Bei Software-Entwurfsmustern handelt es sich um kommunizierende Objekte und Klassen, die angepasst werden, um ein allgemeines Entwurfsproblem in einem bestimmten Kontext zu lösen. Software-Entwurfsmuster sind allgemeine, wiederverwendbare Lösungen für häufige Probleme, die beim Entwurf und der Entwicklung von Software auftreten. Sie stellen Best Practices zur Lösung bestimmter Arten von Problemen dar und bieten Entwicklern die Möglichkeit, über effektive Designlösungen zu kommunizieren.

Das Verstehen und Anwenden dieser Muster kann Ihre Fähigkeiten in der Softwareentwicklung erheblich verbessern. Für diejenigen, die ihr Wissen und die Anwendung von Software-Designmustern vertiefen möchten, ist unser umfassender Kurs verfügbar Systemdesign-Kurs bietet einen strukturierten Ansatz zur Beherrschung dieser wesentlichen Konzepte. Indem Sie aus realen Beispielen und Experteneinblicken lernen, können Sie das Fachwissen entwickeln, um diese Muster effektiv in Ihren Projekten umzusetzen.

Inhaltsverzeichnis

• Arten von Software-Designmustern
• Kreative Designmuster
• Strukturelle Entwurfsmuster
• Verhaltensdesignmuster
• Designmuster in verschiedenen Sprachen
• Interviewfragen zu Software-Designmustern
• Häufig gestellte Fragen zu Software-Designmustern

Arten von Software-Designmustern

Es gibt drei Arten von Designmustern:

• Kreatives Designmuster
• Strukturelles Entwurfsmuster
• Verhaltensdesignmuster

Kreative Designmuster

Creational Design Pattern abstrahieren den Instanziierungsprozess. Sie helfen dabei, ein System unabhängig davon zu machen, wie seine Objekte erstellt, zusammengesetzt und dargestellt werden.

Arten von kreativen Designmustern:

1. Entwurfsmuster für Fabrikmethoden

Das Factory-Methodenmuster wird zum Erstellen von Objekten verwendet, ohne die genaue Objektklasse anzugeben, die erstellt werden soll. Dieses Muster ist nützlich, wenn Sie die Erstellung eines Objekts von seiner Implementierung entkoppeln müssen.

2. Abstraktes Fabrikmethoden-Entwurfsmuster

Das abstrakte Factory-Muster ähnelt fast dem Factory-Muster und wird als eine weitere Abstraktionsebene über dem Factory-Muster betrachtet. Abstrakte Fabrikmuster basieren auf einer Superfabrik, die andere Fabriken schafft.

3. Entwurfsmuster der Singleton-Methode

Die Singleton-Methode oder das Singleton-Entwurfsmuster ist eines der einfachsten Entwurfsmuster. Es stellt sicher, dass eine Klasse nur eine Instanz hat und bietet einen globalen Zugriffspunkt darauf.

4. Entwurfsmuster für Prototypenmethoden

Mit Prototypen können wir die Komplexität der Erstellung neuer Instanzen vor dem Kunden verbergen. Das Konzept besteht darin, ein vorhandenes Objekt zu kopieren, anstatt eine neue Instanz von Grund auf zu erstellen, was möglicherweise kostspielige Vorgänge erfordert. Das vorhandene Objekt fungiert als Prototyp und enthält den Zustand des Objekts.

5. Entwurfsmuster für die Builder-Methode

Das Builder-Muster zielt darauf ab, die Konstruktion eines komplexen Objekts von seiner Darstellung zu trennen, sodass mit demselben Konstruktionsprozess unterschiedliche Darstellungen erstellt werden können. Es wird verwendet, um ein komplexes Objekt Schritt für Schritt zu konstruieren, und im letzten Schritt wird das Objekt zurückgegeben.

Strukturelle Entwurfsmuster

Bei strukturellen Entwurfsmustern geht es darum, wie Klassen und Objekte zusammengesetzt werden, um größere Strukturen zu bilden. Strukturelle Klassenmuster nutzen Vererbung, um Schnittstellen oder Implementierungen zu erstellen.

Arten von Strukturentwurfsmustern:

1. Entwurfsmuster für die Adaptermethode

Das Adaptermuster konvertiert die Schnittstelle einer Klasse in eine andere Schnittstelle, die Clients erwarten. Mit dem Adapter können Klassen zusammenarbeiten, die aufgrund inkompatibler Schnittstellen sonst nicht möglich wären.

2. Entwurfsmuster für die Brückenmethode

Das Brückenmuster ermöglicht die unabhängige Entwicklung der Abstraktion und der Implementierung und der Clientcode kann nur auf den Abstraktionsteil zugreifen, ohne sich um den Implementierungsteil kümmern zu müssen.

„Kruskals Algorithmus“

3. Entwurfsmuster für zusammengesetzte Methoden

Das zusammengesetzte Muster ist ein partitionierendes Entwurfsmuster und beschreibt eine Gruppe von Objekten, die genauso behandelt wird wie eine einzelne Instanz desselben Objekttyps. Die Absicht eines Verbunds besteht darin, Objekte in Baumstrukturen zusammenzufassen, um Teil-Ganze-Hierarchien darzustellen.

4. Designmuster für die Dekorateurmethode

Es ermöglicht uns, einem Objekt dynamisch Funktionalität und Verhalten hinzuzufügen, ohne das Verhalten anderer vorhandener Objekte innerhalb derselben Klasse zu beeinflussen. Wir nutzen Vererbung, um das Verhalten der Klasse zu erweitern. Dies geschieht zur Kompilierungszeit und alle Instanzen dieser Klasse erhalten das erweiterte Verhalten.

5. Entwurfsmuster für die Fassadenmethode

Das Facade Method Design Pattern bietet eine einheitliche Schnittstelle zu einer Reihe von Schnittstellen in einem Subsystem. Facade definiert eine High-Level-Schnittstelle, die die Verwendung des Subsystems erleichtert.

6. Entwurfsmuster für die Fliegengewichtsmethode

Dieses Muster bietet Möglichkeiten, die Objektanzahl zu verringern und so die Struktur der für die Anwendung erforderlichen Objekte zu verbessern. Das Fliegengewichtsmuster wird verwendet, wenn wir eine große Anzahl ähnlicher Objekte erstellen müssen.

7. Entwurfsmuster für Proxy-Methoden

Proxy bedeutet „anstelle von“, „repräsentierend“ oder „anstelle von“ oder „im Namen von“ sind wörtliche Bedeutungen von Proxy und das erklärt direkt das Proxy-Designmuster. Proxys werden auch als Surrogate, Handles und Wrapper bezeichnet. Sie sind in ihrer Struktur, aber nicht in ihrem Zweck, eng mit Adaptern und Dekoratoren verwandt.

Verhaltensdesignmuster

Verhaltensmuster befassen sich mit Algorithmen und der Zuweisung von Verantwortlichkeiten zwischen Objekten. Verhaltensmuster beschreiben nicht nur Muster von Objekten oder Klassen, sondern auch die Kommunikationsmuster zwischen ihnen. Diese Muster charakterisieren einen komplexen Kontrollfluss, der zur Laufzeit schwer zu verfolgen ist.

Arten von Verhaltensdesignmustern:

1. Entwurfsmuster für die Methode der Verantwortungskette

Das Muster der Verantwortungskette wird verwendet, um eine lose Kopplung im Softwaredesign zu erreichen, bei dem eine Anfrage des Kunden an eine Kette von Objekten weitergeleitet wird, um diese zu verarbeiten. Später entscheidet das Objekt in der Kette selbst, wer die Anfrage verarbeitet und ob die Anfrage an das nächste Objekt in der Kette gesendet werden muss oder nicht.

2. Entwurfsmuster für Befehlsmethoden

Das Befehlsmuster ist ein Verhaltensentwurfsmuster, das eine Anfrage in ein eigenständiges Objekt umwandelt, das alle Informationen über die Anfrage enthält. Dieses Objekt kann weitergegeben, gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführt werden

3. Entwurfsmuster für Dolmetschermethoden

Ein Interpretermuster wird verwendet, um eine grammatikalische Darstellung für eine Sprache zu definieren und einen Interpreter für den Umgang mit dieser Grammatik bereitzustellen.

4. Entwurfsmuster für die Mediatormethode

Es ermöglicht die Entkopplung von Objekten durch die Einführung einer dazwischen liegenden Schicht, sodass die Interaktion zwischen Objekten über die Schicht erfolgt.

5. Designmuster für die Memento-Methode

Es wird verwendet, um den Zustand eines Objekts auf einen früheren Zustand zurückzusetzen. Während Ihre Anwendung voranschreitet, möchten Sie möglicherweise Prüfpunkte in Ihrer Anwendung speichern und diese Prüfpunkte später wiederherstellen. Die Absicht des Memento Design-Musters besteht darin, den internen Zustand eines Objekts zu erfassen und zu externalisieren, ohne die Kapselung zu verletzen, sodass das Objekt später in diesen Zustand zurückversetzt werden kann.

6. Entwurfsmuster für die Beobachtermethode

Es definiert eine Eins-zu-viele-Abhängigkeit zwischen Objekten, sodass alle seine abhängigen Objekte (Beobachter) automatisch benachrichtigt und aktualisiert werden, wenn ein Objekt (das Subjekt) seinen Zustand ändert.

7. Entwurfsmuster für Zustandsmethoden

Ein Zustandsentwurfsmuster wird verwendet, wenn ein Objekt sein Verhalten basierend auf seinem internen Zustand ändert. Wenn wir das Verhalten eines Objekts basierend auf seinem Status ändern müssen, können wir eine Statusvariable im Objekt haben und den if-else-Bedingungsblock verwenden, um basierend auf dem Status verschiedene Aktionen auszuführen.

8. Entwurfsmuster für Strategiemethoden

Das Strategy Design Pattern ermöglicht die Auswahl des Verhaltens eines Objekts zur Laufzeit. Es handelt sich um eines der Entwurfsmuster der Gang of Four (GoF), die in der objektorientierten Programmierung weit verbreitet sind. Das Strategiemuster basiert auf der Idee, eine Familie von Algorithmen in separate Klassen zu kapseln, die eine gemeinsame Schnittstelle implementieren.

9. Entwurfsmuster für die Vorlagenmethode

Das Entwurfsmuster einer Vorlagenmethode besteht darin, einen Algorithmus als Grundgerüst von Operationen zu definieren und die Implementierung der Details durch die untergeordneten Klassen zu überlassen. Die Gesamtstruktur und die Reihenfolge des Algorithmus werden von der übergeordneten Klasse beibehalten.

10. Entwurfsmuster für Besuchermethoden

Es wird verwendet, wenn wir eine Operation an einer Gruppe ähnlicher Objekttypen ausführen müssen. Mit Hilfe des Besuchermusters können wir die Betriebslogik von den Objekten in eine andere Klasse verschieben.

Designmuster in verschiedenen Sprachen

Interviewfragen zu Software-Designmustern

• Entwerfen Sie einen Parkplatz nach objektorientierten Prinzipien
• Entwerfen Sie Datenstrukturen und Algorithmen für In-Memory-Dateisysteme
• Wie kann verhindert werden, dass Singleton-Muster reflektiert, serialisiert und geklont werden?

Häufig gestellte Fragen zu Software-Designmustern

1. Was sind Software-Designmuster?

• Software-Designmuster sind wiederverwendbare Lösungen für häufige Probleme, die während der Softwareentwicklung auftreten. Sie sind Vorlagen zur Lösung wiederkehrender Designprobleme und bieten eine Möglichkeit, flexible, skalierbare und wartbare Softwaresysteme zu erstellen.

2. Warum sind Entwurfsmuster in der Softwareentwicklung wichtig?

• Entwurfsmuster fördern Best Practices, verbessern die Lesbarkeit des Codes und erleichtern die Wiederverwendung von Code. Sie helfen bei der Erstellung modularer, erweiterbarer und einfacher zu wartender Software und reduzieren so die Entwicklungszeit und den Entwicklungsaufwand.

3. Wie unterscheiden sich Entwurfsmuster von Algorithmen?

• Entwurfsmuster konzentrieren sich auf die Lösung wiederkehrender Entwurfsprobleme auf architektonischer oder struktureller Ebene und legen den Schwerpunkt auf die Organisation des Codes. Algorithmen hingegen sind schrittweise Verfahren zur Lösung spezifischer Probleme auf rechnerischer Ebene.

4. Was sind die häufigsten Arten von Entwurfsmustern?

• Entwurfsmuster werden in drei Haupttypen eingeteilt: kreatorische, strukturelle und verhaltensbezogene. Schöpfungsmuster befassen sich mit der Objekterstellung, Strukturmuster mit der Objektkomposition und Verhaltensmuster mit der Objektzusammenarbeit und -verantwortung.

5. Können Sie Beispiele für kreative Designmuster nennen?

• Beispiele hierfür sind Singleton (sicherstellen, dass eine Klasse nur eine Instanz hat), Factory-Methode (Erstellen von Objekten ohne Angabe der genauen Klasse) und Abstract Factory (Bereitstellen einer Schnittstelle zum Erstellen von Familien verwandter oder abhängiger Objekte).

6. Wie verbessern Entwurfsmuster die Codeflexibilität?

• Entwurfsmuster fördern eine lose Kopplung zwischen Komponenten und machen es einfacher, Teile des Systems zu ersetzen oder zu erweitern, ohne andere zu beeinträchtigen. Diese Flexibilität ist entscheidend für die Anpassung an sich ändernde Anforderungen.

7. Wann sollte ich Designmuster verwenden?

• Entwurfsmuster sollten verwendet werden, wenn beim Software-Design wiederkehrende Probleme auftreten. Sie sind besonders nützlich in komplexen Systemen, in denen ein systematischer und bewährter Entwurfsansatz erforderlich ist.

8. Sind Designmuster sprachspezifisch?

• Nein, Entwurfsmuster sind nicht an eine bestimmte Programmiersprache gebunden. Es handelt sich um konzeptionelle Lösungen, die in verschiedenen Sprachen umgesetzt werden können. Allerdings können die Syntax- und Implementierungsdetails variieren.

9. Wie kann ich Designmuster erlernen und beherrschen?

• Beginnen Sie damit, die Grundprinzipien von Entwurfsmustern zu verstehen. Üben Sie die Umsetzung in Ihren Projekten und studieren Sie Beispiele aus der Praxis. Bücher, Online-Tutorials und die praktische Anwendung in Projekten tragen zur Beherrschung von Designmustern bei.

10. Sind Entwurfsmuster in allen Softwareprojekten anwendbar?

• Während Entwurfsmuster wertvolle Lösungen für häufige Entwurfsprobleme bieten, hängt ihre Anwendbarkeit vom Kontext und der Komplexität des Projekts ab. In einfacheren Projekten sind einige Muster möglicherweise unnötig, während sie in größeren Projekten hilfreich bei der Aufrechterhaltung einer skalierbaren und organisierten Codebasis sein können.

11. Was ist der Unterschied zwischen einem Design-Pattern und einem Anti-Pattern?

• Entwurfsmuster sind bewährte Lösungen für häufig auftretende Probleme und fördern Best Practices. Im Gegensatz dazu sind Anti-Patterns häufige Fallstricke oder schlechte Praktiken, die zu einem schlechten Software-Design führen können und vermieden werden sollten.

12. Können Designmuster überstrapaziert werden?

• Ja, die übermäßige Verwendung von Entwurfsmustern ohne Berücksichtigung des Kontexts und der Komplexität des Projekts kann zu unnötig komplexem Code führen. Es ist wichtig, Entwurfsmuster mit Bedacht anzuwenden, wo sie einen Mehrwert schaffen und die Codestruktur verbessern.

13. Kann ich meine eigenen Designmuster erstellen?

• Ja, Sie können benutzerdefinierte Designmuster basierend auf den spezifischen Anforderungen Ihres Projekts erstellen. Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, dass das Muster ein wiederkehrendes Problem anspricht und den Prinzipien guten Designs folgt.

14. In welcher Beziehung stehen Designmuster zum Codegeruch?

• Entwurfsmuster tragen dazu bei, Code-Gerüche (Anzeichen für schlechtes Design) zu beseitigen, indem sie bewährte Lösungen für häufige Probleme bereitstellen. Das Erkennen und Beheben von Code-Gerüchen ist für die Erstellung wartbarer und effizienter Software von entscheidender Bedeutung.

15. Gibt es Entwurfsmuster für den Datenbankentwurf?

• Während herkömmliche Entwurfsmuster möglicherweise nicht direkt auf den Datenbankentwurf anwendbar sind, können Prinzipien wie Normalisierung und Denormalisierung als Entwurfsmuster zum Erstellen effizienter und skalierbarer Datenbankstrukturen betrachtet werden.

16. Können Entwurfsmuster in der Microservices-Architektur verwendet werden?

• Ja, Entwurfsmuster können in der Microservices-Architektur angewendet werden, um allgemeine Herausforderungen wie Serviceerkennung, Kommunikation zwischen Services und Fehlertoleranz zu bewältigen. Muster wie das Service Registry und der Circuit Breaker sind relevant.

17. Wie wirken sich Entwurfsmuster auf die Systemleistung aus?

• Richtig angewendete Entwurfsmuster können die Systemleistung verbessern, indem sie eine effiziente Codeorganisation fördern und Redundanz reduzieren. Allerdings können schlecht ausgewählte oder überstrapazierte Muster zu unnötiger Komplexität führen und möglicherweise die Leistung beeinträchtigen.

18. Müssen Nachwuchsentwickler Designmuster lernen?

• Das Erlernen von Entwurfsmustern ist zwar nicht zwingend erforderlich, kann aber Nachwuchsentwicklern erheblich zugute kommen, indem es ihnen bewährte Lösungen für häufig auftretende Probleme bietet. Es kann den Lernprozess beschleunigen und dazu beitragen, besser wartbaren Code zu schreiben.

19. Wie tragen Entwurfsmuster zur Codedokumentation bei?

• Entwurfsmuster dokumentieren grundsätzlich Lösungen für häufig auftretende Entwurfsprobleme. Wenn Entwickler mit Entwurfsmustern vertraut sind, wird der Code selbstdokumentierend, sodass andere ihn leichter verstehen und zum Projekt beitragen können.

20. Können Entwurfsmuster rückwirkend auf bestehende Codebasen angewendet werden?

• Ja, Entwurfsmuster können rückwirkend angewendet werden, der Prozess erfordert jedoch möglicherweise eine Umgestaltung des vorhandenen Codes. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Auswirkungen der Einführung eines Musters zu bewerten und sicherzustellen, dass es mit der Gesamtarchitektur übereinstimmt.

21. Gibt es Designmuster für die Webentwicklung?

• Ja, viele Designmuster sind in der Webentwicklung anwendbar. Muster wie MVC, Observer und Singleton werden häufig zum Organisieren und Strukturieren von Code sowohl in der Frontend- als auch in der Backend-Entwicklung verwendet.

22. Wie unterscheiden sich Entwurfsmuster von Architekturmustern?

• Designmuster befassen sich auf einer niedrigeren Ebene mit spezifischen Designproblemen und konzentrieren sich auf die Erstellung, Komposition und Interaktion von Objekten. Architekturmuster hingegen befassen sich mit übergeordneten Strukturen einer gesamten Anwendung oder eines Systems.

23. Können Entwurfsmuster in der funktionalen Programmierung verwendet werden?

• Ja, Entwurfsmuster können für funktionale Programmierparadigmen angepasst werden. Funktionale Entwurfsmuster konzentrieren sich auf die Zusammenstellung von Funktionen, um Probleme zu lösen und Unveränderlichkeit und Zustandslosigkeit zu fördern.

24. Welche Rolle spielen Entwurfsmuster für die Wartbarkeit des Codes während der Teamzusammenarbeit?

• Entwurfsmuster tragen zur Wartbarkeit des Codes bei, indem sie ein gemeinsames Vokabular und eine gemeinsame Struktur bereitstellen. Wenn ein Team mit Entwurfsmustern vertraut ist, wird die Zusammenarbeit effizienter und Teammitglieder können die Codebasis leichter verstehen und darüber nachdenken.

25. Gibt es Entwurfsmuster speziell für Echtzeitsysteme?

• Ja, Echtzeitsysteme verwenden häufig Entwurfsmuster, die auf ihre individuellen Herausforderungen zugeschnitten sind. Muster wie das Observer-Muster können angewendet werden, um die Benachrichtigung und Synchronisierung von Ereignissen in Echtzeit zu verwalten.