Mẫu Thiết Kế Phần Mềm

Phần mở đầu nêu bật sự gia tăng nhu cầu về các hệ thống phần mềm phức tạp và quy mô lớn. Điều này dẫn đến sự cần thiết phải tìm kiếm những phương pháp luận và kỹ thuật phát triển phần mềm hiệu quả hơn, giúp tự động hóa quá trình sản xuất và đơn giản hóa bảo trì. Các mẫu thiết kế và khung làm việc thiết kế nổi lên như những giải pháp quan trọng. Tài liệu nhấn mạnh sự cần thiết của một phương pháp luận toàn diện, như POAD, để giải quyết các thách thức trong việc phát triển các hệ thống phức tạp, đồng thời học hỏi kinh nghiệm từ các dự án khác. POAD được giới thiệu như một giải pháp đáp ứng nhu cầu này, cung cấp một khuôn khổ để xây dựng và bảo trì các hệ thống phần mềm một cách hiệu quả hơn.

Phần này giải thích tầm quan trọng của lập trình hướng đối tượng (OOP) trong quá trình xây dựng phần mềm. OOP được xem như một phương thức để chuyển đổi các thiết kế hướng đối tượng thành chương trình thực thi, sử dụng các ngôn ngữ lập trình hỗ trợ các tính năng hướng đối tượng. Kết quả cuối cùng là mã máy có thể chạy được, sau khi trải qua nhiều vòng thử nghiệm. Tuy nhiên, tài liệu cũng chỉ ra khó khăn trong việc nhận diện các lớp đối tượng và phân công trách nhiệm hợp lý giữa các đối tượng tương tác, đòi hỏi sự cảm nhận, khả năng phân tích và kinh nghiệm từ các nhà phát triển. Việc quản lý sự tương tác phức tạp giữa nhiều lớp đối tượng là một thách thức, cần được giải quyết một cách hiệu quả để đảm bảo chất lượng và thời gian phát triển phần mềm.

Mục tiêu chính của POAD là thúc đẩy việc sử dụng mẫu thiết kế trong quá trình phát triển phần mềm. POAD hướng đến việc đơn giản hóa việc tiếp cận và áp dụng mẫu thiết kế, đặc biệt cho các nhà thiết kế mới. Việc sử dụng lại phần mềm là một nhiệm vụ khó khăn nhưng rất cần thiết để giảm chi phí và đảm bảo chất lượng. POAD cung cấp một bảng từ vựng chung và phương thức để hiểu các thiết kế, sử dụng các khối xây dựng đã được chứng minh từ các ứng dụng phức tạp. POAD mô hình hóa các mẫu như các thành phần thiết kế, cho phép cấu thành và tích hợp các mẫu một cách dễ dàng. Điều này giúp xây dựng các ứng dụng từ các thành phần thiết kế có thể tái sử dụng, hỗ trợ quá trình phát triển nhanh chóng và đáp ứng các thay đổi yêu cầu.

Đoạn văn này định nghĩa mẫu thiết kế trong công nghệ phần mềm là một giải pháp tổng thể cho các vấn đề chung trong thiết kế. Một mẫu thiết kế không phải là một thiết kế hoàn chỉnh có thể chuyển đổi trực tiếp thành mã, mà là một mô tả hoặc sườn (template) mô tả cách giải quyết vấn đề có thể áp dụng trong nhiều tình huống khác nhau. Các mẫu thiết kế hướng đối tượng thường thể hiện mối quan hệ và sự tương tác giữa các lớp hoặc đối tượng, không cần chỉ rõ các lớp hay đối tượng của từng ứng dụng cụ thể. Giải thuật không được xem là mẫu thiết kế vì chúng giải quyết vấn đề tính toán hơn là vấn đề thiết kế. Ba thứ nguyên chính của một phương pháp luận thiết kế được nêu là công nghệ, tiến trình và tổ chức. Mặt công nghệ được nhấn mạnh với các mô hình trực quan dùng để gắn các mẫu một cách có cấu trúc, và sự hỗ trợ của UML.

Phần này đề cập đến nguồn gốc của khái niệm mẫu thiết kế, xuất phát từ khái niệm kiến trúc của Christopher Alexander. Kent Beck và Ward Cunningham đã thử nghiệm ý tưởng áp dụng mẫu vào lập trình tại hội thảo OOPSLA năm 1987. Quá trình phát triển mẫu thiết kế bao gồm ba giai đoạn: tạo mẫu, sử dụng mẫu trong các ứng dụng và thu thập phản hồi từ người dùng. Người dùng mẫu tìm kiếm mẫu trong các tài liệu đã công bố, áp dụng chúng vào dự án thực tế, và cung cấp phản hồi cho tác giả để cải tiến mẫu. Phân tích mẫu hành vi được nhấn mạnh, đặc biệt khi các hành vi kết hợp tạo nên thiết kế ứng dụng. Sự cấu thành hành vi cần được phân tích cẩn thận để tránh các tương tác không mong muốn. Các mối quan hệ giữa các mẫu (sử dụng, làm mịn, đối lập) cũng được đề cập đến, giúp hỗ trợ quá trình lựa chọn mẫu.

Phần này tóm tắt khái niệm thiết kế phần mềm sử dụng thành phần thiết kế, có khả năng thích ứng với những thay đổi yêu cầu nhanh chóng. Tầm quan trọng của khái niệm thành phần thiết kế phát sinh được nhấn mạnh, nơi các thành phần được chỉ rõ ở mức độ trừu tượng cao. Khái niệm này khác với phát triển phần mềm dựa trên thành phần, tập trung vào mã hóa thành phần ở mức cao. Tài liệu thảo luận về kỹ thuật Cấu trúc Sự Cấu thành (Structural Composition) và so sánh với phương pháp luận POAD. Một hướng tiếp cận dưới lên cho thiết kế phần mềm sử dụng mẫu thiết kế được đề cập, nhấn mạnh việc liên kết các mẫu được lựa chọn. Kỹ nghệ phần mềm dựa trên thành phần (component-based engineering) được xem là một mô hình có lợi cho phát triển phần mềm, với việc xác định thành phần, thời điểm sử dụng và các giai đoạn phát triển.

POAD sử dụng các danh mục mẫu thiết kế có sẵn, dựa trên sự tồn tại của các thư viện mẫu có thể tái sử dụng. Các vấn đề về thư viện sử dụng lại truyền thống được đề cập, cùng với cách tiếp cận khác để bảo trì và duyệt các thư viện. Trong POAD, ứng dụng được xây dựng từ tập hợp mẫu thiết kế cấu trúc, là các thành phần thiết kế. Việc lựa chọn mẫu và xác định mối quan hệ giữa các mẫu giúp tạo ra khung nhìn kiến trúc của ứng dụng. Kiến trúc phần mềm tập trung vào cấu trúc ứng dụng hơn là chức năng. POAD khuyến khích sử dụng lại ở mức thiết kế, và sự phân rã và tích hợp phân cấp được thực hiện thông qua các mô hình POAD. Ba loại cấu trúc phân cấp được đề cập: bao gồm, bộ phận của, và một số loại khác.

Chương này bắt đầu bằng định nghĩa mẫu thiết kế là những giải pháp tổng quát hóa từ các giải pháp tương tự được sử dụng để giải quyết những vấn đề tương tự nhau trong thiết kế phần mềm. Việc tạo mẫu thiết kế là quá trình trừu tượng hóa các đặc điểm giống nhau của các vấn đề và giải pháp, cho phép áp dụng hướng giải pháp chung vào vấn đề mới. Các nhà phát triển giàu kinh nghiệm nhận ra sự tồn tại của các giải pháp chung cho nhiều vấn đề khác nhau, dẫn đến việc tổng quát hóa và hình thức hóa các giải pháp này thành mẫu thiết kế. John Vlissides nhấn mạnh rằng việc tạo mẫu thiết kế không phải là tạo ra điều hoàn toàn mới mà là phát triển từ những nguyên lý cơ bản đã tồn tại. Mẫu thiết kế được xem như những nguyên lý cơ bản có thể được sử dụng để xây dựng giải pháp cho những tình huống mới. Fowler đã chứng minh một số mẫu phân tích dựa trên kinh nghiệm thực tế từ các dự án trong nhiều lĩnh vực kinh doanh khác nhau, ví dụ như mẫu Kiểu, Giám sát và Đo đếm.

Phần này thảo luận về các loại mẫu thiết kế, bao gồm mẫu kiến trúc. Mẫu kiến trúc được định nghĩa là giản đồ tổ chức mô tả kiến trúc cơ bản của hệ thống phần mềm, bao gồm các hệ thống con, trách nhiệm của chúng, và các quy tắc để tổ chức quan hệ giữa chúng (ví dụ: Broker, Blackboard, Filters-Pipes). Tài liệu chỉ ra rằng một hệ thống hoàn chỉnh không thể được xây dựng từ một mẫu đơn lẻ mà là sự tích hợp và cấu thành từ nhiều mẫu. Tài liệu cũng phân tích các mối quan hệ giữa các mẫu thiết kế, bao gồm: mối quan hệ 'sử dụng' (một mẫu sử dụng mẫu khác), mối quan hệ 'làm mịn' (một mẫu làm mịn mẫu khác), và mối quan hệ 'đối lập' (một mẫu xung đột với mẫu khác). Mẫu phức tạp thường sử dụng các mẫu đơn giản hơn (ví dụ: MVC sử dụng Observer, Strategy, Composite). Lược đồ phân loại này giúp quá trình chọn mẫu từ cơ sở dữ liệu mẫu trong pha phân tích của POAD. Tuy nhiên, việc hiểu mối quan hệ giữa các mẫu riêng biệt là quan trọng nhưng chưa đủ để giải quyết vấn đề cấu thành mẫu.

Phần này nhấn mạnh khái niệm mẫu thiết kế như các thành phần thiết kế, cho phép tái sử dụng ở mức thiết kế. POAD mô hình hóa các mẫu như các thành phần thiết kế, sử dụng chúng như các khối xây dựng cho thiết kế hướng mẫu. Việc này đòi hỏi xác định giao diện mẫu và thuộc tính để tạo khả năng cấu thành ở mức thiết kế. POAD định nghĩa một loại mẫu cụ thể gọi là mẫu thiết kế cấu trúc, và xác định cách lần vết đến mức thiết kế thấp hơn theo thuật ngữ của các lớp. Để hỗ trợ phát triển dựa trên mẫu, POAD cần một cách tiếp cận cấu thành dễ sử dụng. Tài liệu đề cập đến công trình của Keller and Schauer về thành phần thiết kế, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định rõ thành phần ở mức trừu tượng cao. Việc này liên quan đến việc sử dụng mẫu thiết kế như các thành phần thiết kế, khác với phát triển phần mềm dựa trên thành phần, tập trung vào mã hóa thành phần mức cao. POAD khuyến khích sử dụng lại ở mức thiết kế, giúp giảm bớt công sức phát triển và đảm bảo chất lượng phần mềm cao hơn.

Giống như các phương pháp luận phát triển phần mềm khác, POAD bắt đầu bằng pha phân tích yêu cầu. Tuy nhiên, điểm khác biệt nằm ở đầu ra của pha này. Trong các phương pháp luận hướng đối tượng truyền thống, đầu ra thường là tập hợp các đối tượng phân tích. Trong POAD, đầu ra là tập hợp các mẫu thiết kế được lựa chọn để sử dụng trong thiết kế ứng dụng. Mối quan hệ giữa kỹ thuật sử dụng trong phân tích và loại hình phương pháp luận phát triển là rất chặt chẽ, vì sản phẩm của pha phân tích sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến pha thiết kế và các giai đoạn tiếp theo. Do đó, tiến trình phân tích trong POAD hướng đến tạo ra các chế tác phù hợp nhất cho pha thiết kế và các giai đoạn tiếp theo của quá trình phát triển. Trong pha phân tích của POAD, yêu cầu ứng dụng được phân tích để xác định vấn đề cần giải quyết và nhận dạng các mẫu thiết kế phù hợp. Đầu vào bao gồm các yêu cầu từ người dùng hoặc chuyên gia, và cơ sở dữ liệu mẫu thiết kế (có thể là mẫu chung hoặc mẫu chuyên ngành).

Pha phân tích trong POAD bao gồm các hoạt động: phân tích yêu cầu, làm quen bước đầu với cơ sở dữ liệu mẫu, tìm kiếm và lựa chọn mẫu ứng viên. Trong hoạt động làm quen với cơ sở dữ liệu mẫu, nhà phân tích cần xác định các gói khái niệm hoặc thành phần đại diện cho thuộc tính chức năng của hệ thống. Các trách nhiệm chức năng này xác định vai trò của thành phần khái niệm và hướng dẫn quá trình lựa chọn mẫu. Ví dụ, ngôn ngữ mẫu của các máy trạng thái và biểu đồ trạng thái có thể thúc đẩy nhà phân tích phát triển mô hình dựa trên các thành phần cộng tác có hành vi được mô hình hóa trong đặc tả trạng thái. Sự định nghĩa rõ ràng các thành phần khái niệm là rất quan trọng để làm quen bước đầu hiệu quả, tránh khó khăn trong việc xây dựng mẫu thiết kế để thực thi chức năng đã xác định. Một số mẫu trong thư viện có thể giúp nhà phân tích xác định dễ dàng các thành phần khái niệm và thực thi bằng cách sử dụng các mẫu đó. Việc trích xuất mẫu từ cơ sở dữ liệu có thể dễ dàng hơn nhờ cộng đồng mẫu đã định nghĩa rõ các mẫu, giúp trích xuất tự động dễ dàng hơn.

Pha làm mịn thiết kế trong POAD tập trung vào việc tạo ra biểu đồ lớp của hệ ứng dụng sử dụng biểu đồ lớp của các khối mẫu đã được xây dựng ở pha thiết kế. Đầu vào là biểu đồ mức mẫu chi tiết. Nhà thiết kế sẽ nắm bắt chi tiết bên trong của mẫu thiết kế đã chọn. Người thiết kế sẽ phân tích quan hệ giữa các thể hiện mẫu và lần vết các quan hệ này đến mối quan hệ thiết kế ở mức thấp hơn giữa các giao diện mẫu. Sau đó, xác định các giao diện mẫu và phân rã các quan hệ phụ thuộc của mẫu thành các mối quan hệ mức thấp hơn giữa các giao diện mẫu. Kết quả là các biểu đồ mức mẫu với giao diện và các biểu đồ mức mẫu được làm mịn. Người phân tích bắt đầu từ biểu đồ mức mẫu chi tiết, thể hiện cụ thể từng mẫu trong ngữ cảnh của ứng dụng. Các hoạt động bao gồm: chọn tên thành phần, xác định tên ứng dụng cụ thể cho các thao tác trong lớp mẫu, khái niệm hóa, phân loại, cụ thể hóa, đặc tả, xác định phạm vi và tầm nhìn của thiết kế (Keller và Schauer, 1998). Sản phẩm là thiết kế mức chi tiết mẫu cho ứng dụng cụ thể. Cơ chế lần vết cho phép duyệt toàn bộ mô hình thiết kế và lần vết thành phần tham gia mẫu giữa các mức.

Tiến trình POAD tập trung vào phân tích và thiết kế, không quan tâm đến phong cách lập trình cụ thể hay ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng sử dụng trong thực thi. POAD tạo các mô hình thiết kế từ thiết kế chi tiết, và sự thực thi có thể được sinh ra. Đầu ra là các biểu đồ lớp đơn giản chứa mô hình hướng đối tượng truyền thống (lớp, liên kết, kế thừa). Các mô hình POAD có thể triển khai bằng nhiều ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng. POAD có cơ chế lần vết tự động theo dấu từ mô hình thiết kế mức thấp (biểu đồ lớp) đến mức cao (biểu đồ mức mẫu, giao diện mẫu) và ngược lại. Cơ chế này hỗ trợ kỹ thuật quay vòng ở mức phân tích và thiết kế, nối giữa các mô hình phân tích và thiết kế mẫu với biểu đồ lớp. Kỹ thuật quay vòng giữa biểu đồ lớp và mã nguồn cũng được hỗ trợ. Việc sử dụng biểu đồ mức mẫu giúp cải thiện khả năng hiểu thiết kế ứng dụng/khung làm việc. Trong POAD, phần bên trong mẫu là những mô hình lớp đã được thiết kế tốt.

POAD giúp giảm bớt việc chế tác lại thiết kế hướng đối tượng vì một phần quá trình tái chế đã được thực hiện trong chính các mẫu. Các mẫu thiết kế nắm bắt nhiều cấu trúc là kết quả của sự tái chế. POAD cải tiến các phương pháp luận phát triển hướng đối tượng truyền thống bằng cách sử dụng các thiết kế đã được cải tiến từ nhiều ứng dụng thành công. Tuy nhiên, POAD cũng có một số hạn chế. Việc hiểu các mẫu đòi hỏi kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm. Việc đưa ra quyết định đúng đắn trong việc chọn mẫu cần sự hiểu biết về sự đánh đổi, động cơ thúc đẩy, sức mạnh và các mẫu liên quan. Rất khó để biết chính xác cái giá phải trả cho lợi ích đạt được khi sử dụng một mẫu nhất định, đặc biệt là về chất lượng của giải pháp đã được kiểm chứng.

Chương này minh họa việc áp dụng mẫu thiết kế trong thực tế bằng bài toán gợi ý cấu hình máy tính (Desktop và Laptop). Mẫu thiết kế Builder được lựa chọn để giải quyết bài toán tạo ra hai loại đối tượng độc lập (Desktop và Laptop) từ một đối tượng chung (Computer), trong đó hai đối tượng con kế thừa từ đối tượng cha và có nội dung được định nghĩa thông qua lớp cha. Việc sử dụng mẫu Builder giúp xây dựng biểu đồ chi tiết ứng dụng một cách nhanh chóng và hiệu quả. Mô tả cách tiếp cận này cho thấy ứng dụng thực tiễn của mẫu thiết kế trong việc giải quyết các vấn đề cụ thể. Điều này cho thấy sự linh hoạt và khả năng áp dụng của mẫu thiết kế trong nhiều ngữ cảnh khác nhau, giúp đơn giản hóa việc phát triển và bảo trì phần mềm.

Một ví dụ khác được trình bày là ứng dụng StorageExplorer, một ứng dụng nhỏ được thiết kế để minh họa việc sử dụng kết hợp nhiều mẫu thiết kế cùng nhau. Ứng dụng này cho phép người dùng khám phá các thành phần bên trong một tập tin được lưu trữ trên máy tính. Các mẫu thiết kế được sử dụng bao gồm: Chiến lược (Strategy), Quan sát (Observer), và Điều chỉnh (Adapter). Việc sử dụng kết hợp nhiều mẫu thiết kế cho thấy khả năng mở rộng và tính linh hoạt của phương pháp này trong việc giải quyết các bài toán phức tạp. Ví dụ, việc thêm một thuật toán mới vào StorageExplorer được thực hiện bằng cách tạo một phân lớp mới và thay đổi đối tượng explorer trong thời gian chạy, cho thấy tính năng hoán đổi của mẫu Chiến lược. Việc thêm yêu cầu mới như lưu kết quả vào tập tin cũng được thực hiện bằng cách kế thừa một lớp mới từ ExplorationObserver, cho thấy sự linh hoạt của mẫu Quan sát.

Chương này kết thúc bằng việc nhấn mạnh hai điểm quan trọng. Thứ nhất, việc làm quen với các mẫu thiết kế đòi hỏi phải nắm vững kiến thức cơ bản về phương pháp phân tích thiết kế hướng đối tượng. Thứ hai, quá trình làm đồ án giúp rút ra kinh nghiệm về cách làm việc khoa học, chủ động nghiên cứu công nghệ mới và áp dụng kiến thức vào thực tiễn. Việc kết hợp cả lý thuyết và thực hành trong quá trình làm đồ án đã giúp củng cố kiến thức và kỹ năng của sinh viên. Các ví dụ được đưa ra trong chương này không chỉ minh họa việc áp dụng mẫu thiết kế mà còn cho thấy tầm quan trọng của việc kết hợp lý thuyết và thực tiễn trong quá trình học tập và nghiên cứu. Thông qua các ví dụ cụ thể, người đọc có thể hiểu rõ hơn về cách áp dụng mẫu thiết kế vào quá trình phát triển phần mềm và những lợi ích mà nó mang lại.