نمط تصميم البرمجيات

يصف نمط تصميم البرمجيات حلاً قابلاً لإعادة الاستخدام لسلوك شائع الاستخدام في البرمجيات . ^{[ 1 ]} لا يُعد نمط التصميم بنية جامدة تُنسخ مباشرةً إلى شفرة المصدر ، بل هو وصف ونموذج لحل نوع معين من المشكلات، ويمكن استخدامه في سياقات مختلفة، بما في ذلك لغات البرمجة ومنصات الحوسبة المتنوعة . ^{[ 2 ]} يمكن اعتبار أنماط التصميم أفضل الممارسات الرسمية التي يمكن للمبرمج استخدامها لحل المشكلات الشائعة عند تصميم البرمجيات.

تُظهر أنماط التصميم الموجهة للكائنات عادةً العلاقات والتفاعلات بين الفئات أو الكائنات ، دون تحديد فئات أو كائنات التطبيق النهائية المعنية. قد لا تكون الأنماط التي تتضمن حالة قابلة للتغيير مناسبة للغات البرمجة الوظيفية . يمكن الاستغناء عن بعض الأنماط في اللغات التي تدعم حل المشكلة التي تحاول حلها بشكل مدمج، كما أن الأنماط الموجهة للكائنات ليست بالضرورة مناسبة للغات غير الموجهة للكائنات. ^{[ 3 ]}

نشأت الأنماط كمفهوم معماري على يد كريستوفر ألكسندر في وقت مبكر من عام 1977 في كتابه "لغة الأنماط " (انظر مقالته "نمط الشوارع"، مجلة معهد الفيزياء الأمريكي، سبتمبر 1966، المجلد 32، العدد 5، الصفحات  273-278). في عام 1987، بدأ كينت بيك وورد كانينغهام تجربة فكرة تطبيق الأنماط على البرمجة - وتحديدًا لغات الأنماط - وعرضا نتائجهما في مؤتمر OOPSLA في ذلك العام. ^{[ 4 ] [ 5 ]} وفي السنوات اللاحقة، تابع بيك وكانينغهام وآخرون هذا العمل.

اكتسبت أنماط التصميم شعبية في علوم الحاسوب بعد نشر كتاب " أنماط التصميم: عناصر البرمجيات القابلة لإعادة الاستخدام والموجهة للكائنات" عام 1994 من قِبل ما يُعرف بـ"عصابة الأربعة" (إريك غاما، وريتشارد هيلم، ورالف جونسون، وجون فليسيدس)، والتي يُشار إليها اختصارًا بـ"GoF". ^{[ 6 ]} وفي العام نفسه، عُقد أول مؤتمر للغات أنماط البرمجة ، وفي العام التالي أُنشئ مستودع أنماط بورتلاند لتوثيق أنماط التصميم.

على الرغم من أن أنماط التصميم قد تم تطبيقها عمليًا لفترة طويلة، إلا أن صياغة مفهوم أنماط التصميم بشكل رسمي قد تراجعت لعدة سنوات. ^{[ 7 ]}

يمكن لأنماط التصميم تسريع عملية التطوير من خلال توفير نماذج تطوير مُثبتة. ^{[ 8 ]} يتطلب تصميم البرمجيات الفعال مراعاة المشكلات التي قد لا تظهر إلا لاحقًا أثناء التنفيذ. غالبًا ما يحتوي الكود المكتوب حديثًا على مشكلات خفية ودقيقة تستغرق وقتًا لاكتشافها، وهي مشكلات قد تتسبب أحيانًا في مشاكل كبيرة لاحقًا. يمكن أن تساعد إعادة استخدام أنماط التصميم في منع هذه المشكلات، ^{[ 9 ]} وتحسين سهولة قراءة الكود لمن هم على دراية بهذه الأنماط.

يصعب تطبيق تقنيات تصميم البرمجيات على نطاق أوسع من المشكلات. توفر أنماط التصميم حلولاً عامة، موثقة بصيغة لا تتطلب تفاصيل مرتبطة بمشكلة معينة. ^{[ 10 ]}

في عام 1996، دُعي كريستوفر ألكسندر لإلقاء كلمة رئيسية في مؤتمر OOPSLA لعام 1996. تحدث فيها عن تطور عمله في مجال الأنماط في الهندسة المعمارية، وعن آماله في أن يُسهم مجتمع تصميم البرمجيات في توسيع نطاق الأنماط في الهندسة المعمارية لإنشاء هياكل حية تستخدم مخططات توليدية تُشبه إلى حد كبير شفرة الحاسوب.

يصف النمط تصميمًا برمجيًا ، يُعرف أيضًا باسم بنية دقيقة نموذجية ، كمجموعة من مكونات البرنامج (مثل الفئات والأساليب...) وعلاقاتها. يقوم المطور بتكييف هذا التصميم مع قاعدة بياناته البرمجية لحل المشكلة التي يصفها النمط. يتميز الكود الناتج ببنية وتنظيم مشابهين للتصميم المختار.

بُذلت جهودٌ أيضًا لتقنين أنماط التصميم في مجالاتٍ مُحددة، بما في ذلك استخدام أنماط التصميم الموجودة، بالإضافة إلى أنماط التصميم الخاصة بكل مجال. ومن الأمثلة على ذلك أنماط تصميم واجهة المستخدم ، ^{[ 11 ]} وتصور المعلومات ، ^{[ 12 ]} والتصميم الآمن، ^{[ 13 ] و} "سهولة الاستخدام الآمنة"، ^{[ 14 ]} وتصميم مواقع الويب ^{، [ 15 ]} وتصميم نماذج الأعمال. ^{[ 16 ]}

تتضمن وقائع المؤتمر السنوي للغات الأنماط في البرمجة العديد من الأمثلة على الأنماط الخاصة بمجال معين. ^{[ 17 ]}

تُظهر أنماط التصميم الموجهة للكائنات عادةً العلاقات والتفاعلات بين الفئات أو الكائنات ، دون تحديد فئات أو كائنات التطبيق النهائية المعنية. قد لا تكون الأنماط التي تتضمن حالة قابلة للتغيير مناسبة للغات البرمجة الوظيفية . يمكن الاستغناء عن بعض الأنماط في اللغات التي تدعم حل المشكلة التي تحاول حلها بشكل مدمج، كما أن الأنماط الموجهة للكائنات ليست بالضرورة مناسبة للغات غير الموجهة للكائنات.

يمكن تنظيم أنماط التصميم في مجموعات بناءً على نوع المشكلة التي تحلها.

تصف وثائق نمط التصميم السياق الذي يُستخدم فيه النمط، والقوى الكامنة في هذا السياق التي يسعى النمط إلى حلها، والحل المقترح. ^{[ 31 ]} لا يوجد تنسيق موحد ومعياري لتوثيق أنماط التصميم، بل استخدم مؤلفو الأنماط تنسيقات مختلفة. مع ذلك، ووفقًا لمارتن فاولر ، أصبحت بعض أشكال الأنماط أكثر شيوعًا من غيرها، وبالتالي أصبحت نقاط انطلاق شائعة لجهود كتابة الأنماط الجديدة. ^{[ 32 ]} ومن الأمثلة على تنسيقات التوثيق الشائعة الاستخدام، التنسيق الذي استخدمه إريك غاما ، وريتشارد هيلم ، ورالف جونسون ، وجون فليسيدس في كتابهم " أنماط التصميم" . ويتضمن الأقسام التالية:

اسم

اسم وصفي وفريد ​​يساعد في تحديد النمط والإشارة إليه.

نية

وصف للهدف من وراء هذا النمط وسبب استخدامه.

يُعرف أيضًا باسم

أسماء أخرى لهذا النمط.

تحفيز

سيناريو يتكون من مشكلة وسياق يمكن فيه استخدام هذا النمط.

قابلية التطبيق

الحالات التي يكون فيها هذا النمط قابلاً للاستخدام؛ سياق استخدام النمط.

بناء

تمثيل بياني للنمط. يمكن استخدام مخططات الفئات ومخططات التفاعل لهذا الغرض.

مشاركون

قائمة بالفئات والكائنات المستخدمة في النمط وأدوارها في التصميم.

تعاون

وصف لكيفية تفاعل الفئات والكائنات المستخدمة في النمط مع بعضها البعض.

عواقب

وصف للنتائج والآثار الجانبية والمفاضلات الناتجة عن استخدام هذا النمط.

تطبيق

وصف لتطبيق النمط؛ جزء الحل من النمط.

نموذج التعليمات البرمجية

توضيح لكيفية استخدام النمط في لغة برمجة.

الاستخدامات المعروفة

أمثلة على الاستخدامات الحقيقية لهذا النمط.

أنماط ذات صلة

أنماط أخرى لها علاقة ما بالنمط؛ مناقشة الاختلافات بين النمط والأنماط المشابهة.

يرى البعض أن الحاجة إلى نمط تصميم قد تكون مؤشرًا على غياب ميزة معينة في لغة البرمجة. يوضح بيتر نورفيج أن 16 نمطًا من أصل 23 نمطًا في كتاب أنماط التصميم (الذي يركز بشكل أساسي على لغة C++) قد تم تبسيطها أو حذفها (عبر دعم اللغة المباشر) في لغتي Lisp أو Dylan . ^{[ 33 ]} وقد توصل هانيمان وكيزاليس (2002) إلى ملاحظات مماثلة، حيث قاما بتطبيق العديد من أنماط التصميم الـ 23 باستخدام لغة برمجة موجهة نحو الجوانب (AspectJ)، وأظهرا أنه تم إزالة التبعيات على مستوى الكود من تطبيقات 17 نمطًا من أنماط التصميم الـ 23، وأن البرمجة الموجهة نحو الجوانب يمكن أن تبسط تطبيقات أنماط التصميم. ^{[ 34 ]} انظر أيضًا مقال بول جراهام "انتقام المهووسين". ^{[ 35 ]}

قد يؤدي الاستخدام غير المناسب للأنماط إلى زيادة التعقيد بلا داعٍ. ^{[ 36 ]}

بحسب التعريف، يجب برمجة النمط من جديد في كل تطبيق يستخدمه. ^{[ 37 ]} ولأن بعض الباحثين يرون في ذلك تراجعًا عن إعادة استخدام البرمجيات كما توفرها المكونات ، فقد عمل الباحثون على استخدام إمكانيات البرمجة العامة لتحويل الأنماط إلى مكونات، في عملية تُسمى التجزئة إلى مكونات . ^{[ 38 ] [ 39 ]} وقد تمكن ماير وأرنوت (2006) من توفير تجزئة كاملة أو جزئية لثلثي الأنماط التي حاولوا تطبيقها. ^{[ 40 ]}

لتحقيق المرونة، قد تُدخل أنماط التصميم مستويات إضافية من التوجيه غير المباشر ، مما قد يؤدي إلى تعقيد التصميم الناتج وتقليل أداء وقت التشغيل .

المفاهيم التالية متشابهة في طبيعتها العامة ولكنها تختلف عن نمط تصميم البرمجيات: ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 19 ] [ 43 ]}

نمط هندسة البرمجيات

حلٌّ قابلٌ لإعادة الاستخدام ومُجرَّبٌ لمشكلةٍ متكررةٍ على مستوى النظام، يُعالج المخاوف المتعلقة بالبنية العامة، وتفاعلات المكونات، وخصائص جودة النظام. ^{[ 44 ]} تعمل أنماط هندسة البرمجيات على مستوى تجريدٍ أعلى من أنماط التصميم، حيث تُعالج تحدياتٍ أوسع نطاقًا على مستوى النظام. في حين أن هذه الأنماط تؤثر عادةً على مخاوف مستوى النظام، إلا أن التمييز بين أنماط الهندسة المعمارية وأساليبها قد يكون غير واضحٍ أحيانًا. ومن الأمثلة على ذلك قاطع الدائرة . ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 19 ]}

أسلوب هندسة البرمجيات

تنظيم هيكلي رفيع المستوى يُحدد بنية النظام ككل، ويُبين كيفية تنظيم المكونات، وكيفية تفاعلها، والقيود المفروضة على هذه التفاعلات. تتضمن أنماط البنية عادةً مُفردات لأنواع المكونات والوصلات، بالإضافة إلى نماذج دلالية لتفسير خصائص النظام. تُمثل هذه الأنماط المستوى الأكثر عمومية لتنظيم النظام. ومن الأمثلة عليها: البنية الطبقية ، والخدمات المصغرة ، والبنية الموجهة بالأحداث . ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 19 ]}

نمط التنفيذ

يُفرّق بيك بين أنماط التصميم، التي تصف عمومًا العلاقات بين الفئات، وأنماط التنفيذ ، التي غالبًا ما تقتصر على فئة واحدة. ^{[ 45 ]} وانطلاقًا من هذا، يُعرّف إيجلبرجر (2022) نمط التنفيذ بأنه أسلوب برمجي لا يُضيف تجريدًا، وبالتالي يقع ضمن مستوى تفاصيل التنفيذ. ^{[ 46 ]} ولهذا السبب، غالبًا ما تكون هذه الأنماط خاصة بلغة البرمجة المستخدمة، مع اعتبار النسخ والتبديل و RAII مثالين على ذلك في لغة C++، ^{[ 43 ]} مع أن هذه الأساليب قد تُشكّل أنماط تصميم حقيقية في لغات أخرى. ^{[ 47 ]}