أنماط التصميم فى هندسة البرمجيات Design Patterns

أنماط التصميم هي مجموعة من الحلول المتكررة لحل مشكلات التصميم الشائعة في البرمجيات، والتي تم تجميعها وتوثقيها من خلال الخبرات والممارسات السابقة لمهندسى البرمجيات المحرفين حول العالم. وبالتالي، فإنها تعتبر مجموعة من المبادئ والأساليب المستخدمة في تصميم وتطوير البرامج وتسهيل عملية إنشاءها وصيانتها وتوسيعها.

تتمثل الأهمية الأهم لأنماط التصميم في توفير طرق متجانسة وفعالة لتصميم البرامج، حيث تساعد المبرمجين على حل المشكلات الشائعة بسرعة وسهولة، وتسهل عملية الصيانة والتعديل في المستقبل. كما أنها تساعد على إنشاء برامج متينة وسهلة الصيانة، مما يسهل عملية توسيع البرنامج وتحسينه في وقت لاحق.

ما هي مكونات أنماط التصميم ؟

بشكل تتكون أنماط التصميم من ثلاثة مكونات أساسية:

1. الهدف: وهو المشكلة التي يحاول النمط حلها أو الهدف الذي يسعى إلى تحقيقه.
2. الحل: وهو الطريقة التي يوصي بها النمط لحل المشكلة أو تحقيق الهدف.
3. التطبيق: وهو كيفية تطبيق النمط في مشروع البرمجيات، بما في ذلك التصميم والتطوير والاختبار. ويتمثل هذا المكون في مجموعة من المبادئ والقواعد التي يجب اتباعها لتحقيق فوائد النمط بشكل كامل.

أنماط التصميم تاريخيًا

لا يمكن تحديد شخص واحد قام بابتكار أنماط التصميم، حيث أن هذه الأنماط نشأت وتطورت عبر سنوات عديدة من الخبرات والممارسات الجيدة في مجال هندسة البرمجيات. ولكن يُعتبر كتاب “Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software” الذي صدر عام 1994 مؤلفًا من أربعة مبرمجين شهيرين هم “إريك جاما” و “ريتشارد هيلم” و “رالف جونسون” و “جون فليسيدس” أحد أهم الأسباب التي أدت إلى شهرة أنماط التصميم في مجال هندسة البرمجيات.

لماذا يجب عليك تعلم انماط التصميم

يجب تعلم أنماط التصميم لعدة أسباب، منها:

1. زيادة فهم المشكلات والحلول: يتمثل الهدف الأساسي لأنماط التصميم في توفير حلول قابلة لإعادة الاستخدام للمشكلات الشائعة في هندسة البرمجيات. ومن خلال تعلم هذه الأنماط، يمكن للمطورين فهم المشكلات والحلول بشكل أفضل وبسهولة أكبر.
2. تحسين جودة التصميم: يتيح تعلم أنماط التصميم للمطورين والمصممين القدرة على التفكير بشكل أفضل في تصميم البرامج والتطبيقات، وبالتالي تحسين جودة التصميم والتنفيذ.
3. توفير الوقت والجهد: بدلاً من إعادة ابتكار العجل في كل مرة، يمكن استخدام الأنماط الموجودة لتصميم حلول جاهزة للمشكلات الشائعة. وبالتالي يتم توفير الوقت والجهد في تصميم وتطوير البرامج.
4. التواصل الفعال: يستخدم معظم المطورين في جميع أنحاء العالم نفس الأنماط التصميمية. وبالتالي يمكن للمطورين الذين يعملون على نفس المشروع التواصل وفهم بعضهم البعض بشكل أفضل.

بشكل عام، فإن تعلم أنماط التصميم يمكن أن يجعل عملية تصميم وتطوير البرامج أكثر فعالية وجودة، ويمكن تحسين التواصل والتفاهم بين أعضاء فريق التطوير.

عيوب أنماط التصميم

بالرغم من الفوائد العظيمة لانماط التصميم إلا أنها قد تواجه بعض العيوب والمشاكل، ومن أهم هذه العيوب:

• تعقيد الفهم: قد يجد بعض المبرمجين صعوبة في فهم بعض الأنماط المعقدة والتي تتضمن العديد من العناصر والمتغيرات، مما يؤدي إلى تعقيد عملية التصميم للبرامج.
• تعقيد الاستخدام: في بعض الأحيان، يمكن أن يؤدي استخدام بعض الأنماط بشكل غير صحيح إلى تعقيد الكود وزيادة صعوبة الصيانة والتطوير.
• قيود الأداء: بعض الأنماط يمكن أن تؤثر على أداء التطبيق، حيث أنها قد تضيف طبقات إضافية من الكود وتستهلك موارد النظام.
• عدم الملائمة: بعض الأنماط قد لا تكون مناسبة لبعض الحالات الخاصة، وهذا يمكن أن يؤدي إلى تصميم حلول غير فعالة أو غير مناسبة للمشكلة.
• زيادة التعقيد: قد يؤدي استخدام بعض الأنماط إلى زيادة تعقيد الكود وصعوبة الفهم، خاصة إذا تم استخدامها بشكل زائد دون الحاجة الفعلية إليها.

تصنيف انماط التصميم

تُصنّف أنماط التصميم عمومًا إلى ثلاثة أصناف رئيسية وفقًا للأغراض التي تخدمها وفقًا لما يلي:

• أنماط التصميم الإنشائية (Creational Patterns): تُركّز على عملية إنشاء الكائنات بطريقة مرنة مما يزيد من إعادة استخدام الكود الحالي، وتتضمّن هذه الأنماط تصميمات الصانع (Factory), والمصدر (Builder), والمنتج الوحيد (Singleton) وغيرها.
• أنماط التصميم الهيكلية (Structural Patterns): تركّز على تنظيم علاقات الكائنات بينها وبناء تراكيب متعددة الكائنات وذلك بطريقة مرنة، وتتضمّن هذه الأنماط تصميمات الواجهة (Facade), والكومبوزيت (Composite), والوسيط (Mediator) وغيرها.
• أنماط التصميم السلوكية (Behavioral Patterns): تركّز على تعريف طرق التفاعل والتواصل بين الكائنات وتعريف طرق التصرف والتفاعل بينها بطريقة مرنة، وتتضمّن هذه الأنماط تصميمات المراقب (Observer), والحالة (State), والتخزين المؤقت (Memento) وغيرها.

أمثلة على أنماط التصميم

هناك العديد من أنماط التصميم المستخدمة في هندسة البرمجيات، وفيما يلي بعض الأمثلة على بعض هذه الأنماط:

• نمط Singleton: يستخدم لإنشاء كائن (Object) واحد من فئة (Class) معينة، ويتم ضمان عدم إنشاء كائنات اخرى من هذا الكلاس. ويستخدم هذا النمط عادة في حالات الاستخدام التي تتطلب وجود كائن واحد فقط من الفئة، مثل كائن من نوع قاعدة البيانات ويضمن الوصول العام لهذا الكائن.
• نمط Factory: يستخدم لإنشاء مجموعة من الكائنات المرتبطة ببعضها البعض دون الحاجة إلى معرفة تفاصيل كل منها بشكل محدد. ويتم تحقيق هذا من خلال توفير واجهة مشتركة لإنشاء الكائنات وترك القرار حول ماهية الكائن الذي يتم إنشاؤه للمستخدم.
• نمط Observer: يستخدم للتأكد من أن كل مراقب يعرف عن حدث يحدث في النظام، ولتحقيق ذلك يتم استخدام الاشتراك والتنبيه للمراقبين بوجود الحدث ومن ثم استدعاء العمليات المناسبة.
• نمط Adapter: يستخدم لجعل كائن يتوافق مع واجهة أخرى. ويتم تحقيق ذلك من خلال إنشاء واجهة جديدة للكائن الحالي لتوافق واجهة الكائن الآخر.
• نمط Facade: يستخدم لإنشاء واجهة مشتركة بسيطة للوصول إلى واجهات العديد من الكائنات المعقدة في النظام، وبالتالي تبسيط الوصول إلى المعلومات والعمليات الأساسية التي يمكن القيام بها.

هذه بعض الأمثلة فقط عن الأنماط التصميم المستخدمة في هندسة البرمجيات، وهناك العديد من الامثلة الأخرى

مثال على إستخدام أنماط التصميم فى لغة PHP

مثال على نمط Singleton للتواصل مع قاعدة البيانات

<?php

class Database {
    private static $instance = null;
    private $conn;
    private $host = "localhost";
    private $user = "root";
    private $pass = "";
    private $name = "mydb";

    private function __construct() {
        $this->conn = new mysqli($this->host, $this->user, $this->pass, $this->name);
    }

    public static function getInstance() {
        if (!self::$instance) {
            self::$instance = new Database();
        }
        return self::$instance;
    }

    public function getConnection() {
        return $this->conn;
    }
}

// استخدام Singleton للاتصال بقاعدة البيانات
$db = Database::getInstance();
$conn = $db->getConnection();

// استخدام الاتصال لاسترجاع البيانات من قاعدة البيانات
$sql = "SELECT * FROM users";
$result = $conn->query($sql);

if ($result->num_rows > 0) {
    while($row = $result->fetch_assoc()) {
        echo "id: " . $row["id"]. " - Name: " . $row["name"]. " - Email: " . $row["email"]. "<br>";
    }
} else {
    echo "0 results";
}

$conn->close();

مصادر تعلم أنماط التصميم فى هندسة البرمجيات

1. كتب أنماط التصميم: تعتبر الكتب مصدرًا ممتاز لتعلم هندسة البرمجيات بشكل عام وأحد أهم المصادر التي يمكن استخدامها لتعلم أنماط التصميم. ومن أشهر هذه الكتب كتاب Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software الذي ألفه مجموعة من المبرمجين الشهيرين.
2. المواقع الإلكترونية: هناك العديد من المواقع الإلكترونية التي تقدم دورات تعليمية ومقالات حول أنماط التصميم وكيفية تطبيقها في مشاريع البرمجة. ومن أشهر هذه المواقع موقع Udemy وموقع Coursera وهنالك موقع refactoring.guru وهو موقع متميز إذا كانت لغتك الأنجليزية جيدة إلى حدًا ما.
3. الأدوات المختلفة: هناك العديد من الأدوات المختلفة التي يمكن استخدامها لتطبيق أنماط التصميم والتمرس فيها، مثل الإطارات البرمجية المختلفة التي توفر تنفيذًا سهلاً لبعض الأنماط المعروفة، مثل اطر عمل Laravel وSymfony في لغة PHP، و Django وFlask في لغة Python.
4. المجتمعات البرمجية: يمكن الانضمام إلى المجتمعات البرمجية والتواصل مع المبرمجين الآخرين لتعلم أنماط التصميم ومشاركة المعرفة والخبرات في هذا المجال.
5. الأمثلة العملية: يمكن استخدام الأمثلة العملية لتعلم أنماط التصميم وتطبيقها في مشاريع البرمجة. ويمكن العثور على العديد من الأمثلة الجاهزة في مواقع البرمجة المختلفة مثل GitHub و Stack Overflow.