Journées Patterns Grenoble 3 et 4 avril 2003

Patterns pour le développement logicielLangage et systèmes de patterns

Isabelle Borne

Université de Bretagne-Sud

Vannes

I.Borne - UBS 2

Sites Web

http://st-www.cs.uiuc.edu/users/patterns/patterns.html http://hillside.net/patterns/patterns.html

Portland Pattern Repository

• http://www.c2.com/ppr

Ward Cunnigham's WikiWiki Web

• http://www.c2.com/cgi/wiki?WelcomeVisitors

• http://www.c2.com/cgi/wiki?PatternIndex

Patterns pour le développement logiciel

Analyse

Conception

Programmation

Architecture logicielle

Anti-patterns

I.Borne - UBS 4

Idiomes ou patterns de codage

Les Idiomes sont des patterns de bas niveau spécifiques à un langage de programmation.

Ils décrivent comment implémenter des aspects particuliers des composants ou leurs relations, avec les caractéristiques d’un langage donné.

Langages : C++, Smalltalk, Java

I.Borne - UBS 5

Patterns de conception (Design Patterns)

Abstraction, identification et façon de nommer les aspects clé d’une structure de conception courante.

Échelle plus petite que les patterns d’architecture, mais niveau plus élevé que les idiomes spécifiques d’un langage de programmation.

Organisés en catalogue.

I.Borne - UBS 6

Références : Erich Gamma & al (1995) Design Patterns - Elements of

Reusable Object-Oriented Software, Addison-Wesley.

S.R. Alpert, K.Brown, B.Woolf (1998) The Design Patterns Smalltalk Companion, Addison-Wesley (Software patterns series).

J.W.Cooper (1998), The Design Patterns Java Companion, http://www.patterndepot.com/put/8/JavaPatterns.htm.

S.A. Stelting, O.Maasen (2002) Applied Java Patterns, Sun Microsystems Press.

I.Borne - UBS 7

Catalogue de Design Patterns

Creational Structural Behavioral

Factory Method Adapter (class)Interpreter

Template Methodclass

objectAbstract Factory Adapter (object) Chain of Responsibility

Builder Bridge Command

Prototype Composite Iterator

Singleton Decorator Mediator

Facade Memento

Flyweight Observer

Proxy State, Strategy, Visitor

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Anti Patterns

Représentent une « leçon apprise »

Erreurs logicielles que les gens font fréquemment. Deux catégories :

– mauvaise solution à un problème qui a produit une mauvaise situation.

– comment sortir d’une mauvaise situation et comment poursuivre à partir de là vers une bonne solution.

Référence : W.J. Brown & al (1998) Anti Patterns - Refactoring Software, Architectures, and Projects in Crisis, Wiley.

I.Borne - UBS 9

Exemple de schéma pour les anti-patterns

« Background »

Forme générale

Symptômes et conséquences

Causes typiques

Exception connue

Solution « réparée »

Variations

Exemple

Solutions apparentées

Applicabilité à d’autres points de vue ou échelles

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Pattern architecturaux

Schémas d’organisation structurelle fondamentaux pour les logiciels.

Exemples : Pipes and Filters, Broker, MVC, Micro-kernel

Références :– F.Buschmann & al., Pattern-Oriented Software Architecture, Wiley

1996.

– R.Martin & al., Pattern Language of Program Design 3, Addison-Wesley 1998.

I.Borne - UBS 11

Patterns d’analyse

Question de modélisation générale en regardant un problème particulier dans un domaine.

Martin Fowler a proposé deux catégories de patterns :

– « Analysis patterns »

– « Supporting patterns »

Référence :

Martin Fowler, Analysis Patterns - Reusable Object Models, Addison-Wesley, 1997.

I.Borne - UBS 12

Exemples de patterns d’analyse

« Accountability »

– Le concept de comptabilité s’applique quand une personne ou une organisation est responsable d’une autre.

– notion abstraite qui peut représenter plusieurs problèmes spécifiques, comportant des structures, des contrats, et du personnel.

– Party, organization hierarchies, organization structure etc.

I.Borne - UBS 13

« Observations and measurement »

– Des quantités peuvent être utilisées en tant qu’attributs d’objets pour enregistrer de l’information sur eux.

– Ces patterns montrent comment cette approche échoue et suggère des approches plus sophistiquées.

– Quantity, conversion ratio, compound units, measurement, observation, protocol, dual time record etc.

I.Borne - UBS 14

« Referring to Objects »

– Name, Identification scheme, object merge, object equivalence

« Planning »

– Proposed and Implemented Action, Suspension, Plan, Resource Allocation etc..

« Trading

– Contract, Portfolio, Quote, Scenario

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Exemples de patterns support

« Layered Architecture for Information System »

– Two-tier architecture, Three-tier architecture, Presentation and Application Logic, Database interaction

« Application Facades »

– Interface simplifiée à un modèle compliqué.

– Responsable du choix et de l’organisation de l’information pour une présentation.

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« Patterns for Type Model Design Templates »

– comment transformer un modèle de spécification implicite en un modèle explicite et une implémentation.

– Implementing Associations, Object Creation, Implementing Constraints ….

« Association patterns »

– Associative Type, Keyed mapping, Historic mapping.

Patterns architecturaux

Langage de pattern

Catalogues et systèmes de patterns

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Bibliographie

Software Architecture: Perspectives on an Emerging Discipline, Prentice-Hall, 1996.

Architectural Styles, Design Patterns, and Objects, R.T.Monroe & al., IEEE Software, January 1997, pages 43-52.

Pattern-Oriented Software Architecture - A System of Patterns, F.Buschmann & al., John Wiley, 1996.

Pattern-Oriented Software Architecture - Patterns for Concurrent and Networked Objects, volume 2, D.Schmidt & al., John Wiley, 2000.

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Architecture logicielle

Architecture logicielle– Description des sous-systèmes et des composants d’un logiciel et

leurs relations.

Conception logicielle– Activité effectuée par un développeur logiciel qui produit

l’architecture logicielle d’un système.

Style architectural– Définit une famille de systèmes en termes de leur organisation

structurelle et sémantique.

Framework– Logiciel partiellement complet qui a vocation d’être instancié.

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Patterns architecturaux

Ils interviennent dans les plus haut niveaux du développement logiciel.

Ils ont souvent été découverts dans de gros projets.

Ils correspondent à des styles architecturaux classiques :– Pipe and filter

– Layered systems

– Event_based systems

– ….

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Un architecture classique : Pipe and Filter

Chaque composant possède un ensemble de données en entrée et un ensemble de données en sortie.

Un composant lit un flot de données en entrée et produit un flot de données en sortie.

Filtre

FiltrePipe

Source :sortie

Sink :entrée

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Schéma de présentation des patterns d’architecture

nom exemple contexte problème solution structure (CRC cards) dynamique (scénarios)

implémentation exemple résolu variantes usage connus conséquences voir aussi crédits

I.Borne - UBS 23

Pipe & Filter :exemple

Analyse syntaxique

Analyse sémantique

Génération de code intermédiaire

Optimisation

Analyse lexicale

Source du programme

Flot de tokens

Arbre de syntaxe abstrait

Arbre de syntaxe abstrait augmenté

Programme en code intermédiaire

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Pipe & Filter :problème, solution

Le problème : construire des systèmes pour transformer et calculer des flots de données.

La solution : la tâche globale est naturellement décomposée en plusieurs étapes de calcul séquentielles.

I.Borne - UBS 25

Class Pipe

Responsibility• Transfers Data.• Buffers Data.• Synchronizes active neighbours.

Collaborators

• Data Source• Data Sink• Filter

Class Filter

Responsibility• Gets input Data.• Performs a function on its input data.• Supplies output data.

Collaborators

• Pipe La structure

I.Borne - UBS 26

Class Data SourceResponsibility• Delivers input to processing pipeline

Collaborators

• Pipe

Class Data SinkResponsibility• Consumes output

Collaborators

• Pipe

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Langages de Pattern : définitions

Collection structurée de patterns comprenant des règles pour combiner les patterns dans un style architectural (structure architecturale récurrente).

Pattern : solution récurrente à un problème donné dans un contexte

Langage de patterns : ensemble de patterns qui, à tout niveau d’échelle, collaborent pour résoudre un problème complexe. Ce problème ne peut pas être résolu par un seul pattern.

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Langages de Pattern : définitions

Les langages de patterns décrivent des frameworks logiciels ou des familles de systèmes reliés.

Un langage de pattern comprend des règles et des lignes de conduite qui expliquent comment et quand appliquer ses patterns.

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Origines des langages de pattern

A pattern Language [Alexander 1977] A Timeless Way of Building [Alexander 1979]

– Chaque pattern dépend à la fois du pattern plus petit qu’il contient et des patterns plus larges qui le contiennent.

– La structure du langage est créée par le réseau de connexions entre patterns.

– Un langage de pattern donne à chaque personne qui l’utilise le pouvoir de créer une variété infinie de constructions nouvelles et uniques.

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Exemples de langages de patterns Chaque communauté a son propre langage de patterns, qui

augmente et change avec l’expérience.

Un langage de patterns pour la conception d ’interface utilisateur (Todd Coram et Jim Lee, PloP96 workshop).

Un langage de patterns pour l’écriture de pattern (Gerard Meszaros, Jim Doble, Pattern Languages of Program Design 3, Addison-Wesley, 1998).

Crossing Chasms: A pattern Language for Relational Databases and Smalltalk (Kyle Brown, Pattern Languages of Program Design 2, Addison-Wesley, 1996).

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Un langage de patterns pour la conception d ’interface utilisateur

Todd Coram et Jim Lee, PloP96 workshop.

http://www.maplefish.com/todd/papers/experiences/Experiences.html

Construire des interfaces qui se concentrent sur l’interaction de l’utilisateur

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Meta-pattern : Interaction Style

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Explorable Interface

I.Borne - UBS 35

Crossing Chasms: A pattern Language for Relational Databases and Smalltalk

Kyle Brown, Pattern Languages of Program Design 2, Addison-Wesley, 1996, or in Technical Journal, http://www.ksccary.com

Interfacer des bases de données relationnelles et un langage à objets.

Le langage de pattern

– patterns architecturaux

– patterns statiques

– patterns dynamiques

– patterns client-serveur

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Patterns architecturaux :

– Four-Layer Architecture (View, application model, domain model and infrastructure layers)

– Table Design Time (when is the best time to develop your relational database system ?)

View Layer

Appplication Model Layer

Domain Model Layer

Infrastructure Layer

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Patterns statiques :

– Representing objects as tables

– Object Identifier

– Foreign Key reference

– Representing Collections

Patterns dynamiques

– Broker (séparation des parties spécifiques au domaine des parties spécifiques aux bases de données)

– Object Metadata (réification du mapping)

– Query Object (génération de requêtes SQL)

Patterns Client-Serveur

– Client Synchronization

– Cache Management (améliorer les performances du client)

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Catalogues de patterns

Un catalogue de patterns est une collection arbitraire de patterns qui sont faiblement reliés.

Typiquement il subdivise les patterns en un petit nombre de catégories et il peut inclure des références croisées entre les patterns.

Erich Gamma a lancé la présentation sous forme de catalogues des design patterns dans sa thèse de doctorat (1992).

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Exemples :– C.Alexander : A pattern Language (1977) 253 patterns

– GoF (1995) 23 design patterns

– Buschmann & al (1996) : 25 patterns architecturaux et de conception

– M.Fowler (1997) : patterns d ’analyse et patterns de support.

Un langage de pattern est une collection de patterns où chaque pattern est construit par rapport aux autres et représente une série de décisions.

Un catalogue de patterns est une collection arbitraire où les patterns existent par eux-mêmes.

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Les systèmes de patterns

Ensemble cohésif de patterns. Les patterns contribuent à la construction et à l’évolution

d’architectures au complet.

Il est organisé entre groupes et sous-groupes de patterns reliés à plusieurs niveaux de granularité.

Il décrit les relations entre les patterns et leurs regroupements, et la façon dont ils peuvent être combinés et composés pour résoudre des problèmes plus complexes.

I.Borne - UBS 41

Langage de patterns, système de patterns, catalogue de patterns

Système de pattern

– ensemble cohésif

– relations regroupements

– sujet large

Catalogue

– structuration

– organisation

Langage de pattern

– collection structurée

– règles de combinaison

– style architectural

– sujet unique

– méga-pattern

I.Borne - UBS 42

Les systèmes de patterns pour l’architecture logicielle

Un système de pattern pour l ’architecture logicielle est :

– une collection de patterns pour l ’architecture logicielle,

– plus des lignes de conduite pour leur implémentation, leur combinaison et leur utilisation pratique dans le développement de logiciels.

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Spécifications (Buschmann)

– Il doit comporter une base suffisante de patterns.

– Il doit décrire tous les patterns de façon uniforme.

– Il doit montrer les diverses relations entre les patterns.

– Il doit avoir une organisation de ses patterns.

– Il doit supporter la construction de logiciels.

– Il doit supporter sa propre évolution.

I.Borne - UBS 44

AchitecturalPatterns

Design Patterns Idioms

From Mud toStructure

LayersPipe and FiltersBlackboard

DistributedSystems

BrokerPipes and FiltersMicrokernel

Interactive Systems MVCPAC

Adaptable Systems MicrokernelReflection

critères de classification : 1) catégories de pattern : patterns architecturaux, patterns de conception et idiomes 2) catégories de problème.

I.Borne - UBS 45

AchitecturalPatterns

Design Patterns Idioms

StructuralDecomposition

Whole-part

Organization ofWork

Master-Slave

Management Command ProcessorView Handler

Access Control Proxy

Communication Publisher-SubscriberForwarder-ReceiverClient-Dispatcher-Server

ResourceHandling

Counted Pointer

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Le pattern architectural « Model-View-Controller » divise une application interactive en trois composants.

Le « modèle »contient les fonctionnalités de base et les données .

Les « vues » affichent les informations à l’utilisateur.

Les « contrôleurs » gèrent les entrées de l’utilisateur.

Un mécanisme de propagation des changements assure la cohérence entre l’interface utilisateur (view + controller) et le modèle.

Model-View-Controller

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Exemple Considérons un système d’information pour des élections politiques

avec une représentation proportionnelle. On a un tableur pour entrer les données et plusieurs sortes de tableau et

de graphe représentent les résultats courants. Les utilisateurs peuvent intervenir avec le système via une interface

graphique. Tous les affichages d’information doivent immédiatement refléter les

changements des données du vote. Il doit être possible d ’ajouter de nouveaux moyens de représentation,

par exemple l’affectation des sièges de parlementaires. Le système doit aussi être portable sur d ’autres plates-formes ou

d ’autres standards d’affichage « look and feel ».

I.Borne - UBS 48

ContexteApplications interactives avec une interface homme-machine flexible.

Problème Quand vous étendez les fonctionnalités d ’une application, vous devez modifier

les menus pour accéder à ces nouvelles fonctions. Les clients peuvent vouloir des adaptations spécifiques etc ...

Les forces qui influencent la solution :

– La même information est présentée différemment dans différentes fenêtres.

– L ’affichage et le comportement de l’application doivent refléter immédiatement les manipulations de données.

– Les changements de l’interface utilisateur doivent être faciles, et même possibles lors de l’exécution.

– Le support de différents standards de « look and feel » ou le portage de l ’interface utilisateur ne doit pas affecter le code dans le noyau de base de l ’application.

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Solution MVC divise une application interactive en processus, sortie et entrée. Model

– Le composant modèle encapsule les données et les fonctionnalités du noyau de base.

Views– les composants vue affichent l’information à l ’utilisateur. Une vue obtient

les données du modèle.

– Chaque vue possède un composant contrôleur associé. Controllers

– Les contrôleurs reçoivent les entrées, comme des événements qui encodent les mouvements de la souris, l’activation des boutons de la souris ou les entrées au clavier.

– Les événements sont traduits en des requêtes de service pour le modèle ou la vue.

– L ’utilisateur interagit avec le système seulement via les contrôleurs.

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Le mécanisme de propagation des changements est décrit par le pattern Publisher-Subscriber appelé aussi le pattern Observer.

I.Borne - UBS 51

Structure

Class Model

Responsibility• Fournit les fonctionnalités de l’application• Enregistre les vues dépendantes et les contrôleurs• Avertit les composants dépendants des changements de données

Collaborators

• View• Controller

I.Borne - UBS 52

Class View

Responsibility• Crée et initialise son contrôleur associé• Affiche l’information pour l’utilisateur• Implémente les procédures de mise à jour• Recherche les données dans le modèle

Collaborators

• Controller• Model

I.Borne - UBS 53

Class Controller

Responsibility• Accepte les entrées de l’utilisateur comme des événements • Traduit les événements en requêtes de service pour le modèle ou affiche les requêtes pour la vue.• Implémente les procédures de mise à jour si nécessaire

Collaborators

• View• Model

I.Borne - UBS 54

Observer

update

Model

coreDatasetOfObservers

attach(Oberver)detach(Observer)notify

getDataservice

View

Controller

myModelmyController

initialize(Model)makeControlleractivatedisplayupdate

myModelmyView

initialize(Model,View)handleEventupdate

attachgetData

call update

attachcall service

create

manipulate display

I.Borne - UBS 55

Implémentation

étape 1: Séparer l’interaction homme-machine du noyau fonctionnel.

étape 2: Implémenter le mécanisme de propagation de changements.

étape 3: Concevoir et implémenter les vues.

étape 4: Concevoir et implémenter les contrôleurs.

étape 5: Concevoir et implémenter la relation vue-contrôleur.

étape 6: Implémenter l’initialisation du MVC.

Etape 7: Interaction dynamique des vues.

étape 8: contrôleurs enfichables (pluggable).

étape 9: Infrastructure pour les vues et les contrôleurs hiérarchiques.

étape 10: Découpler encore plus les dépendances du système.