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Entwurfsmuster (Design Patterns): Strukturmuster in Java

HyperCube IT Solutions | App-Entwicklung, IT Consulting, Softwareentwicklung, Webentwicklung

Thema: Entwurfsmuster (Design Patterns): Strukturmuster in Java
Autor: Christian Paulus (HyperCube IT Solutions)
E-Mail: c.paulus@hypercube.biz
Web: www.hypercube.biz

Thema dieses Blog-Artikels sind die Strukturmuster (Structural Patterns), die als einer von drei Grundtypen innerhalb der Entwurfsmuster (Design Patterns) angesiedelt sind.

Entwurfsmuster (Design Patterns) sind in der Softwarearchitektur und -entwicklung allgemeine, wiederverwendbare und bewährte Lösungsmuster für wiederkehrende Entwurfsprobleme. Sie bilden somit eine wiederverwendbare Vorlage zur Problemlösung, welche in einem bestimmten Kontext eingesetzt werden kann. Es existieren drei unterschiedliche Grundtypen von Entwurfsmustern (Design Patterns): Erzeugungsmuster (Creational Patterns), Strukturmuster (Structural Patterns) und Verhaltensmuster (Behavioral Patterns).

Strukturmuster erleichtern durch die Herstellung von Beziehungen zwischen Klassen den Entwurf der Software.
Beispiele für Strukturmuster sind: Kompositum, Dekorierer, Brücke, Adapter, Proxy und Fliegengewicht.

Nachfolgend wird für zwei Strukturmuster (Dekorierer und Brücke) jeweils ein entsprechendes UML Diagramm dargestellt und erläutert sowie eine beispielhafte Implementierung aufgezeigt. Die Implementierung erfolgt in der objektorientierten Programmiersprache Java.

Dekorierer:

Das Entwurfsmuster „Dekorierer“ (decorator pattern) ist eine flexible Alternative zur Unterklassenbildung, um eine Klasse um zusätzliche Funktionalitäten zu erweitern.

Es wird eingesetzt, wenn

einzelnen Objekten zusätzliche Funktionalität dynamisch und transparent hinzugefügt werden soll, ohne andere Objekte mit einzubeziehen,
Funktionalität hinzugefügt werden soll, die auch wieder entfernt werden kann,
die Erweiterung mittels Unterklassenbildung nicht praktisch durchführbar ist.

Das UML Diagramm für das Entwurfsmuster „Dekorierer“ stellt sich wie folgt dar:

UML Diagramm für das Entwurfsmuster "Dekorierer"

Die Akteure des Entwurfsmusters „Dekorierer“ sind wie folgt:

Component (Komponente):
Definiert eine Schnittstelle für Komponenten und Dekorierer.

ConcreteComponent (KonkreteKomponente):
Definiert ein Objekt, das um zusätzliche Funktionalitäten erweitert werden kann.

Decorator (Dekorierer):
Verwaltet eine Referenz auf ein Komponentenobjekt und definiert eine Schnittstelle, die der Schnittstelle von Komponente entspricht.

ConcreteDecorator (KonkreterDekorierer):
Fügt der Komponente Funktionalität hinzu.

Client (Klient):
Referenziert auf die Schnittstelle der Komponente.

Eine beispielhafte Java-Implementierung für das Entwurfsmuster „Dekorierer“ sieht wie folgt aus:

/*
 * Design Pattern: Decorator Pattern (Dekorierer)
 * Modified code example based on the english wikipedia article: Decorator pattern
 * URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Decorator_pattern
 * 
 * Company: HyperCube IT Solutions
 * Author: Christian Paulus
 * Email: c.paulus@hypercube.biz
 * Web: www.hypercube.biz
 */
package design_patterns.structural_patterns;

/* Client (Klient) */
class DecoratorPatternClient {
	
	public static void main(String args[]) {
		
		System.out.println("== Decorator Pattern Application ==");
		System.out.println();
		
		// simple coffee
		Coffee simpleCoffee = new SimpleCoffee();
		System.out.println("-> simple coffee");
		System.out.println("cost: " + simpleCoffee.getCost());
		System.out.println("ingredients: " + simpleCoffee.getIngredients());
		System.out.println();
		
		// coffee with milk 
		Coffee coffeeWithMilk = new WithMilk(simpleCoffee);
		System.out.println("-> coffee with milk");
		System.out.println("cost: " + coffeeWithMilk.getCost());
		System.out.println("ingredients: " + coffeeWithMilk.getIngredients());
		System.out.println();
		
		// coffee with sugar 
		Coffee coffeeWithSugar = new WithSugar(simpleCoffee);
		System.out.println("-> coffee with sugar");
		System.out.println("cost: " + coffeeWithSugar.getCost());
		System.out.println("ingredients: " + coffeeWithSugar.getIngredients());
		System.out.println();
		
		// coffee with milk and sugar 
		Coffee coffeeWithMilkAndSugar = new WithSugar(new WithMilk(simpleCoffee));
		System.out.println("-> coffee with milk and sugar");
		System.out.println("cost: " + coffeeWithMilkAndSugar.getCost());
		System.out.println("ingredients: " + coffeeWithMilkAndSugar.getIngredients());
		System.out.println();
	}		
}
	
/* Component (Komponente) */
interface Coffee {
	
    public double getCost(); // operationA()
    
    public String getIngredients(); // operationB()
}

/* ConcreteComponent (KonkreteKomponente) */
class SimpleCoffee implements Coffee {

    public double getCost() { // operationA()
        return 1;
    }

    public String getIngredients() { // operationB()
        return "Coffee";
    }
}	

/* Decorator (Dekorierer) */
abstract class CoffeeDecorator implements Coffee {
	
	private Coffee coffee; // component: Component
	
	public CoffeeDecorator(Coffee coffee) {
		this.coffee = coffee;
	}

	public double getCost() { // operationA()
		return coffee.getCost();
	}
	
	public String getIngredients() { // operationB()
		return coffee.getIngredients();
	}
}

/* ConcreteDecoratorA (KonkreterDekoriererA) */
class WithMilk extends CoffeeDecorator {
	
	public WithMilk(Coffee coffee) {
		super(coffee);
	}

	@Override
	public double getCost() { // operationA()
		return super.getCost() + 0.5;
	}
	
	@Override
	public String getIngredients() { // operationB()
		return super.getIngredients() + ", Milk";
	}
}

/* ConcreteDecoratorB (KonkreterDekoriererB) */
class WithSugar extends CoffeeDecorator {
	
	public WithSugar(Coffee coffee) {
		super(coffee);
	}
	
	@Override
	public double getCost() { // operationA()
		return super.getCost() + 0.2;
	}
	
	@Override
	public String getIngredients() { // operationB()
		return super.getIngredients() + ", Sugar";
	}
}

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* Design Pattern: Decorator Pattern (Dekorierer)

* Modified code example based on the english wikipedia article: Decorator pattern

* URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Decorator_pattern

* Company: HyperCube IT Solutions

* Author: Christian Paulus

* Email: c.paulus@hypercube.biz

* Web: www.hypercube.biz

package design_patterns.structural_patterns;

/* Client (Klient) */

class DecoratorPatternClient {

public static void main(String args[]) {

System.out.println("== Decorator Pattern Application ==");

System.out.println();

// simple coffee

Coffee simpleCoffee = new SimpleCoffee();

System.out.println("-> simple coffee");

System.out.println("cost: " + simpleCoffee.getCost());

System.out.println("ingredients: " + simpleCoffee.getIngredients());

System.out.println();

// coffee with milk

Coffee coffeeWithMilk = new WithMilk(simpleCoffee);

System.out.println("-> coffee with milk");

System.out.println("cost: " + coffeeWithMilk.getCost());

System.out.println("ingredients: " + coffeeWithMilk.getIngredients());

System.out.println();

// coffee with sugar

Coffee coffeeWithSugar = new WithSugar(simpleCoffee);

System.out.println("-> coffee with sugar");

System.out.println("cost: " + coffeeWithSugar.getCost());

System.out.println("ingredients: " + coffeeWithSugar.getIngredients());

System.out.println();

// coffee with milk and sugar

Coffee coffeeWithMilkAndSugar = new WithSugar(new WithMilk(simpleCoffee));

System.out.println("-> coffee with milk and sugar");

System.out.println("cost: " + coffeeWithMilkAndSugar.getCost());

System.out.println("ingredients: " + coffeeWithMilkAndSugar.getIngredients());

System.out.println();

}

/* Component (Komponente) */

interface Coffee {

public double getCost(); // operationA()

public String getIngredients(); // operationB()

}

/* ConcreteComponent (KonkreteKomponente) */

class SimpleCoffee implements Coffee {

public double getCost() { // operationA()

return 1;

}

public String getIngredients() { // operationB()

return "Coffee";

}

/* Decorator (Dekorierer) */

abstract class CoffeeDecorator implements Coffee {

private Coffee coffee; // component: Component

public CoffeeDecorator(Coffee coffee) {

this.coffee = coffee;

}

public double getCost() { // operationA()

return coffee.getCost();

}

public String getIngredients() { // operationB()

return coffee.getIngredients();

}

/* ConcreteDecoratorA (KonkreterDekoriererA) */

class WithMilk extends CoffeeDecorator {

public WithMilk(Coffee coffee) {

super(coffee);

}

@Override

public double getCost() { // operationA()

return super.getCost() + 0.5;

}

@Override

public String getIngredients() { // operationB()

return super.getIngredients() + ", Milk";

}

/* ConcreteDecoratorB (KonkreterDekoriererB) */

class WithSugar extends CoffeeDecorator {

public WithSugar(Coffee coffee) {

super(coffee);

}

@Override

public double getCost() { // operationA()

return super.getCost() + 0.2;

}

@Override

public String getIngredients() { // operationB()

return super.getIngredients() + ", Sugar";

}

Für die Übersichtlichkeit dieses Beispiels wurden alle Java-Klassen in einer Java-Datei aufgeführt, anstatt wie üblich jede Java-Klasse in einer eigenen Java-Datei aufzuführen.

Die Ausführung der Java-Datei DecoratorPattern.java in der Eclipse IDE liefert das folgende Ergebnis:

Ausführung von "DecoratorPattern.java" in Eclipse

Brücke

Das Entwurfsmuster „Brücke“ (bridge pattern) dient zur Trennung der Implementierung von ihrer Abstraktion (Schnittstelle), wodurch beide unabhängig voneinander verändert werden können.

Es wird eingesetzt, wenn

sowohl Abstraktion als auch Implementierung erweiterbar sein sollen und eine dauerhafte Verbindung zwischen Abstraktion und Implementierung verhindert werden soll,
Änderungen der Implementierung ohne Auswirkungen für den Klienten sein sollen,
die Implementierung vor dem Klienten verborgen bleiben soll, oder
die Implementierung von verschiedenen Klassen gleichzeitig genutzt werden soll.

Das UML Diagramm für das Entwurfsmuster „Brücke“ stellt sich wie folgt dar:

UML Diagramm für das Entwurfsmuster "Brücke"

Die Akteure des Entwurfsmusters „Brücke“ sind wie folgt:

Abstraction (Abstraktion):
Definiert die Schnittstelle der Abstraktion. Verwaltet eine Referenz auf ein Objekt des Typs „Implementor“.

RefinedAbstraktion (SpezAbstraktion):
Erweitert die durch Abstraktion definierte Schnittstelle.

Implementor (Implementierer):
Definiert die Schnittstelle für die Implementierungsklassen. Diese muss nicht notwendigerweise exakt mit der „Abstraction“-Schnittstelle übereinstimmen.

ConcreteImplementor (KonkreterImplementierer):
Implementiert die Schnittstelle „Implementor“ und definiert ihre konkrete Implementierung.

Client (Klient):
Referenziert auf die Schnittstelle der Abstraktion.

Eine beispielhafte Java-Implementierung für das Entwurfsmuster „Brücke“ sieht wie folgt aus:

/*
 * Design Pattern: Bridge Pattern (Brücke)
 * Modified code example based on the german wikipedia article: Brücke (Entwurfsmuster)
 * URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Brücke_(Entwurfsmuster)
 * 
 * Company: HyperCube IT Solutions
 * Author: Christian Paulus
 * Email: c.paulus@hypercube.biz
 * Web: www.hypercube.biz
 */
package design_patterns.structural_patterns;

/* Client (Klient) */
class BridgePatternClient {

	public static void main(String args[]) {
		
		System.out.println("== Bridge Pattern Application ==");
		System.out.println();
		
		// Abstraction
		Printer printer = null;
		
		// ConcreteImplementorA & ConcreteImplementorB 
		Printing plainTextPrinting = new PlainTextPrinting();
		Printing htmlPrinting = new HTMLPrinting();
		
		// RefinedAbstractionA + ConcreteImplementorA
		printer = new LaserPrinter(plainTextPrinting);
		printer.print(); // operation() + operationImplementation()
		
		// RefinedAbstractionA + ConcreteImplementorB 
		printer.setPrinting(htmlPrinting);
		printer.print(); // operation() + operationImplementation()
		System.out.println();
		
		// RefinedAbstractionB + ConcreteImplementorA
		printer = new InkjetPrinter(plainTextPrinting);
		printer.print(); // operation() + operationImplementation()
		
		// RefinedAbstractionB + ConcreteImplementorB
		printer.setPrinting(htmlPrinting);
		printer.print(); // operation() + operationImplementation()
	}		
}

/* Abstraction (Abstraktion)  */
abstract class Printer {
	
    protected Printing printing; // implementor: Implementor

    public Printer(Printing printing) {
        this.printing = printing;
    }

    public abstract void print(); // operation() 

    public Printing getPrinting() {
        return this.printing;
    }

    public void setPrinting(Printing printing) {
        this.printing = printing;
    }
}

/* RefinedAbstractionA (SpezialisierteAbstraktionA) */
class LaserPrinter extends Printer {
	
    public LaserPrinter(Printing printing) {
        super(printing);
    }

    @Override
    public void print() { // operation()
        printing.print("Printed with LASER PRINTER.");
    }
}

/* RefinedAbstractionB (SpezialisierteAbstraktionB) */
class InkjetPrinter extends Printer {
	
    public InkjetPrinter(Printing printing) {
        super(printing);
    }

    @Override
    public void print() { // operation()
        printing.print("Printed with INKJET PRINTER.");
    }
}

/* Implementor (Implementierer) */
interface Printing {
    public void print(String text); // operationImplementation()
}

/* ConcreteImplementorA (KonkreterImplementiererA) */
class PlainTextPrinting implements Printing {

    public void print(String text) { // operationImplementation() 
        System.out.println(text);
    }
}

/* ConcreteImplementorB (KonkreterImplementiererB) */
class HTMLPrinting implements Printing {

    public void print(String text) { // operationImplementation()
        System.out.println("<p>\n\t<em>" + text + "</em>\n</p>");
    }
}

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* Design Pattern: Bridge Pattern (Brücke)

* Modified code example based on the german wikipedia article: Brücke (Entwurfsmuster)

* URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Brücke_(Entwurfsmuster)

* Company: HyperCube IT Solutions

* Author: Christian Paulus

* Email: c.paulus@hypercube.biz

* Web: www.hypercube.biz

package design_patterns.structural_patterns;

/* Client (Klient) */

class BridgePatternClient {

public static void main(String args[]) {

System.out.println("== Bridge Pattern Application ==");

System.out.println();

// Abstraction

Printer printer = null;

// ConcreteImplementorA & ConcreteImplementorB

Printing plainTextPrinting = new PlainTextPrinting();

Printing htmlPrinting = new HTMLPrinting();

// RefinedAbstractionA + ConcreteImplementorA

printer = new LaserPrinter(plainTextPrinting);

printer.print(); // operation() + operationImplementation()

// RefinedAbstractionA + ConcreteImplementorB

printer.setPrinting(htmlPrinting);

printer.print(); // operation() + operationImplementation()

System.out.println();

// RefinedAbstractionB + ConcreteImplementorA

printer = new InkjetPrinter(plainTextPrinting);

printer.print(); // operation() + operationImplementation()

// RefinedAbstractionB + ConcreteImplementorB

printer.setPrinting(htmlPrinting);

printer.print(); // operation() + operationImplementation()

}

/* Abstraction (Abstraktion) */

abstract class Printer {

protected Printing printing; // implementor: Implementor

public Printer(Printing printing) {

this.printing = printing;

}

public abstract void print(); // operation()

public Printing getPrinting() {

return this.printing;

}

public void setPrinting(Printing printing) {

this.printing = printing;

}

/* RefinedAbstractionA (SpezialisierteAbstraktionA) */

class LaserPrinter extends Printer {

public LaserPrinter(Printing printing) {

super(printing);

}

@Override

public void print() { // operation()

printing.print("Printed with LASER PRINTER.");

}

/* RefinedAbstractionB (SpezialisierteAbstraktionB) */

class InkjetPrinter extends Printer {

public InkjetPrinter(Printing printing) {

super(printing);

}

@Override

public void print() { // operation()

printing.print("Printed with INKJET PRINTER.");

}

/* Implementor (Implementierer) */

interface Printing {

public void print(String text); // operationImplementation()

}

/* ConcreteImplementorA (KonkreterImplementiererA) */

class PlainTextPrinting implements Printing {

public void print(String text) { // operationImplementation()

System.out.println(text);

}

/* ConcreteImplementorB (KonkreterImplementiererB) */

class HTMLPrinting implements Printing {

public void print(String text) { // operationImplementation()

System.out.println("<p>\n\t<em>" + text + "</em>\n</p>");

}

Für die Übersichtlichkeit dieses Beispiels wurden alle Java-Klassen in einer Java-Datei aufgeführt, anstatt wie üblich jede Java-Klasse in einer eigenen Java-Datei aufzuführen.

Die Ausführung der Java-Datei BridgePattern.java in der Eclipse IDE liefert das folgende Ergebnis:

Ausführung von "BridgePattern.java" in Eclipse

Quellenangaben:

Gamma, Erich et al. – Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software; Addison-Wesley, 2009
Gamma, Erich et al. – Entwurfsmuster: Elemente wiederverwendbarer objektorientierter Software; Addison-Wesley, 2011
Gamma, Erich et al. – Design Patterns: Entwurfsmuster als Elemente wiederverwendbarer objektorientierter Software; mitp, 2015
Wikipedia – Decorator pattern: https://en.wikipedia.org/wiki/Decorator_pattern
Wikipedia – Decorator: https://de.wikipedia.org/wiki/Decorator
Wikipedia – Bridge pattern: https://en.wikipedia.org/wiki/Bridge_pattern
Wikipedia – Brücke (Entwurfsmuster): https://de.wikipedia.org/wiki/Brücke_(Entwurfsmuster)

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