„Entwurfsmuster“ – Versionsunterschied

Entwurfsmuster (englisch design patterns) sind bewährte Lösungsschablonen für wiederkehrende Entwurfsprobleme sowohl in der Architektur als auch in der Softwarearchitektur und -entwicklung. 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. Ursprünglich wurde der Begriff in der Architektur von Christopher Alexander verwendet.^[1]

Es gibt verschiedene Typen von Entwurfsmustern. Ursprünglich wurden folgende Typen vom Autorenquartett Gang of Four (GoF)^[2] unterschieden:

Erzeugungsmuster (Creational Patterns)

Dienen der Erzeugung von Objekten. Sie entkoppeln die Konstruktion eines Objekts von seiner Repräsentation. Die Objekterzeugung wird gekapselt und ausgelagert, um den Kontext der Objekterzeugung unabhängig von der konkreten Implementierung zu halten, gemäß der Regel: „Programmiere auf die Schnittstelle, nicht auf die Implementierung!“

Strukturmuster (Structural Patterns)

Erleichtern den Entwurf von Software durch vorgefertigte Schablonen für Beziehungen zwischen Klassen.

Verhaltensmuster (Behavioral Patterns)

Modellieren komplexes Verhalten der Software und erhöhen damit die Flexibilität der Software hinsichtlich ihres Verhaltens.

Später kamen noch weitere Typen für diejenigen Entwurfsmuster, die in keine der drei genannten Typen passten, hinzu. Darunter beispielsweise:

Muster für objektrelationale Abbildung

Dienen der Ablage und dem Zugriff von Objekten und deren Beziehungen in einer relationalen Datenbank.^[3]

Muster für Nachrichtenübermittlung (Messaging Patterns)

Für die Erstellung, die Weiterleitung und die Umwandlung von Daten in Form von Nachrichten, inklusive der dazu benötigten Nachrichtenkanäle und Nachrichtenendpunkte, sowie Komponenten für die Systemverwaltung.

Der Architekt Christopher Alexander hatte in einer auf Vitruv zurückgehenden Tradition zwischen 1977 und 1979 eine Sammlung von Entwurfsmustern zusammengestellt.^[4] 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.

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.

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.

Dieser Artikel oder Abschnitt wird gerade im größeren Maße bearbeitet oder ausgebaut. Warte bitte mit jeglichen Änderungen, bis diese Markierung entfernt ist. Jeder Edit kann zu einem Bearbeitungskonflikt und damit verbundenem Unmut oder Stress bis hin zu Datenverlust führen. In dringenden Fällen wende dich an die bearbeitende Person.

Dieser Baustein sollte nur für kurze Zeit – in der Regel wenige Stunden, maximal einen Tag – eingesetzt und dann wieder entfernt werden. Kontinuierliche Weiterarbeit am Artikel sollte erkennbar sein. (--Geri, ✉  01:56, 1. Dez. 2020 (CET))

Seite zuletzt bearbeitet von Sebastian.Dietrich vor: 1322 Tagen (aktualisieren)

Entwurfsmuster werden üblicherweise nach dem Vorbild der Bücher von Christopher Alexander und der Gang of Four in sogenannten Musterkatalogen (englisch „Design Pattern Catalogs“) 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 Gang of Four gibt es eine Reihe weiterer Kataloge. Zu diesen zählen die Bücher Enterprise Integration Patterns, Patterns of Enterprise Application Architecture, Pattern-Oriented Software Architecture, Volume 1, A System of Patterns, Refactoring To Patterns sowie die Core J2EE Patterns. Siehe dazu auch Abschnitt Literatur unten.

Erzeugungsmuster^[5] dienen der Erzeugung von Objekten. Sie entkoppeln die Konstruktion eines Objekts von seiner Repräsentation.

Abstrakte Fabrik (Abstract Factory)

Die abstrakte Fabrik definiert eine Schnittstelle zur Erzeugung einer Familie von Objekten, wobei die konkreten Klassen der zu erzeugenden Objekte erst zur Laufzeit festgelegt werden.

Einzelstück (Singleton)

Von einer Klasse soll nur ein einziges Mal ein Objekt erzeugt werden, z. B. weil eine zentrale Struktur erzwungen werden soll oder eine korrespondierende Hardware-Komponente physikalisch nur einmal existiert.

Erbauer (Builder)

Das Entwurfsmuster Erbauer trennt den Aufbau komplexer Objekte von ihrer konkreten Darstellung. Dadurch soll ermöglicht werden, dass derselbe Konstruktionsprozess verschiedene Darstellungen erzeugen kann.

Fabrikmethode (Factory Method)

Mehrere verwandte Typen von Objekten (Klassen) implementieren die gleiche Schnittstelle, unterscheiden sich jedoch in Namen und Verwendungszweck. Nun soll in einem Programmkontext ein konkretes Objekt eines bestimmten Typs verwendet werden.

Multiton

Variante des Singleton-Musters, das die Anzahl erzeugter Objekte kontrolliert, z. B. um die Anzahl gleichzeitig geöffneter Datenbankverbindungen auf einen für eine gute Gesamtleistung erforderlichen Wert zu reduzieren.

Prototyp (Prototype)

Das Entwurfsmuster Prototyp verwendet ein Objekt als Vorlage, um daraus weitere Objekte zu erzeugen, die anschließend modifiziert werden können.

Siehe #Liste von Mustern.

Siehe #Liste von Mustern.

Die Reihenfolge der Muster in den Tabellen der nachfolgenden Abschnitte entspricht der im Originaldokument.^[8]

Name	Beschreibung
Message	Zum Verpacken von Informationen in eine Nachricht, die das Nachrichtenübertragungssystem über einen Nachrichtenkanal übertragen kann.
Command Message	Zum zuverlässigen Ausführen von Vorgängen in einer anderen Anwendung.
Document Message	Um eine Datenstruktur zuverlässig zwischen Anwendungen zu übertragen.
Event Message	Für zuverlässige, asynchrone Benachrichtigung über Ereignisse zwischen Anwendungen.
Request-Reply	Zum Senden eines Paares von Anfrage und Antwort, jede auf ihrem eigenen Kanal.
Return Address	Die Anfrage sollte eine Absenderadresse enthalten, die angibt, wohin die Antwort gesendet werden soll.
Correlation Identifier	Jede Antwort sollte eine Beziehungskennung enthalten, das heißt, eine eindeutige Kennung, die angibt, zu welcher Anfrage eine Antwort gehört.
Message Sequence	Wenn eine große Menge von Daten in Teile von Nachrichtengröße zerteilt werden soll, sollen die Teile als Sequenz von Nachrichten gesendet werden, wobei jede Nachricht mit Informationen zur Bestimmung der Reihenfolge versehen ist.
Message Expiration	Zum Setzen eines Zeitlimits, das angibt, wie lange die Nachricht zu gebrauchen ist.
Format Indicator	Ein Formatbezeichner, mit dem die Nachricht angibt, welches Format sie benutzt.

Name	Beschreibung
Message Channel	Zum Verbinden von Anwendungen mit einem Nachrichtenkanal, in den eine Anwendung Informationen schreibt und eine andere diese daraus liest
Point-to-Point Channel	Zum Senden einer Nachricht über einen Punkt-Zu-Punkt-Kanal, der sicherstellt, dass nur ein Empfänger diese einzelne Nachricht erhält
Publisher-Subscriber Channel	Zum Senden eines Ereignisses über einen Publisher-Subscriber-Kanal, der eine Kopie eines einzelnen Ereignisses an jeden Empfänger sendet
Datatype Channel	Für einen separaten Kanal für jeden Datentyp, damit alle Daten auf einem Kanal vom gleichen Typ sind
Invalid Message Channel	Ein Empfänger sollte unpassende Nachrichten in einen Kanal für ungültige Nachrichten stellen. Das ist ein spezieller Kanal für Nachrichten, die von ihren Empfängern nicht verarbeitet werden konnten.
Dead Letter Channel	Wenn ein Nachrichtenübermittlungssystem erkennt, dass es eine Nachricht nicht senden kann oder sollte, kann es einen Toter-Briefkasten-Kanal auswählen und die Nachricht dort hin stellen.
Guaranteed Delivery	Ein garantierte Lieferung, die Nachrichten persistiert, damit sie nicht verloren gehen, wenn das Nachrichtenübermittlungssystem abstürzt
Channel Adapter	Zum Zugreifen auf die Programmierschnittstelle einer Anwendung und zum Verbreiten einer Nachricht auf einem auf dieser Nachricht basierenden Kanal, sowie um Nachrichten aus der Anwendung zu empfangen und Funktionalität innerhalb der Anwendung aufzurufen
Messaging Bridge	Zum replizieren von Nachrichten zwischen Nachrichtenübermittlungssystemen
Message Bus	Eine Anwendungen verbindende Middleware wird als Nachrichtenbus eingerichtet, damit die Anwendungen via Nachrichtenübermittlung zusammenarbeiten können.

Siehe #Liste von Mustern.

Die folgende Tabelle enthält Entwurfsmuster der Gang of Four, funktionale Verhaltensmuster von Stuart Sierra sowie andere Entwurfsmuster aus anderen Katalogen. Die ersten drei Spalten stellen die Teilmengen dar, in die die Entwurfsmuster im Buch Design Patterns kategorisiert wurden. Die vierte Spalte enthält Muster für die objektrelationale Abbildung die insbesondere von Martin Fowler geprägt wurden.^[3] Die fünfte Spalte enthät Entwurfsmuster für die Kommunikation zwischen Anwendungen, die von Gregor Hope und Bobby Woolf im Buch Enterprise Integration Patterns^[9] beschrieben wurden. Die sechste Spalte enthält Entwurfsmuster, die sich in keine der ersten fünf Spalten einordnen lassen. Die Liste ist nicht vollständig und überschneidet sich teilweise mit Architekturmustern.

Legende

Die Arbeiten der Viererbande 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, die 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.“
• Integrationsmuster beschreiben die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Systemen, bzw. zwischen Komponenten innerhalb eines Systems.
• SOA-Muster beschreiben den Aufbau serviceorientierter Architekturen.

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

Nachdem bei der Softwareentwicklung 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.

• Smart UI
• Entwurfsmuster und die Entstehung des Wikis
• Objektorientierte Programmierung
• Plugin (Entwurfsmuster)
• Prinzipien objektorientierten Designs
• Prototyp (Technik)
• Referenzmodell
• Referenzarchitektur

Deutsch

• 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.
• Helmut Leitner: Mustertheorie – Einführung und Perspektiven auf den Spuren von Christopher Alexander. Verlag Nausner & Nausner, Graz 2007, ISBN 978-3-901402-50-0.
• Florian Siebler: Design Patterns mit Java: Eine Einführung in Entwurfsmuster. Hanser-Verlag, 2014, ISBN 978-3-446-43616-9.

Englisch

• Erich Gamma, Richard Helm, Ralph E. Johnson, John Vlissides: Entwurfsmuster. Elemente wiederverwendbarer objektorientierter Software. Addison-Wesley, München 2004, ISBN 3-8273-2199-9 (englisch: Design Patterns. Elements of Reusable Object-Oriented Software.). 

• Gregor Hohpe, Bobby Woolf: Enterprise Integration Patterns. Designing, Building and Deploying Messaging Solutions. Hrsg.: Addison-Wesley. 1. Auflage. Addison-Wesley, 2003, ISBN 978-0-321-20068-6 (englisch, 480 S.). 

• Wolfgang Pree: Design Patterns for Object-Oriented Software Development. Addison-Wesley, ACM Press, 1994, ISBN 0-201-42294-8. (englisch)
• Martin Fowler: Patterns of Enterprise Application Architecture. Addison-Wesley, 2002, ISBN 0-321-12742-0. (englisch)
• Deepak Alur, John Cupri, Dan Malks: Core J2EE Patterns: Best Practices and Design Strategies. Prentice Hall, 2003, ISBN 978-0-13-142246-9, S. 528 (oracle.com [abgerufen am 22. November 2009]).  (englisch)
• Eric Freeman, Elisabeth Freeman: Head First Design Patterns. O’Reilly, 2004, ISBN 0-596-00712-4. (Deutsche Übersetzung: Entwurfsmuster von Kopf bis Fuß. O’Reilly, Köln 2006, ISBN 3-89721-421-0.)
• Joshua Kerievsky: Refactoring To Patterns. Addison-Wesley, 2004, ISBN 0-321-21335-1, S. 400 (Katalog der Patterns [abgerufen am 22. November 2009]).  (englisch)

Wikibooks: Entwurfsmuster – Lern- und Lehrmaterialien

• Vorlage:Enterprise Integration Patterns - Internet
• Entwurfsmuster Übersicht
• Design Pattern Katalog mit 10 gängigen Entwurfsmustern
• Wiki Pages About What Are Patterns. Portland Pattern Repository; Einstiegsseite (englisch)
• Addy Osmani: Learning JavaScript Design Patterns. Abgerufen am 24. Mai 2013 (englisch, Entwurfsmuster in JavaScript). 
• User Interface Design Patterns

1. ↑ Andreas Zeller: Entwurfsmuster auf st.cs.uni-saarland.de (PDF, S. 2.)
2. ↑ Erich Gamma, Richard Helm, Ralph E. Johnson, John Vlissides: Entwurfsmuster. Elemente wiederverwendbarer objektorientierter Software. Addison-Wesley, München 2004, ISBN 3-8273-2199-9 (englisch: Design Patterns. Elements of Reusable Object-Oriented Software.). 
3. ↑ ^{a b} Martin Fowler: Patterns of Enterprise Application Architecture. Addison-Wesley-Longman, Amsterdam 2002, ISBN 0-321-12742-0. 
4. ↑ 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.
5. ↑ Erich Gamma, Richard Helm, Ralph E. Johnson, John Vlissides: Creational Patterns. In: GofPatternss. 30. November 2020, abgerufen am 30. November 2020 (englisch). 
6. ↑ Erich Gamma, Richard Helm, Ralph E. Johnson, John Vlissides: Structural Patterns. In: GofPatterns. 30. November 2020, abgerufen am 30. November 2020 (englisch). 
7. ↑ Erich Gamma, Richard Helm, Ralph E. Johnson, John Vlissides: Behavioral Patterns. In: GofPatterns. 30. November 2020, abgerufen am 30. November 2020 (englisch). 
8. ↑ ^{a b} Vorlage:Enterprise Integration Patterns - Internet
9. ↑ Vorlage:Enterprise Integration Patterns - Literatur