Entwurfsmuster

Entwurfsmuster (engl. design patterns) sind bewährte Lösungsschablonen für wiederkehrende Entwurfsprobleme in Softwarearchitektur und Softwareentwicklung. Sie stellen damit eine wiederverwendbare Vorlage zur Problemlösung dar, die in einem bestimmten Zusammenhang einsetzbar ist. In den letzten Jahren hat der Ansatz der Entwurfsmuster auch zunehmendes Interesse im Bereich der Mensch-Computer-Interaktion gefunden. Aber auch außerhalb der Informatik finden Entwurfsmuster immer mehr Eingang.

Geschichte

Der Architekt Christopher Alexander hatte in einer auf Vitruv zurückgehenden Tradition in den 1970er Jahren eine Sammlung von Entwurfsmustern zusammengestellt.^[1] Die Hauptaufgabe dieser Muster ist es, die Bewohner der zu bauenden Strukturen in den Entwurfsprozess einzubinden. Der Ansatz für Entwurfsmuster wurde von Alexander bereits 1964 in Notes on the synthesis of form dargestellt. In der Architektur hat sich diese Idee jedoch bei weitem nicht so verbreitet wie später in der Softwareentwicklung.

Kent Beck und Ward Cunningham griffen 1987 die Ideen Alexanders aus der Architektur auf und entwickelten Entwurfsmuster für die Erstellung von grafischen Benutzeroberflächen in Smalltalk. Ein Jahr später begann Erich Gamma mit seiner Promotion an der Universität Zürich über die generelle Übertragung dieser Methode auf die Softwareentwicklung. Parallel dazu arbeitete James Coplien in den Jahren 1989 bis 1991 an musterähnlichen Idiomen für C++ und veröffentlichte 1991 sein Buch Advanced C++ Idioms.

Erich Gamma beendete im selben Jahr seine Promotion und ging im Anschluss in die Vereinigten Staaten. Dort brachte er 1994 zusammen mit Richard Helm, Ralph Johnson und John Vlissides das Buch Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software heraus, in dem 23 Entwurfsmuster beschrieben sind. Diese vier Autoren sind unter Entwicklern auch unter ihrem Spitznamen Gang of Four (Viererbande, kurz GoF) bekannt und verhalfen mit ihrem Buch den Entwurfsmustern zu ihrem Durchbruch. Gelegentlich wird GoF auch als Verweis für das besagte Buch verwendet. Anders als Alexander, der seine Muster vor allem für Laien geschrieben hat, richten sich die GoF-Muster an Softwareentwickler und nicht an Benutzer.

Anforderungen und Nutzen

Ein gutes Muster sollte

• ein oder mehrere Probleme lösen,
• ein erprobtes Konzept bieten,
• auf realen Designs basieren,
• über das rein Offensichtliche hinausgehen,
• den Benutzer in den Entwurfsprozess einbinden,
• Beziehungen aufzeigen, die tiefergehende Strukturen und Mechanismen eines Systems umfassen.

Entwurfsmuster beinhalten in der Regel Referenzen auf andere Muster. Mithilfe dieser ist es möglich, Mustersprachen zu entwickeln.

Der primäre Nutzen eines Entwurfsmusters liegt in der Beschreibung einer Lösung für eine bestimmte Klasse von Entwurfsproblemen. Weiterer Nutzen ergibt sich aus der Tatsache, dass jedes Muster einen Namen hat. Dies vereinfacht die Diskussion unter Entwicklern, da man abstrakt über eine Struktur sprechen kann. So sind etwa Software-Entwurfsmuster – im Gegensatz zu Idiomen – zunächst einmal unabhängig von der konkreten Programmiersprache.

Wenn der Einsatz von Entwurfsmustern dokumentiert wird, ergibt sich ein weiterer Nutzen dadurch, dass durch die Beschreibung des Musters ein Bezug zur dort vorhandenen Diskussion des Problemkontextes und der Vor- und Nachteile der Lösung hergestellt wird.

Nachteile

Der erfolgreiche Einsatz von Entwurfsmustern in der Vergangenheit kann dazu verleiten, die Entwurfsmuster als Wunderwaffe und Garant für gutes Design anzusehen. Unerfahrene Entwickler können geneigt sein, möglichst viele bekannte Muster zu verwenden und dabei übersehen, dass in ihrem Fall vielleicht eine elegantere Lösung ohne den Einsatz von Mustern möglich wäre. Entwurfsmuster garantieren nicht, dass der Entwurf gut ist. Insofern ist die Anwendung zu vieler oder ungeeigneter Entwurfsmuster ein Antimuster.

Musterkataloge

Entwurfsmuster werden üblicherweise nach dem Vorbild der Bücher von Christopher Alexander und der Viererbande in sogenannten Musterkatalogen (engl. "Design Pattern Catalog") gesammelt. Diese beschreiben die einzelnen Muster katalogartig anhand ihrer Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind beispielsweise beim Buch Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software folgende: Aufgabe, Andere Namen, Motivation, Anwendbarkeit, Struktur, Teilnehmer, Kollaborationen, Konsequenzen, Implementierung, Beispielcode, Bekannte Verwendungen, verwandte Muster.

Neben dem Entwurfsmusterkatalog der Viererbande gibt es eine Reihe weiterer Kataloge. Zu diesen zählen die Bücher Patterns of Enterprise Application Architecture, Pattern-Oriented Software Architecture, Volume 1, A System of Patterns, Refactoring To Patterns sowie die Core J2EE Patterns. Siehe Abschnitt Literatur.

Liste von Mustern

Die folgende Tabelle von Entwurfsmustern enthält Entwurfsmuster der Viererbande, sowie anderer Kataloge:

Erzeugende Muster	Strukturelle Muster	Verhaltensmuster	Weitere Muster
Abstract Factory (Abstrakte Fabrik)	Adapter	Chain of Responsibility (Zuständigkeitskette)	Business Delegate
Builder (Erbauer)	Composite (Kompositum)	Command (Kommando)	Data Access Object
Factory Method (Fabrikmethode)	Bridge (Brücke)	Interpreter	Data Transfer Object (Datentransferobjekt)
Prototype (Prototyp)	Decorator (Dekorierer)	Iterator	Dependency Injection
Singleton (Einzelstück)	Facade (Fassade)	Mediator (Vermittler)	Inversion of Control
	Flyweight (Fliegengewicht)	Memento	Model View Controller
	Proxy (Stellvertreter)	Null Object (Nullobjekt)	Model View Presenter
		Observer (Beobachter)	Plugin
		State (Zustand)	Fluent Interface
		Strategy (Strategie)	Extension Interface
		Template Method (Schablonenmethode)
		Visitor (Besucher)
		Interceptor

Andere Arten von Mustern

Die Arbeiten der Gang of Four haben viele Autoren zu weiteren Veröffentlichungen angeregt. Daraus entstand auch die Problematik, dass ein Muster sich nicht mehr ohne weiteres als Entwurfsmuster klassifizieren lässt. Vielmehr gibt es graduelle Unterschiede in der Granularität von Mustern. So wird etwa das Model-View-Controller-Muster (MVC) von einigen als Architekturmuster, von anderen (noch) als Entwurfsmuster betrachtet.

Beispiele für Muster, welche keine Entwurfsmuster sind:

• Analysemuster charakterisieren typische Fälle der Anforderungsanalyse.
• Architekturmuster beschreiben typische Softwarearchitekturen.
• Idiome sind unterhalb der Ebene des Entwurfs bei der Programmierung auftretende Muster.
• Kommunikationsmuster beziehen sich auf die Kommunikationswege zwischen Personen einer Organisation.
• Organisationsmuster beschreiben Elemente der Strukturen von Organisationen.
• Antimuster beschreiben, „wie man es nicht machen sollte.“

Antimuster

Wo Entwurfsmuster in der Software-Entwicklung allgemein übliche und bekannte Lösungsansätze sind, um Probleme zu lösen, so sind Anti-Patterns Negativ-Beispiele von bereits durchgeführten Lösungen, die Hinweise darauf geben, welche Fehler vermieden werden sollten.

Nachdem bei der Software-Entwicklung immer mehr von positiven Erfahrungen von erfolgreich abgeschlossenen Aufgabenstellungen profitiert wurde, konzentrierte man sich auch darauf, die Negativbeispiele, also wiederkehrende Fehler bei der Software-Entwicklung, zu identifizieren und zu dokumentieren.

Siehe auch

• Objektorientierte Programmierung
• Prototyp (Technik)
• Referenzmodell
• Referenzarchitektur
• Entwurfsmuster und die Entstehung des Wikis

Literatur

• Erich Gamma, Richard Helm, Ralph E. Johnson, John Vlissides: Entwurfsmuster. Elemente wiederverwendbarer objektorientierter Software, Addison Wesley, München 2004, ISBN 3-8273-2199-9
• Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Design Patterns. Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison Wesley, 1995, ISBN 0-201-63361-2 (englisch)
• Wolfgang Pree: Design Patterns for Object-Oriented Software Development. Addison Wesley, ACM Press, August 1994, ISBN 978-0-201-42294-8
• Eric Freeman, Elisabeth Freeman: Head First Design Patterns, O'Reilly, 2004, ISBN 978-0-596-00712-6 (Deutsche Übersetzung: Entwurfsmuster von Kopf bis Fuß, O'Reilly, Köln 2006, ISBN 3-89721-421-0)
• Frank Buschmann, Regine Meunier, Hans Rohnert, Peter Sommerlad, Michael Stal: Pattern-orientierte Softwarearchitektur. Ein Pattern-System. Addison-Wesley-Longman, Bonn 1998, ISBN 3-8273-1282-5
• Martin Fowler: Patterns of Enterprise Application Architecture, Addison-Wesley, November 2002, ISBN 978-0-321-12742-6 (englisch)
• Joshua Kerievsky: Refactoring To Patterns. Addison-Wesley, 26. August 2004, ISBN 978-0321213358, S. 400 (Online Katalog der Patterns, abgerufen am 22. November 2009). (englisch)
• Deepak Alur, John Cupri, Dan Malks: Core J2EE Patterns: Best Practices and Design Strategies. Prentice Hall, 19. Juni 2003, ISBN 978-0131422469, S. 528 (Online Ausgabe, abgerufen am 22. November 2009). (englisch)

Weblinks

• Design Pattern Katalog mit 10 gängigen Entwurfsmustern
• Wiki Pages About What Are Patterns - eine Einstiegsseite im Portland Pattern Repository (englisch)
• Der Artikel von Beck und Cunningham (englisch)
• Entwurfsmuster Übersicht
• The Design Patterns Java Companion
• User Interface Design Patterns

Einzelnachweise

1. ↑ *Christopher Alexander, Sara Ishikawa, Murray Silverstein, Max Jacobson, Ingrid Fiksfahl-King, Shlomo Angel: Eine Muster-Sprache. Städte, Gebäude, Konstruktion. Löcker, Wien 1995, ISBN 3-85409-179-6

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