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Padrões de Software
Rossana M. C. [email protected]
Departamento de ComputaçãoUniversidade Federal do Ceará
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Objetivos Gerais
� Oferecer uma visão geral sobre os conceitos de padrões de software
� Explicar a terminologia � Apresentar exemplos de padrões de software� Apresentar exemplos de classificação de
padrões e de reuso de padrões
� Não pretende exaurir o assunto
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Conteúdo� O que são Padrões
– Diferentes Definições– Um pouco da história
� Escrevendo Padrões– Componentes de um Padrão– Um Exemplo– Padrões como uma Peça ou Estória– Diferentes Formatos
• GoF• Alexander• Coplien
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O que são Padrões
� O que é?– Nova categoria de conhecimento
• Conhecimento não é novo, mas falar sobre ele é• Objetivo: conhecer o que você já conhece
� Como?– Partindo de problemas e soluções
recorrentes em diferentes áreas do conhecimento
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O que é um Padrão (Cont.)
� Aplicação– Arquitetura– Ciência da Computação
• Engenharia de software
– Engenharia Mecânica– Telecomunicações– ...
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O que é um Padrão (Cont.)
� Por que padrões de software?– engenheiros de software não iniciam o seu
projeto do nada– ao contrário, nós reutilizamos “idéias”que
já vimos antes– as mesmas técnicas são utilizadas
repetitivamente– a indústria de software necessita
documentar o que nós fazemos
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Diferentes Definições
� “Um padrão é uma entidade que descreve um problema que ocorre repetidamente em um ambiente e então descreve a essência da solução para este problema, de tal forma que você use esta solução milhões de vezes, sem nunca utilizá-la do mesmo modo,” Christopher Alexander
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Diferentes Definições (Cont.)
� “Um padrão é um pedaço de literatura que descreve um problema de projeto e uma solução geral para o problema num contexto particular, ” James Coplien
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Diferentes Definições (Cont.)
� “Um padrão é uma solução provada para um problema em um contexto, ” Comunidade de Software
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Um Pouco da História� Object-Oriented (OO)
– Metade do anos 80
� Padrões de software emergiram de objetos� Ward Cunningham and Kent Beck
– 1987: linguagem de padrões para interface de usuário
� James Coplien– 1988: idioms
� Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, and John Vlissides– 1990 → 1995: Padrões de projeto (Design Patterns)
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Um Pouco da História� Peter Coad
– Desde 1991 explora padrões
� The Hillside Group– 1993: tentativa de montar as primeiras bases para padrões
de software– Idéias de Alexander integradas aos padrões de projeto da
GoF
� 1994: The first Pattern Languages of Programming (PLoP) conference
� OOPSLA’94: livro da GoF é lançado– Padrões de projeto: foco em OO
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Escrevendo Padrões
� Escritos na forma literária� Não apenas documentação� Diferentes formatos
– GoF, Alexandrian, Coplien, Cockburn, Portland
� Componentes essenciais– nome, contexto, problema, solução e usos
conhecidos
� Outros componentes importantes– forças, contexto resultante, padrões
relacionados, autor e data
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Componentes Essenciais de um Padrão� Nome
– Uma palavra ou uma frase curta– É a primeira coisa que o projetista encontra
quando procura uma solução– Nomes de padrões devem se tornar parte do
vocabulário do domínio– Iniciantes procuram nomes que descrevem o
problema ou sua solução– Os nomes do padrões da GoF são analogias
• Bridge, facade, mediator, entre outros
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Componentes Essenciais de um Padrão (Cont.)
� Contexto– Quando considerar o padrão– Ajuda a ter uma visão abrangente de onde o
problema surge expressando o seu início, a sua essência e o seu corpo
– É difícil escrever um bom contexto
– Inclui um histórico dos padrões que têm sido aplicados antes
• aplicável às linguagens de padrões)
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Componentes Essenciais de um Padrão (Cont.)
� Problema– Quando utilizar o padrão– Problema a ser resolvido descrito claramente– Expresso por uma simples pergunta ou por uma
formulação resumida do problema
– Geralmente a primeira coisa que um procurador-por-solução observa
– Um entendimento do problema vem da análise das forças
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Componentes Essenciais de um Padrão (Cont.)� Solução
– O que fazer para resolver o problema• Deve descrever claramente o que é necessário para
resolver o problema
– Três tipos• Uma solução que pode ser usada para todas as
ocorrências do problema• Uma solução que pode ser melhorada• E uma solução que vai ser refinada nos níveis de projeto
e implementação de diferentes formas
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Componentes Essenciais de um Padrão (Cont.)
� Usos Conhecidos– Exemplos de aplicações do padrão em
sistemas reais– Pelo menos 3 usos conhecidos
• Regra de 3
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Outros Componentes Importantes de um Padrão� Forças
– O padrão é um balanço de forças/conseqüências
– Considerações positivas ou negativas a serem avaliadas a fim de
• mostrar que a solução apresentada é a melhor• mostrar por que a solução mais óbvia é errada• mostrar porque o problema é difícil de se
resolver
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Outros Componentes Importantes de um Padrão (Cont.)
� Contexto Resultante– É a conclusão do padrão– O estado ou a configuração do sistema
depois da aplicação do padrão, incluindo as consequências (boas e ruins)
– O contexto resultante de um padrão é a entrada para os padrões seguintes
• Aplicável para linguagens de padrões
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Outros Componentes Importantes de um Padrão (Cont.)
� Padrões Relacionados– Como o padrão está relacionado com
outros padrões que se referem ao mesmo problema
– Com que outros padrões este pode ser usado
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Um exemplo
� Hands in View� Contexto
– Para explorar uma montanha inteira, um esquiador deve estar confortável e adaptável a qualquer terreno e a uma rápida mudança de terreno
– Para aproveitar melhor este padrão, o esquiador deve estar esquiando em um nível onde curvas em paralelo possam ser ligadas consistentemente
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Hands in View (Cont.)
� Problema– O esquiador falha ao tentar a descida na montanha em
declínios profundos e irregulares, resultando em escorregões, quedas de costas e “yard sales”
� Forças– Medo de cair é a resposta mais básica de todas– Confiança no equipamento é essencial– Movimento contínuo é essencial– Fatiga pode ser um fator em descidas longas– Descida de compromisso com os esquis é essencial para
que os esquis funcionem como projetados
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Hands in View (Cont.)� Solução
– Concentre-se em manter as mãos no campo de visão – Traga-as para dentro do seu campo de visão imediatamente
depois de cada bastão tocar o chão e de cada curva
� Contexto resultante– Ao colocar as mãos à vista, o alinhamento do corpo muda
do estado de ficar timidamente para trás e permite que as extremidades do esqui deslizem debaixo do esquiador
– Portanto, o ato de colocar as mãos à vista puxa o corpo para a frente e, conseqüentemente, para baixo da montanha, trazendo o peso do esquiador sobre o esqui montanha abaixo e forçando a extremidade a morder e girar
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Hands in View (Cont.)� Motivação
– A tendência natural de todo ser humano normal é manter a coluna reta ou em caso de queda eminente, inclinar-se para trás
– Isto provoca quedas e curvas indesejadas quando esquiando– As conseqüências podem ser claramente entendidas, mas o
medo previne que você se incline para frente.– Entretanto, deixando as suas mãos no campo de visão, os
esquis devem deslizar mais facilmente sem que você tenha que confrontar o medo diretamente
� Autor– Don Olson 95/07/07
� Origem– Instrutor de esqui anônimo em algum lugar de Utah.
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Padrões como uma peça ou estória
� Analogia de Robert Hanmer– Contexto: o cenário– Problema: o tema– Forças: desenvolvendo o conflito– Solução: catarse, a moral da peça– Contexto Resultante: “eles viveram felizes para
sempre” ou deixando espaço para a seqüência– Motivação: a discussão no bar ou no café depois
da peça
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Formato da Gang of Four - GoF
� Nome do Padrão e Classificação– Analogias– Padrões de criação, de estrutura e de comportamento
� Intenção– Breve descrição do problema e da solução
� Também Conhecido Como� Motivação
– Exemplo de protótipo
� Aplicabilidade– Problema, forças e contexto
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Formato da Gang of Four – GoF (Cont.)
� Estrutura � Participantes � Colaborações� Conseqüências
– forças
� Implementação� Código Exemplo� Usos Conhecidos� Padrões relacionados
Solução
Solução
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Formato Alexandrian
� As seções não são fortemente delimitadas– Podemos identificar determinados
componentes em todos os padrões
� Uma figura no início� Um parágrafo introdutório
– contexto
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Formato Alexandrian (Cont.)
� 3 diamantes no início e no fim da explicação do problema e da solução– a palavra “therefore:”, imediatamente depois a
solução– Uma sentença clara do problema, uma discussão
de forças, a solução e a motivação– Um diagrama mostrando a solução
� No final, um parágrafo relacionando o padrão dentro da linguagem
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Formato do Coplien� Nome� Contexto� Problema� Forças� Solução� Sketch
– Desenhos ou Diagramas
� Contexto Resultante� Rationale
– Mostra por que o padrão é útil– Mostra a importância dos princípios atrás dos padrões
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Características de um bom padrão
� Deve ser uma solução para um problema em um contexto
� Você deve ser capaz de dizer ao solucionador do problema o que fazer e como resolver o problema
� Deve ser maduro, uma solução provada (regra de três)
� A solução deve ser construída dentro da ótica do solucionador do problema e pode ser implementada milhões de vezes sem se repetir
� Deve ser capaz de se reproduzir (padrões que constroem)
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Um Exemplo de um bom Padrão
Nome: Half-Object + Protocol (HOPP)Problema: Às vezes um objeto deve aparecer
em mais de um espaço de endereçamento. Como nós podemos fazer a diferença entre um espaço e múltiplos espaços de endereçamento de forma transparente?
Forças: Complexidade, Distribuição, Disponibilidade de Informação, Custo e Performance
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Um Exemplo de um bom Padrão (Cont.)Solução
– Divida o objeto em dois objetos-metade, um em cada espaço de endereçamento, com um protocolo entre eles
– Em cada espaço de endereçamento, implemente a funcionalidade para interagir eficientemente com os outros objetos naquele espaço de endereçamento (isto pode resultar em funcionalidade duplicada, ou seja, funções implementadas em ambos espaços de endereçamento)
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Um Exemplo de um bom Padrão (Cont.)
Solução (Cont.)– Defina o protocolo entre os dois objetos-
metade de tal forma que ele coordene as atividades dos dois objetos-metade e carregue a informação essencial que necessita ser passada entre os espaços de endereçamento
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Um Exemplo de um bom Padrão (Cont.)
Diagrama UML para uma aplicação de FTP
Sketch
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Um Exemplo de um bom Padrão (Cont.)
Diagrama FTP com a aplicação do HOPP
Sketch
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Um Exemplo de um bom Padrão (Cont.)
Usos Conhecidos– Sistemas de Telefonia: half-call
– IBM’s VisualAge Ultra Light Client• http://www.software.ibm.com/ad/smalltalk/about/ulcfact.html
Padrões Relacionados– padrões para o projeto de protocolos
• Message as Object, Message Parameter as Object
• Mecanismos para tratar a criação e recepção da mensagem
– Information collection e Formatting
– Parsing e Handling
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O que não é um padrão: Exemplo
� Contexto– Um grande sistema OO em um computador com
memória virtual
� Problema– Como você aloca objetos na memória?
� Solução– Execute alguns problemas típicos e descubra
quais objetos comunicam-se freqüentemente em um determinado tempo local e coloque-os na mesma página
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O que não é um Padrão: Dicas
� Um regra simples� Uma receita � Um algoritmo� Uma estrutura de dados� Uma solução isolada para um problema
em um contexto
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Próximos Slides
� Padrões trabalhando em Conjunto– O que são Linguagens de Padrões– Exemplos de Linguagens de Padrões
• Linguagem de Padrões by C. Alexander
� Guia para a escrita de padrões – Exemplo deLinguagem de Padrões
• Linguagem de Padrões para Escrita de Padrões por Gerard Meszaros e Jim Doble
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Padrões Trabalhando em Conjunto� Padrões freqüentemente compartilham o
mesmo contexto� Problemas produzidos por um padrão são
algumas vezes resolvidos por outros� Um projeto complexo consiste de muitos
padrões– Catálogo de padrões– Linguagens de Padrões
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O que são Linguagens de Padrões
� “Uma coleção de padrões que trabalham juntos para resolver problemas num domínio específico”, Linda Rising
� “Uma linguagem de padrões é uma coleção de padrões que ampliam-se para gerar um sistema”
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O que são Linguagens de Padrões? (Cont.)
� Cada padrão é uma seqüência dentro da linguagem de padrões
� O formato dos padrões formam um grafo� Cada padrão produz um contexto para
aqueles que o seguem� Cada padrão deve construir sobre o contexto
daqueles que vêm antes dele� Existem muitos caminhos válidos dentro de
uma linguagem de padrões
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Um Exemplo de uma Linguagem de Padrões
Half-Hidden Garden
Garden growing wild Courtyards which live
Entrance TransitionTree Places
Terraced Slope
Fruit Tree
Building Edge
Private Terrace on
the Street
By C. Alexander
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Meios de Publicação
� Padrões necessitam de um meio não-linear
� Publicação Web é o meio preferido� Pode virar uma publicação linear se for
bem indexada e com referência cruzada� Cultura WikiWiki (http://c2.com/cgi/wiki)
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Conferências PLoP www.hillside.net
EuroPLoP™ 2002EuroPLoP™ 2002
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Próximos slides
� Mais exemplos de linguagens de Padrões
� Classificação dos Padrões de Software� Workshop de Escritores
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Mais Exemplos de Linguagens de Padrões
� Generative Pattern Language for
Distributed Processing
– Estratégias para decompor sistemas de software complexos através de nós de processamento
By DeBruler
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Mais exemplos de Linguagens de Padrões (Cont.)� Padrões
– Define The Data Structure
– Identify The Nouns
– Factor Out Common Attributes
– Normalize the Roles
– Identify Problem Domain Relationships
– Introduce Virtual Attributes
– Animate the Data
– Time Thread Analysis
– Determine The Actors
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Mais exemplos de Linguagens de Padrões (Cont.)
Inter-systemHandoff
Execution HandoffFailureActions
Radio Resource
Management
AnchorMobile
Switching Center
ReleasingResources
HandoffDecision
Authentication
LocationRegistration
Mobility Management
Home andVisitor
Databases
TemporaryIdentification
Ciphering
SecurityDatabase
Paging
Outgoing Call Incoming CallRoamingBy R. Andrade
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Classificação dos Padrões de Software
� Padrões de Requisitos� Padrões de Análise� Padrões de Projeto
– Meta-Patterns– Padrões Arquiteturais
� Idiomas� Outros tipos: padrões de processo, padrões de
testes, anti-padrões
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Classificação dos Padrões de Software (Cont.)
Requisitos Análise Projeto Implementação
Padrões de Requisitos
Padrões de Análise
Padrões de Projeto
Meta-Padrões
Padrões Arquiteturais
Idiomas
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Padrões de Requisitos
� Documentam as necessidades do usuário e o comportamento genérico do sistema em um alto nível de abstração
� Ações que os desenvolvedores de software podem tomar para melhorar os requisitos não-funcionais
� Mostram os relacionamentos entre o usuário ou o operador e o sistema
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Padrões de Requisitos (Cont.)
� Fault-tolerant telecommunication patterns
– Visa a manutenção dos sistemas de comutação– Medidas apropriadas para serem tomadas no
estágio de desenvolvimento de requisitos• Padrões relacionados a confiabilidade (mensagens do
sistema e falhas do sistema) – Five minutes of no escalation messages
• Padrões relacionados aos fatores humanos
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Padrões de Análise
� Inicialmente apresentados como complementos aos padrões de projeto
� Um passo antes do projeto– Modelo de análise que focaliza nas estruturas
conceituais
� Padrões de análise do Martin Fowler– Domínio de conhecimento de software de
negócios– Party, quantity, subtype state machines, entre
outros
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Padrões de Análise (Cont.)
� Party
� Problema: pessoas e organizações têm responsabilidades semelhantes
� Solução: Crie um tipo party como um supertype de uma pessoa ou organização
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Padrões de Projeto� Estrutura repetida de elementos de projeto� “Um esquema para o refinamento de subsistemas ou
de componentes de sistemas ou as relações entre eles.”
“...resolvem um problema geral de projeto num contexto particular.”, GoF
� Padrões de projeto que incluem detalhes de código de baixo nível
� Aplicados a diferentes tipos de problemas� Padrões Arquiteturais e Meta-Padrões podem ser
considerados Padrões de Projeto.
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Idiomas
� Relacionados com a implementação de características de projeto específicas
� Padrão de baixo nível específico para uma linguagem de programação– Idiomas em C++
• C++ Programming Styles and Idioms, James Coplien, 1991
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Idiomas (Cont.)� Nome: Counted Body
� Contexto: A interface de uma classe é separada de sua implementação (respectivamente, classes handle e body)
� Problema: atribuição em C++ é definida recursivamente como membro-por-membro com cópia quando a recursão termina
� Solução: Um contador de referência é adicionado à classe body para facilitar o gerenciamento de memória
� Autor e data: James Coplien, 1994
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Parte IV: Reuso de Padrões
� A Comunidade de Padrões� Ética de Padrões� Reuso� Meios de Publicação� Workshop de Escritores� Referências� Em resumo ... (Conclusões)
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Reuso� Conheça os padrões estão disponíveis
– Catálogo de padrões de 2000– Escolha aquele que satisfaz as suas
necessidades• Um padrão é difícil de entender se você não necessita
dele• Apenas tenha uma visão geral
� Utilize o vocabulário dos padrões em revisões e sessões de projeto
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Reuso (Cont.)
� GoF– Bastante utilizado entre a comunidade de
software
� Core J2EE Pattern Catalog– http://java.sun.com/blueprints/corej2eepatterns/
� Padrões Arquiteturais– Frank Bushmann, Regine Meunier, Hans Rohnert,
Peter Sommerlad, Michael Stal (Gang of Five)
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GoF Design PatternsCreational patterns
Abstract factory
Builder
Factory method
Prototype
Singleton
Behavioral Patterns
Chain of Responsibility
Command
Interpreter
Iterator
Mediator
Memento
Observer
State
Strategy
Template Method
Visitor
Structural patterns
Adapter
Bridge
Composite
Decorator
Facade
Flyweight
Proxy
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Core J2EE Pattern Catalog
Presentation Tier
Intercepting Filter
Front Controller
View Helper
Composite View
Service to Worker
Dispatcher View
Integration Tier
Data Access Object
Service Activator
Business Tier
Business Delegate
Service Locator
Session facade
Transfer Object
Transfer Object Assembler
Value List Handler
Composite Entity
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Architectural Patterns
From Mud to Structure
Layers
Pipes and Filters
Blackboard
Adaptable Systems
Reflection
Microkernel
Interactive Systems
Model-View-Controller
Presentation-Abstraction-Control
Distributed Systems
Broker
Pipes and Filters
Microkernel
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Aplicando Padrões� Empresas
– IBM, John Vlissides e Erich Gamma• Design Patterns
– Lucent, Jim Coplien e Linda Rising• Organizational Patterns
– Nortel, Greg Utas• Sistemas de Telefonia
– Carleton University • Teaching Patterns
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Mais sobre Reuso de Padrões
� SugarloafPLoP’2002– Airline Computer Reservation Systems– Engenharia Reversa de Demeyer– Uma ferramenta para Reuso: AGAP– Análise do Reuso de Padrões
� Captura de Padrões
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Referências[1] Andrade, R.M.C, “Capture, Reuse, and Validation of Requirements
and Analysis Patterns for Mobile Systems”, Ph.D. Thesis, University
of Ottawa, Ottawa, 2001.
[2] Alexander, C., Ishikawa, S., Silverstein, M., Jacobson, M., Fiksdahl-
King, I., and Angel, S., A Pattern Language: Towns, Buildings,
Construction, Oxford University Press, New York, NY, 1977.
[3] Buschmann, F., Meunier, R., Rohnert, H., Sommerlad, P., Stal, M.,
Pattern-Oriented Software Architecture, John Wiley and Sons, New
York, NY, 1996.
[4] Coplien, J. O., Software Patterns, SIGS books and Multimedia, June
1996.
[5] Fowler, M., Analysis Patterns: Reusable Object Models, Addison-
Wesley, Reading, MA, 1997.
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Referências (Cont.)[6] Gamma E., Helm R., Johnson R., Vlissides J., “Design Patterns:
Element of Reusable Object-Oriented Software”, 1995.
[7] Pattern Languages of Program Design I, II, III & IV; Patterns from the PLoP Conference at Allerton Park in Illinois, US and EuroPLoP in Europe; Addison-Wesley, 1994-95-96-98.
[8] Rising, Linda, “Patterns: A Way to Reuse Expertise,” IEEE Communications Magazine, Vol. 37, No. 4, April 1999.
[9] Rising, Linda, The Pattern Almanac 2000, Software Pattern Series, Addison-Wesley, 2000. ISBN 0-201-61567-3.
[10] Schmidt, D., “Tutorial about Design Patterns,” Available at http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/patterns.html
[11] Yoder, Joseph, Tutorial “Software Patterns”, SugarloafPLoP’2002, Itaipava, Rio de Janeiro, RJ.
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Maiores Informações� Página de Padrões do Grupo Hillside
– http://hillside.net– Apontadores para listas, livros, arquivos ftp, padrões on-
line, conferências, entre outros
� Listas– [email protected]– [email protected]– [email protected]
� Repositório de Padrões Portland– http://c2.com/ppr/index.html
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Em resumo ...� Arquitetos experientes não têm consciência
que utilizam padrões– Bons para compartilhar informação e capturar
conhecimento
� Padrões funcionam como uma porta para troca de experiências– Pode ajudar novos desenvolvedores a
aprenderem com os mais experientes
� Vocabulário Comum � Padrões dão uma competência arquitetural
de organização
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Em resumo ... (Cont.)
� Você deve escrever padrões para– Aprender mais sobre padrões– Compartilhar conhecimento
• Provavelmente você usa alguma coisa que não foi documentada ainda
– Tarefa difícil e nem todos tem tempo ou vontade
� Você deve reutilizar padrões– Em busca de uma melhoria no desenvolvimento
de software