Liste aller Design-Pattern

Die Liste der Design-Pattern bietet bewährte Lösungen für häufig auftretende Probleme in der Softwareentwicklung. Sie bieten Entwicklern strukturierte, wieder verwendbare und getestete Lösungsansätze, die in verschiedenen Softwareprojekten verwendet werden können. Es gibt viele Design-Patterns, die nach der Gang of Four (Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, und John Vlissides) in drei Hauptkategorien unterteilt werden: Erzeugungsmuster (Creational Patterns), Strukturmuster (Structural Patterns) und Verhaltensmuster (Behavioral Patterns). Zusätzlich wurden noch weitere Design-Pattern entwickelt: Gleichzeitigkeitsmuster (Concurrency Patterns), Architekturmuster (Architectural Patterns) und Sonstige Muster (Other Patterns). Hier ist eine Liste der Design-Pattern zusammen mit einer kurzen Beschreibung jedes Musters:

1. Erzeugungsmuster (Creational Patterns)

Diese Muster befassen sich mit der Instanziierung von Objekten und der Verwaltung der Objekterstellung.

1.1 Singleton

• Beschreibung: Das Singleton Pattern stellt sicher, dass eine Klasse nur eine einzige Instanz hat und bietet einen globalen Zugriffspunkt auf diese Instanz. Es wird oft in Szenarien verwendet, in denen genau eine Instanz eines Objekts benötigt wird, z. B. bei Konfigurationen oder bei einer Datenbankverbindung.

1.2 Factory Method

• Beschreibung: Die Factory Method ermöglicht es einer Klasse, Objekte zu erstellen, ohne den genauen Typ des zu erzeugenden Objekts zu kennen. Stattdessen wird eine abstrakte Methode verwendet, um die Instanz zu erzeugen. Dies fördert die Flexibilität und erleichtert das Erweitern des Systems.

1.3 Abstract Factory

• Beschreibung: Die Abstract Factory erweitert das Factory Method-Muster, indem sie eine Schnittstelle bietet, mit der verwandte Objekte (in einer Familie von Produkten) erstellt werden können. Es wird verwendet, wenn das System aus einer Familie von verwandten Produkten besteht und man diese Produkte ohne deren genaue Klasse zu kennen erstellen möchte.

1.4 Builder

• Beschreibung: Das Builder-Muster trennt den Konstruktionsprozess eines komplexen Objekts von seiner Repräsentation. Es ermöglicht die schrittweise Erzeugung eines Objekts, das viele mögliche Varianten haben kann. Dies wird häufig in der Konstruktion von komplexen Objekten mit vielen Parametern verwendet.

1.5 Prototype

• Beschreibung: Das Prototype-Muster ermöglicht es, neue Objekte durch das Kopieren eines vorhandenen Objekts (Prototyps) zu erstellen, anstatt sie von Grund auf neu zu erstellen. Es ist nützlich, wenn das Erstellen neuer Instanzen teuer oder komplex ist und ein Objekt nur geringfügig modifiziert werden muss.

2. Strukturmuster (Structural Patterns)

Diese Muster konzentrieren sich auf die Komposition von Klassen und Objekten und die Schaffung von Beziehungen zwischen ihnen.

2.1 Adapter

• Beschreibung: Das Adapter-Muster ermöglicht es, zwei inkompatible Schnittstellen miteinander zu verbinden. Ein Adapter übersetzt eine Schnittstelle in eine andere, sodass Klassen, die ursprünglich nicht zusammenarbeiten konnten, dennoch kommunizieren können. Ein typisches Beispiel ist das Anpassen eines alten Systems an ein neues.

2.2 Bridge

• Beschreibung: Das Bridge-Muster trennt eine abstrakte Klasse von ihrer Implementierung, sodass beide unabhängig voneinander entwickelt und verändert werden können. Es wird verwendet, um die Entkopplung zwischen Abstraktion und Implementierung zu gewährleisten und die Komplexität zu reduzieren.

2.3 Composite

• Beschreibung: Das Composite-Muster erlaubt es, einzelne Objekte und deren Zusammensetzungen auf die gleiche Weise zu behandeln. Es wird verwendet, um hierarchische Baumstrukturen zu erstellen, wie zum Beispiel in grafischen Benutzeroberflächen, in denen sowohl einfache als auch komplexe Objekte als einzelne Einheiten behandelt werden.

2.4 Decorator

• Beschreibung: Das Decorator-Muster fügt einem Objekt dynamisch neue Funktionen hinzu, ohne seine Struktur zu verändern. Dies wird häufig verwendet, um zusätzliche Funktionalitäten zu einem Objekt hinzuzufügen, ohne es zu vererben oder zu ändern.

2.5 Facade

• Beschreibung: Das Facade-Muster bietet eine vereinfachte Schnittstelle zu einem komplexen System. Es verbirgt die Komplexität des Systems und macht es für den Benutzer einfacher, auf die benötigten Funktionen zuzugreifen. Es wird oft verwendet, um ein komplexes Subsystem zu vereinfachen und den Einstieg zu erleichtern.

2.6 Flyweight

• Beschreibung: Das Flyweight-Muster wird verwendet, um Objekte zu teilen, die in großer Anzahl existieren und ähnliche Daten oder Zustände haben. Es hilft dabei, Speicherplatz zu sparen, indem nur eine einzige Instanz eines Objekts für mehrere Verwendungen erstellt wird.

2.7 Proxy

• Beschreibung: Das Proxy-Muster stellt ein Objekt dar, das für ein anderes Objekt agiert. Ein Proxy kann als Platzhalter dienen, um den Zugriff auf das tatsächliche Objekt zu kontrollieren. Es wird oft verwendet, um Zugriffsrechte zu regeln, Objekte zu cachieren oder teure Operationen zu verzögern.

3. Verhaltensmuster (Behavioral Patterns)

Dieser Teil der Liste der Design-Pattern / Muster befasst sich mit der Interaktion und Kommunikation zwischen Objekten und der Zuweisung von Verantwortlichkeiten.

3.1 Chain of Responsibility

• Beschreibung: Das Chain of Responsibility-Muster ermöglicht es, Anfragen entlang einer Kette von Handlern weiterzugeben. Jeder Handler kann die Anfrage verarbeiten oder an den nächsten Handler in der Kette weitergeben. Dieses Muster wird häufig verwendet, um das Verhalten in Ereignis- oder Fehlerbehandlungssystemen zu steuern.

3.2 Command

• Beschreibung: Das Command-Muster kapselt eine Anfrage als ein Objekt und ermöglicht so eine flexible Behandlung von Anfragen, etwa durch Rückgängigmachen oder Protokollieren. Es trennt den Aufrufer einer Funktion von der Ausführung der Funktion selbst.

3.3 Interpreter

• Beschreibung: Das Interpreter-Muster definiert eine Grammatik für eine Sprache und stellt ein Interpreter-Objekt zur Verfügung, das Eingaben in diese Sprache verarbeitet. Es wird oft in Szenarien verwendet, bei denen textbasierte oder symbolische Daten interpretiert werden müssen.

3.4 Iterator

• Beschreibung: Das Iterator-Muster stellt eine Möglichkeit bereit, Elemente einer Sammlung zu durchlaufen, ohne die interne Struktur der Sammlung preiszugeben. Es wird verwendet, um durch Datenstrukturen zu iterieren und dabei eine konsistente Schnittstelle zu bieten.

3.5 Mediator

• Beschreibung: Das Mediator-Muster fördert die Kommunikation zwischen Objekten über einen zentralen Vermittler, anstatt dass jedes Objekt direkt mit jedem anderen kommuniziert. Es reduziert die Kopplung zwischen den Objekten und macht das System flexibler und wartbarer.

3.6 Memento

• Beschreibung: Das Memento-Muster speichert den Zustand eines Objekts, ohne dessen interne Struktur zu enthüllen. Es ermöglicht das Rückgängigmachen von Änderungen und das Wiederherstellen des ursprünglichen Zustands eines Objekts. Ein häufiges Beispiel ist das Undo/Redo-System in Anwendungen.

3.7 Observer

• Beschreibung: Das Observer-Muster ermöglicht es einem Objekt, andere Objekte zu benachrichtigen, wenn sich sein Zustand ändert. Es wird häufig in ereignisgesteuerten Systemen verwendet, z. B. in Benutzerschnittstellen, bei denen mehrere Komponenten auf Änderungen in einem zentralen Objekt reagieren müssen.

3.8 State

• Beschreibung: Das State-Muster ermöglicht es einem Objekt, sein Verhalten zu ändern, wenn sich sein interner Zustand ändert. Es verhält sich dann so, als ob es ein anderes Objekt wäre. Dieses Muster wird verwendet, um Zustandsautomaten zu implementieren, z. B. in der Benutzeroberfläche oder in Geschäftsprozessen.

3.9 Strategy

• Beschreibung: Das Strategy-Muster ermöglicht es, ein Algorithmus oder eine Strategie zur Laufzeit auszutauschen. Es wird verwendet, wenn mehrere Algorithmen für eine Aufgabe existieren und der beste Algorithmus je nach Situation ausgewählt werden soll.

3.10 Template Method

• Beschreibung: Das Template Method-Muster definiert das Grundgerüst eines Algorithmus, wobei bestimmte Schritte an Unterklassen delegiert werden. Es wird verwendet, wenn ein Algorithmus standardisiert ist, aber einige Schritte durch spezifische Implementierungen ersetzt werden müssen.

3.11 Visitor

• Beschreibung: Das Visitor-Muster erlaubt es, neue Funktionen hinzuzufügen, ohne die Klassenstruktur zu ändern. Es ermöglicht es einem Objekt, ein anderes Objekt zu „besuchen“ und Operationen auf ihm durchzuführen, ohne dass das erste Objekt dessen Struktur kennt.

4. Gleichzeitigkeitsmuster (Concurrency Patterns)

4.1 Active Object Pattern

• Beschreibung: Das aktive Objektentwurfsmuster entkoppelt die Methodenausführung vom Methodenaufruf für Objekte, die sich jeweils in einem eigenen Steuerelementthread befinden. Somit ist die Einführung von Parallelität durch die Verwendung eines asynchronen Methodenaufrufs und eines Schedulers für die Verarbeitung von Anforderungen das Ziel.

4.2 Balking Pattern

• Beschreibung: Das Balking-Muster ist ein Software-Pattern, welches nur dann eine Aktion für ein Objekt ausführt, wenn sich das Objekt in einem bestimmten Zustand befindet.

4.3 Barrier Pattern

• Beschreibung: Das Barrier Pattern ist ein Synchronisationsmuster, das in Multithreading- oder Parallelverarbeitungsumgebungen verwendet wird, um sicherzustellen, dass mehrere Threads oder Prozesse an einem bestimmten Punkt in ihrem Ablauf gleichzeitig fortfahren. Es wird oft verwendet, wenn mehrere Threads oder Prozesse gleichzeitig an verschiedenen Aufgaben arbeiten und erst dann fortfahren dürfen, wenn alle ihre jeweiligen Aufgaben abgeschlossen haben.

4.4 Binding Properties Pattern

• Beschreibung: Das Binding Properties Pattern ist ein Entwurfsmuster, das häufig in der Entwicklung von grafischen Benutzeroberflächen (GUIs) oder Datenbindungssystemen verwendet wird. Es ermöglicht die automatische Synchronisation von Eigenschaften zwischen zwei Objekten, sodass Änderungen an einer Eigenschaft eines Objekts automatisch an das andere Objekt weitergegeben werden.

4.5 Double-checked locking Pattern

• Beschreibung: Das Double-Checked Locking Pattern ist ein Entwurfsmuster, das in der Multithread-Programmierung verwendet wird, um den Overhead von Synchronisationsmechanismen wie Locks zu minimieren, insbesondere bei der Initialisierung von Ressourcen, die nur einmal benötigt werden (z. B. Singleton-Instanzen).

4.6 Event-based Asynchronous Pattern

• Beschreibung: Das Event-based Asynchronous Pattern ist ein Entwurfsmuster, bei dem die Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten oder Systemen asynchron und ereignisgesteuert erfolgt. In diesem Muster reagieren Systeme auf Ereignisse, die in der Regel von externen Quellen ausgelöst werden, und verarbeiten diese Ereignisse unabhängig und ohne Blockierung anderer Operationen.

4.7 Guarded Suspension Pattern

• Beschreibung: Das Muster beschreibt einen Mechanismus, bei dem ein Thread in einem blockierten Zustand bleibt, bis eine bestimmte Bedingung (ein Guard) erfüllt ist. Sobald diese Bedingung erfüllt ist, kann der Thread fortfahren. Wenn die Bedingung während des Wartens erneut überprüft werden muss, wird der Thread „geweckt“ und überprüft, ob er fortfahren kann. Falls nicht, bleibt er wieder blockiert.

4.8 Join Pattern

• Beschreibung: Im Join Pattern wird ein „Join“-Mechanismus verwendet, um auf mehrere Threads oder Aufgaben zu warten. Ein Thread kann dabei auf den Abschluss anderer Threads warten, ohne ständig nach deren Status zu fragen. Das Muster sorgt dafür, dass der übergeordnete Thread erst dann fortfährt, wenn alle parallelen Aufgaben abgeschlossen sind.

4.9 Leaders/Followers Pattern

• Beschreibung: Im Leaders/Followers Pattern gibt es zwei Hauptrollen: den Leader und die Followers. Der Leader ist verantwortlich für die Bearbeitung von Aufgaben (z. B. Anfragen), während die Followers auf die Gelegenheit warten, Leader zu werden, wenn dieser eine Aufgabe abgeschlossen hat.

4.10 Lock Pattern

4.11 Monitor Object Pattern

4.12 Proactor Pattern

4.13 Reactor Pattern

4.14 Read–write Lock Pattern

4.15 Scheduler Pattern

4.16 Scheduled-Task Pattern

4.17 Semaphore Pattern

4.18 Thread pool Pattern

4.19 Thread-local Storage Pattern

5. Architekturmuster (Architectural Patterns)

5.1 Front Controller Pattern

Beschreibung: Das Front Controller Pattern ist ein Entwurfsmuster, bei dem eine zentrale Steuereinheit, der „Front Controller“, alle eingehenden Anfragen bearbeitet und an die entsprechenden Handler weiterleitet. Es ermöglicht eine zentrale Verwaltung von Anfragen und deren Verarbeitung, wodurch die Struktur der Anwendung vereinfacht wird. Dieses Muster wird häufig in Webanwendungen verwendet, um die Kontrolle über den Ablauf der Anfragen und die Entscheidung über die zu verwendenden Komponenten zu zentralisieren.

5.2 Interceptor Pattern

Beschreibung: Das Interceptor Pattern ermöglicht es, bestimmte Aktionen oder Logik in eine Methode oder Anfrage einzufügen, ohne den ursprünglichen Code zu ändern. Interceptors werden verwendet, um zusätzliche Funktionalitäten wie Logging, Sicherheitsprüfungen oder Transaktionsmanagement vor oder nach der Ausführung einer Methode hinzuzufügen. Dieses Muster fördert die Trennung von Anliegen und erleichtert die Wiederverwendbarkeit und Wartbarkeit des Codes.

5.3 Model–View–Controller Pattern (MVC)

5.4 Action–Domain–Responder Pattern (ADR)

5.5 Entity Component System Pattern (ECS)

Beschreibung: Das Entity-Component-System (ECS)-Pattern trennt Daten und Logik in Softwarearchitekturen, indem es Entitäten als einfache IDs definiert, die aus Komponenten bestehen, die Daten enthalten. Systeme verarbeiten diese Komponenten, um Verhalten oder Logik auszuführen. Dieses Muster fördert Modularität, Flexibilität und Effizienz, insbesondere in komplexen und skalierbaren Anwendungen wie Spielen oder Simulationen.

5.6 n-tier

5.7 Specification Pattern

5.8 Publish–Subscribe Pattern

5.9 Naked Objects Pattern

5.10 Service Locator Pattern

5.11 Active Record Pattern

5.12 Identity Map Pattern

5.13 Data Access Object Pattern

5.14 Data Transfer Object Pattern

5.15 Inversion of Control Pattern

5.16 Model 2 Pattern

5.17 Broker Pattern

6. Sonstige Muster (Other Patterns)

6.1 Blackboard Pattern

• Beschreibung: Das Blackboard Pattern ist ein Entwurfsmuster, das in komplexen, offenen Problemlösungsumgebungen verwendet wird, bei denen verschiedene unabhängige Komponenten zusammenarbeiten müssen, um eine Lösung zu finden. Es wird häufig in Systemen eingesetzt, die in der Künstlichen Intelligenz, wie z. B. Expertensystemen oder Entscheidungsfindungssystemen, verwendet werden.

6.2 Business Delegate Pattern

• Beschreibung: Das Business Delegate Pattern ist ein Entwurfsmuster, das in der Schichtenarchitektur von Softwareanwendungen verwendet wird, insbesondere in Systemen, die eine Trennung zwischen der Präsentationsschicht und der Geschäftsschicht (Business Logic) erfordern. Es dient dazu, die Kommunikation zwischen der Präsentationsschicht (z. B. einer Benutzeroberfläche) und der Geschäftsschicht zu vereinfachen und zu entkoppeln.

6.3 Composite Entity Pattern

6.4 Dependency Injection Pattern

6.5 Intercepting Filter Pattern

6.6 Lazy Loading Pattern

• Beschreibung: Das Lazy Loading Pattern ist ein Entwurfsmuster, bei dem die Initialisierung von Objekten oder Ressourcen erst dann erfolgt, wenn sie tatsächlich benötigt werden, anstatt sofort beim Start oder der Erstellung. Dies hilft, die Anfangsladezeit zu verkürzen und Ressourcen zu schonen, indem teure Operationen oder große Datenmengen erst dann geladen werden, wenn sie gebraucht werden.

6.7 Mock Object Pattern

• Beschreibung: Das Mock Object Pattern ist ein Designmuster, das hauptsächlich in Tests verwendet wird, um die Funktionalität von Abhängigkeiten eines Systems zu simulieren. Es ersetzt reale Objekte durch „Mock“-Objekte, die das Verhalten der echten Objekte nachahmen, jedoch in kontrollierter Weise. So können Tests isoliert durchgeführt werden, ohne dass echte externe Ressourcen wie Datenbanken, Netzwerke oder APIs benötigt werden.

6.8 Null Object Pattern

• Beschreibung: Das Null Object Pattern ist ein Entwurfsmuster, das ein Null-Objekt anstelle von null oder None (in Python) verwendet, um ein Verhalten für eine leere oder nicht vorhandene Instanz bereitzustellen. Anstatt mit null-Prüfungen oder Ausnahmen zu arbeiten, wird ein spezielles Objekt bereitgestellt, das die gleiche Schnittstelle wie das Originalobjekt implementiert, aber ein „No-Operation“-Verhalten (keine Operationen oder leere Rückgaben) hat.

6.9 Object Pool Pattern

• Beschreibung: Das Object Pool Pattern ist ein Entwurfsmuster, das zur effizienten Verwaltung von Ressourcen dient, indem es eine Sammlung von wieder verwendbaren Objekten bereitstellt, anstatt neue Instanzen für jede Anfrage zu erstellen. Das Muster wird häufig in Szenarien verwendet, in denen das Erstellen und Zerstören von Objekten teuer ist (z. B. Datenbankverbindungen oder Netzwerk-Sockets), und es hilft, die Leistung und Ressourcennutzung zu optimieren.

6.10 Servant Pattern

6.11 Twin Pattern

• Beschreibung: Das Twin Pattern ist kein weit verbreitetes Designpattern in der Softwareentwicklung, aber der Begriff wird in einigen Kontexten verwendet, um auf Konzepte hinzuweisen, bei denen zwei verwandte oder spiegelbildliche Entitäten zusammenarbeiten oder parallel existieren. Es könnte sich auch auf spezifische Muster in bestimmten Bereichen oder spezifischen Frameworks beziehen.

6.12 Type Tunnel Pattern

6.13 Method Chaining Pattern

6.14 Delegation Pattern

6.15 Anti-Pattern

6.16 REPR (Request, Endpoint, Responce) Pattern

6.17 Repository Pattern

6.18 Nuclear Reaction Pattern

• Beschreibung: Das Nuclear Reaction Pattern ist kein allgemein anerkanntes Designmuster in der Softwareentwicklung oder den gängigen Designpattern-Literaturen. Es gibt jedoch eine mögliche Interpretation, bei der der Begriff in einem metaphorischen oder speziellen Kontext verwendet werden könnte, um auf eine Art von Muster oder Dynamik in einem System zu verweisen, das sich auf Reaktionen oder Interaktionen bezieht, die in einer „explosiven“ oder „hochreaktiven“ Weise stattfinden, ähnlich wie nukleare Reaktionen.

Fazit

Diese vollständige Liste der Design-Pattern stellen ein mächtiges Werkzeug dar, um häufige Probleme in der Softwareentwicklung auf elegante und wartbare Weise zu lösen. Sie bieten nicht nur Lösungen für technische Herausforderungen, sondern fördern auch beständige Architekturentscheidungen und sauberen, modularen Code. Das Verständnis der verschiedenen Design-Patterns und ihrer Anwendung ist ein unverzichtbares Wissen für jeden Softwareentwickler, der skalierbare und wartbare Systeme entwerfen möchte.