação Solução: Uma classe contém sempre: um construtor default, um construtor copy, um operador de atribuição, e um destrutor 8

9 Padrões de processo definem soluções para os problemas encontrados nos processos envolvidos na engenharia de software: desenvolvimento, controle de configuração, testes, etc. Exemplo: Patterns for evolving frameworks Padrão: Three examples Problema: como começar a projetar um framework Solução: desenvolva 3 aplicativos que você considera que o framework poderia ajudar a construir Padrões de padrão Tentam uniformizar a estrutura básica de um padrão Exemplo: Templates fornecidos por diversos autores de padrão, entre eles: Brad Appleton (reuniu diversos em apenas um) Gang of Four (GoF): Gamma, Helm, Johnson e Vlissides, autores do primeiro livro sobre padrões Pattern Language for writing patterns 9

10 Outros Padrões Padrões de persistência Descrevem soluções para problemas de armazenamento de informações em arquivos ou bancos de dados Padrões para Hipertexto Descrevem soluções para problemas encontrados no projeto de hipertextos. Padrões para Hipermídia Descrevem soluções para problemas encontrados no desenvolvimento de aplicações hipermídia. Estrutura básica 1 - GoF Pattern Name (Scope, Purpose) O nome do padrão capta sucintamente a essência do padrão. Um bom nome é vital por poder se tornar parte do vocabulário de projeto Intent Uma descrição sucinta que responda: O que o padrão faz? Qual seu objetivo e razão de ser? Que problema ele enfoca? 10

11 Estrutura básica 1 - GoF Also Known As Outros nomes conhecidos para o padrão, se existirem Motivation Um cenário que ilustre o problema de projeto e como os elementos do padrão resolvem o problema. O cenário ajuda a entender a descrição mais abstrata do padrão que se segue. Estrutura básica 1 - GoF Applicability Quais as situações nas quais o padrão de projeto pode ser aplicado? Quais são os exemplos de projetos mal feitos que o padrão pode resolver? Como reconhecer tais situações? Structure: esquema do padrão Participants Classes e objetos que participam do padrão de projeto e suas responsabilidades 11

12 Estrutura básica 1 - GoF Collaborations Como os participantes colaboram para satisfazer suas responsabilidades Consequences Como o padrão alcança seus objetivos? Quais são os compromissos e resultados do uso do padrão? Quais aspectos da estrutura do sistema ele permite que sejam variados independentemente? Estrutura básica 1 - GoF Implementation Quais as armadilhas, sugestões ou técnicas que devem ser conhecidas para implementar o padrão? Existem aspectos específicos da linguagem? Sample Code and Usage Fragmentos de código que ilustram como o padrão pode ser implementado em C++ ou Smalltalk. 12

13 Estrutura básica 1 - GoF Program Listing Known Uses Exemplos do padrão encontrados em sistemas reais. Related Patterns Quais padrões de projeto são intimamente relacionados com este? Quais são as diferenças importantes? Com quais outros padrões este deve ser usado? Padrões GoF 13

14 Estrutura básica 2 - Brad Appleton Name: deve ser significativo Pode haver sub-seções Aliases e Also known as Problem: qual é a intenção do padrão? Context: aplicabilidade, pré-condições Forces: motivação para aplicação do padrão Solution: como solucionar o problema? Pode haver sub-seções Structure, participants Examples: ilustram a aplicação do padrão Estrutura básica 2 - Brad Appleton Related patterns: relacionamento com outros padrões da mesma linguagem padrões alternativos que oferecem outra solução para o mesmo problema mas sob outras forças e contexto. Padrões que podem ou devem ser aplicados simultaneamente com esse padrão Known uses: ajudam a validar que o padrão é uma solução provada p/ problema recorrente 14

15 Padrão de análise: Association Object (Lorraine Boyd) STATIC 1 STATIC 2 Name Name Description Description Set Set Get Get m ASSOCIATION Begin_Date End_Date Cost Allocate_costs Create_current_from_plan 0..m Atributos Comportamento Exemplo do Association Object Pattern Sala Departamento Nome Nome Descrição Descrição Calcular custos da sala Calcular custos depto Set Set Get Get m Atribuição_Sala_Depto Data_inicial Data_final Percentagem_alocação Alocar_custos Criar_atribuição 0..m 15

16 Regras para derivação de novos padrões ( Pattern mining ) Encontre pelo menos três exemplos nos quais um problema é resolvido efetivamente usando a mesma solução.... Extraia a solução, o problema e as influências Declare a solução como candidata a padrão Execute um writer s workshop para melhorar a descrição do candidato e compartilhá-lo com outros Aplique o candidato a padrão em um outro projeto de desenvolvimento de software Declare o candidato a padrão como padrão se sua aplicação for bem sucedida. Caso contrário tente procurar uma solução melhor. Desenvolvimento de sistemas usando padrões padrões não definem um novo método para desenvolvimento de software que substitua os já existentes. Apenas complementam os métodos de análise e projeto gerais e independentes do problema, com diretrizes para resolver problemas específicos e concretos. 16

17 Desenvolvimento de sistemas usando padrões 1) Utilize seu método preferido para o processo de desenvolvimento de software em cada fase do desenvolvimento. 2) Utilize um sistema de padrões adequado para guiar o projeto e implementação de soluções para problemas específicos, isto é, sempre que encontrar um padrão que resolva um problema de projeto presente no sistema, utilize os passos de implementação associados a esse padrão. Se esses se referirem a outros padrões, aplique-os recursivamente. 3) Se o sistema de padrões não incluir um padrão para seu problema de projeto, tente encontrar um padrão em outras fontes conhecidas. 4) Se nenhum padrão estiver disponível, aplique as diretrizes de análise e projeto do método que você está usando. Essas diretrizes fornecem pelo menos algum apoio útil para resolver o problema de projeto em mãos. Desenvolvimento de sistemas usando padrões Segundo Buschmann, essa abordagem simples evita que se criem outros métodos de projeto. Ela combina a experiência de desenvolvimento de software captada pelos métodos de análise e projeto com as soluções específicas para problemas de projeto descritas pelos padrões. Mas... a abordagem proposta não cria um novo método de desenvolvimento de sistemas, diferente dos já existentes??? 17

18 Frameworks Definição: Conjunto de classes que cooperam entre si e auxiliam na criação de aplicações específicas. Os exemplos mais comuns de frameworks são na área de computação gráfica. Tipos de framework Caixa branca: para instanciá-lo a uma aplicação específica é necessário alterar o código interno das classes Caixa preta: é possível fazer a instanciação a uma aplicação específica apenas combinando as classes entre si. 18

19 Padrões x Frameworks Padrões são mais abstratos do que frameworks Padrões são menores do que frameworks Padrões são menos especializados do que frameworks. Um framework pode incorporar diversos padrões Consideração Finais Os padrões: documentam uma parte repetida de um projeto OO, permitindo seu entendimento e aplicação em um contexto particular fornecem ao projeto um vocabulário comum constituem uma base de experiência para construção de software reutilizável. atuam como blocos construtivos a partir dos quais projetos mais complexos podem ser construídos 19