Паттерны проектирования в программировании — что это и как выбрать

Что такое паттерны проектирования

В мире разработки есть такие рабочие шаблоны, которые делают код чище, понятнее и устойчивее к изменениям — специальные паттерны.

Такие паттерны не описывают готовый код — они задают структуру взаимодействия объектов, классов и методов, чтобы решать задачи повторяемым и проверенным способом. Их миссия — не написать все за вас, а помочь не изобретать велосипед в типовой ситуации, применяя проверенные принципы структурирования кода.

Особенно тесно паттерны связаны с объектно-ориентированным программированием (ООП). Паттерны проектирования в ООП — это решения, которые помогают структурировать взаимодействие между классами и объектами. Благодаря объектно-ориентированному подходу, где программы строятся из взаимосвязанных объектов и классов, паттерны обеспечивают повторяемость и гибкость архитектуры. Это позволяет разработчикам создавать масштабируемые и поддерживаемые приложения.

Возьмем простой пример. Допустим, вы разрабатываете модуль для сохранения данных. Сначала он пишет в файл, потом — в базу данных, позже — в облачное хранилище. Код обрастает условностями и проверками. И однажды его становится сложно поддерживать.

Решение — использовать паттерн «Стратегия» (Strategy) или «Фабричный метод» ( Factory Method) и абстрагировать механизм хранения. Благодаря этим паттернам вы получите расширяемость, изоляцию зависимостей и чистую архитектуру.

В этом и заключается сила паттернов проектирования: они помогают упорядочить хаос, сократить связность компонентов и сделать поведение системы предсказуемым.

Отличия шаблонов проектирования от архитектурных паттернов

Паттерны проектирования и архитектурные шаблоны часто упоминаются рядом, и это неудивительно — обе концепции помогают строить более чистые и поддерживаемые системы. Но между ними есть важное различие.

Паттерны проектирования работают на уровне компонентов и классов. Они отвечают на вопросы:

• как организовать создание объектов,
• как лучше наладить взаимодействие между частями системы,
• как уменьшить связанность или повысить гибкость.

Это своего рода микростратегии, которые решают конкретные инженерные задачи: заменить цепочку if, избавиться от дублирования, скрыть сложную структуру. Они применяются локально — внутри модуля или даже внутри одного класса.

Архитектурные шаблоны действуют на уровне всей системы. Они отвечают на другие вопросы:

• как организовать взаимодействие между подсистемами,
• где хранятся данные и кто за них отвечает,
• как обеспечить масштабируемость и отказоустойчивость.

Архитектурные паттерны задают скелет всей системы, в то время как паттерны проектирования помогают заполнить этот скелет правильными деталями.

И шаблоны проектирования, и архитектурные паттерны упрощают работу с кодом, но делают это на разных уровнях абстракции.

Как устроены паттерны проектирования программного обеспечения

Чтобы использовать паттерны эффективно, важно понимать, из чего они состоят. Каждый из них — это не просто идея, а структурированное описание способа решения определенной задачи проектирования.

Подробное описание паттернов предлагает «Банда Четырех», авторы классической книги Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. По их методологии для каждого паттерна должны быть описаны:

• название (name);
• назначение (intent);
• другие названия (also known as);
• мотивация (motivation);
• применяемость (applicability);
• структура (structure);
• участники (participants);
• отношения (collaborations);
• результаты (consequences);
• реализация (implementation);
• примеры использования (known uses);
• связанные паттерны (related patterns).

Такой формат полезен для системного анализа архитектуры и проектирования сложных приложений. Он помогает не только понять, что делает паттерн, но и когда его уместно применять.

Для примера кратко разберем по методу «Банды четырех» паттерн «Наблюдатель».

Название	Наблюдатель (Observer)
Назначение	Устанавливает зависимость «один ко многим»: при изменении состояния один объект сам уведомляет все подписанные на него. Те, в свою очередь, реагируют на изменения.
Другие названия	«Подчиненные» (Dependents).«Издатель-Подписчик» (Publish-Subscribe).
Мотивация	Представим, что у нас есть объект данных и несколько представлений, которые должны автоматически обновляться при изменении данных. Вместо того чтобы связывать представления напрямую с моделью, мы реализуем механизм подписки. Это избавит нас от жесткой связанности и сделает архитектуру гибкой.
Применимость	Когда изменение одного объекта требует уведомления других, но точное количество зависимых объектов заранее неизвестно.Когда нужно уменьшить жесткую связанность между компонентами, чтобы их можно было менять и развивать независимо друг от друга.
Структура	Subject (издатель): хранит список наблюдателей, предоставляет методы attach(), detach(), notify().Observer (наблюдатель): определяет интерфейс обновления для объектов, которые должны получать уведомления об изменении субъекта.ConcreteSubject и ConcreteObserver — конкретные реализации.
Участники	Subject — управляет подписчиками.Observer — интерфейс или абстрактный класс.ConcreteSubject — посылает информацию своим наблюдателям, когда происходит изменение.ConcreteObserver — реагирует на изменения.
Отношения	ConcreteObserver регистрируется в ConcreteSubject и получает уведомления при изменениях.
Результаты	+ Слабая связанность между отправителем и получателями. + Легко добавлять новых наблюдателей. – Возможны каскадные обновления. – Трудности отладки при большом количестве подписчиков.
Пример реализации на Python	import time import random # Базовый класс “Subject” — управляет подписчиками (наблюдателями) class Subject:     def __init__(self):         self._observers = []  # Список подписчиков     def attach(self, observer):         # Подписывает нового наблюдателя         self._observers.append(observer)     def notify(self, data):         # Оповещает всех подписчиков о новых данных         for observer in self._observers:             observer.update(data) # Температурный датчик — источник событий class TemperatureSensor(Subject):     def run(self):         # Псевдо-цикл измерения температуры         while True:             temp = random.randint(20, 30)  # Эмулируем случайную температуру             print(f”[Sensor] Температура: {temp}”)             self.notify(temp)  # Уведомляем всех подписчиков             time.sleep(2)  # Ждем две секунды до следующего измерения # Подписчик, который логирует данные class Logger:     def update(self, temp):         print(f”[Logger] Запись температуры: {temp}”) # Подписчик, который реагирует, если температура слишком высокая class Alarm:     def update(self, temp):         if temp > 28:             print(f”[Alarm] Внимание! Высокая температура: {temp}”) # Точка входа в приложение if __name__ == “__main__”:     sensor = TemperatureSensor()     sensor.attach(Logger())  # Добавляем логгер в список наблюдателей     sensor.attach(Alarm())   # Добавляем сигнализацию     sensor.run()             # Запускаем цикл измерения
Связанные паттерны	«Посредник» может использоваться для централизованного управления уведомлениями.«Одиночка» может использоваться для гарантии уникальности и доступности менеджера изменений.

Классификация паттернов проектирования в программировании

Паттерны проектирования принято делить на три большие группы по типу решаемых задач:

• порождающие — отвечают за создание объектов;
• структурные — помогают упорядочить классы и их связи;
• поведенческие — описывают, как объекты обмениваются данными и координируют действия.

Такая классификация помогает быстрее ориентироваться в типах задач, которые решает каждый паттерн.

Порождающие паттерны

Порождающие паттерны проектирования управляют процессом создания объектов, делая его гибким и подстраиваемым под разные ситуации. Вместо прямого вызова конструктора используется абстракция, скрывающая детали создания. Это упрощает работу со сложными объектами, уменьшает связность компонентов и позволяет контролировать создание экземпляров из одного места.

Такие паттерны полезны, когда нужно выбрать тип создаваемого объекта во время выполнения или повторно использовать уже созданные.

Абстрактная фабрика (Abstract Factory)

Предоставляет интерфейс для создания семейств взаимосвязанных объектов без указания их конкретных классов.

Применяется при необходимости поддерживать единообразие между связанными объектами, например, при создании UI-компонентов для разных платформ.

Пример кода на Python:

      from abc import ABC, abstractmethod

# Абстрактные продукты
class Button(ABC):
    @abstractmethod
    def render(self): pass

class Checkbox(ABC):
    @abstractmethod
    def render(self): pass

# Конкретные продукты для Windows
class WindowsButton(Button):
    def render(self):
        print("Render Windows Button")

class WindowsCheckbox(Checkbox):
    def render(self):
        print("Render Windows Checkbox")

# Конкретные продукты для Mac
class MacButton(Button):
    def render(self):
        print("Render Mac Button")

class MacCheckbox(Checkbox):
    def render(self):
        print("Render Mac Checkbox")

# Абстрактная фабрика
class GUIFactory(ABC):
    @abstractmethod
    def create_button(self) -> Button: pass

    @abstractmethod
    def create_checkbox(self) -> Checkbox: pass

# Конкретные фабрики
class WindowsFactory(GUIFactory):
    def create_button(self):
        return WindowsButton()

    def create_checkbox(self):
        return WindowsCheckbox()

class MacFactory(GUIFactory):
    def create_button(self):
        return MacButton()

    def create_checkbox(self):
        return MacCheckbox()

# Клиентский код
def render_ui(factory: GUIFactory):
    button = factory.create_button()
    checkbox = factory.create_checkbox()
    button.render()
    checkbox.render()

# Использование
factory = WindowsFactory()
render_ui(factory)

factory = MacFactory()
render_ui(factory)

Строитель (Builder)

Разделяет процесс построения сложного объекта от его представления, позволяя использовать один и тот же алгоритм для создания разных вариантов объекта.

Полезен, когда объект создается пошагово, с большим числом параметров, например, документ, сложный отчет или дерево конфигурации.

Фабричный метод (Factory Method)

Определяет интерфейс для создания объектов, позволяя подклассам решать, какой конкретный класс инстанцировать.

Применяется в случаях, когда создаваемый объект зависит от условий выполнения или должен быть определен подклассом.

Прототип (Prototype)

Создает новый объект путем клонирования существующего экземпляра вместо создания с нуля.

Подходит, когда создание объекта ресурсоемкое или сложное, а копирование — дешевое и надежное. Пример: клон визуального компонента или конфигурационного шаблона.

Одиночка (Singleton)

Гарантирует, что класс имеет только один экземпляр, и предоставляет глобальную точку доступа к нему.

Используется для реализации централизованных менеджеров: логирования, конфигурации, кешей, контроллеров ресурсов.

Структурные паттерны

Структурные паттерны помогают упорядочить составные части системы, оптимизируя взаимодействие между классами и объектами. Эти паттерны часто применяются для адаптации несовместимых интерфейсов, вложенности элементов, замены или расширения поведения без модификации кода.

Адаптер (Adapter)

Позволяет объектам с несовместимыми интерфейсами работать вместе, преобразуя один интерфейс в ожидаемый клиентом.

Незаменим при интеграции стороннего кода, унаследованных API или переходе на новый интерфейс.

Пример кода на Python:

      # Сторонний класс (нельзя изменить)
class OldPrinter:
    def print_text(self, text):
        print(f"OldPrinter: {text}")

# Современный интерфейс
class NewPrinterInterface:
    def print(self, message): pass

# Адаптер
class PrinterAdapter(NewPrinterInterface):
    def __init__(self, old_printer: OldPrinter):
        self.old_printer = old_printer

    def print(self, message):
        self.old_printer.print_text(message)

# Клиентский код
def client_code(printer: NewPrinterInterface):
    printer.print("Hello, Adapter!")

# Использование
legacy = OldPrinter()
adapter = PrinterAdapter(legacy)
client_code(adapter)

Мост (Bridge)

Отделяет сущность (ключевую концепцию или абстрактную часть системы) от конкретной реализации, позволяя изменять их и развивать независимо друг от друга. Для этого паттерн использует агрегацию: сущность содержит ссылку на объект реализации, что устраняет жесткую связь между слоями.

Полезен при множестве вариантов комбинаций абстракций и реализаций, например, при создании UI-компонентов с разными рендерами.

Компоновщик (Composite)

Объединяет объекты в древовидную структуру для представления иерархий типа «часть–целое». Позволяет обрабатывать как отдельные объекты, так и их группы одинаково.

Особенно полезен при работе с древовидными структурами, например, в графических движках и файловых системах.

Декоратор (Decorator)

Позволяет динамически добавлять объекту новые обязанности, не меняя его класса.

Обеспечивает гибкую альтернативу наследованию. Часто применяется для логирования, кеширования, проверки прав доступа.

Фасад (Facade)

Предоставляет унифицированный интерфейс к сложной подсистеме, упрощая взаимодействие с ней.

Изолирует клиента от деталей реализации. Удобен при работе с библиотеками, модулями, API.

Приспособленец (Flyweight)

Минимизирует потребление памяти за счет совместного использования общего состояния между множеством объектов.

Подходит для ситуаций с большим числом мелких однотипных объектов, например, символов, пикселей, координат.

Заместитель (Proxy)

Представляет другой объект и контролирует доступ к нему, добавляя дополнительное поведение.

Применяется для ленивой загрузки, защиты, кеширования или удаленного вызова.

Паттерны поведения

Поведенческие паттерны проектирования описывают взаимодействие между объектами и распределение ответственности. Они помогают создавать гибкие схемы связи, абстрагируясь от конкретных реализаций классов, и делают систему более адаптивной к изменениям. Такие паттерны часто применяются для управления событиями, автоматизации переходов состояний или реализации алгоритмов без жесткой привязки к контексту.

Цепочка обязанностей (Chain of Responsibility)

Позволяет передавать запрос по цепочке обработчиков, пока один из них не обработает его.

Ослабляет связь между отправителем и получателями. Используется в системах обработки событий, фильтрации, middleware.

Пример кода на Python:

      from typing import Optional

# Базовый обработчик
class Handler:
    def __init__(self, successor: Optional["Handler"] = None):
        self._successor = successor

    def handle(self, request: str):
        if self._successor:
            self._successor.handle(request)

# Конкретные обработчики
class AuthHandler(Handler):
    def handle(self, request: str):
        if request == "auth":
            print("AuthHandler: Обработка аутентификации")
        else:
            super().handle(request)

class LoggingHandler(Handler):
    def handle(self, request: str):
        if request == "log":
            print("LoggingHandler: Запись лога")
        else:
            super().handle(request)

class ErrorHandler(Handler):
    def handle(self, request: str):
        print(f"ErrorHandler: Неизвестный запрос '{request}'")

# Сборка цепочки
chain = AuthHandler(LoggingHandler(ErrorHandler()))

# Использование
chain.handle("auth")
chain.handle("log")
chain.handle("unknown")

Команда (Command)

Инкапсулирует запрос как объект, позволяя параметризовать действия, ставить их в очередь, логировать или откладывать выполнение.

Незаменим в undo/redo-системах, макросах, обработке UI-событий.

Интерпретатор (Interpreter)

Позволяет описать правила для простого языка и создать механизм, который может «понимать» и выполнять команды, написанные на этом языке.

Применяется для разбора и исполнения выражений в ограниченных предметных языках — например, при работе с поисковыми запросами, математическими формулами, шаблонами или конфигурациями.

Итератор (Iterator)

Предоставляет способ последовательного обхода элементов коллекции без раскрытия ее внутреннего представления.

Позволяет клиенту работать с любым контейнером единообразно. Встроен в Python через протоколы __iter__ и __next__.

Посредник (Mediator)

Определяет объект, инкапсулирующий взаимодействие множества объектов.

Ослабляет связанность системы, устраняя прямые зависимости между компонентами. Применяется в UI, чатах, контроллерах событий.

Хранитель (Memento)

Позволяет сохранять и восстанавливать предыдущее состояние объекта без нарушения инкапсуляции.

Используется в undo/redo-функциональности, сериализации и автосохранении.

Наблюдатель (Observer)

Устанавливает зависимость «один ко многим» между объектами, чтобы при изменении одного автоматически обновлялись все зависимые.

Основной механизм событийной модели. Применяется в UI, реактивном программировании, подписке на данные.

Состояние (State)

Позволяет объекту изменять свое поведение в зависимости от текущего состояния. Внешне выглядит так, как будто изменился класс.

Устраняет громоздкие конструкции if/switch. Подходит для реализации конечных автоматов и сценариев UI.

Стратегия (Strategy)

Инкапсулирует алгоритмы и делает их взаимозаменяемыми. Позволяет выбирать реализацию поведения на лету.

Применяется для выбора логики сортировки, фильтрации, расчета, без жесткой привязки к реализации.

Шаблонный метод (Template Method)

Определяет общий скелет алгоритма и позволяет подклассам переопределять отдельные шаги без изменения структуры алгоритма.

Удобен, если есть алгоритмм с фиксированной структурой, но переменными этапами — например, при рендеринге, расчетах, парсинге.

Посетитель (Visitor)

Позволяет определить новую операцию над элементами структуры без изменения их классов.

Упрощает добавление поведения к сложным иерархиям (деревья, AST, компоновщики). Используется в компиляторах, трансформерах, валидации.

Как выбрать подходящий паттерн

Изучая паттерны проектирования, легко почувствовать себя на лекции по энциклопедии: много терминов, еще больше схем. И главное — непонятно зачем все это в реальной жизни? К счастью, задача программиста — не выучить все паттерны наизусть, а понять, какую проблему они решают.

Хорошая отправная точка — контекст задачи. Как только появляется повторяющаяся структура или поведение, стоит задуматься: «А нет ли уже готового шаблона, который решал бы это элегантнее?»

Вот несколько ориентиров, которые помогут быстрее выбрать нужный паттерн:

Ситуация / Проблема	Подходящие паттерны
Нужно создать объект, скрыв детали реализации	«Фабричный метод», «Абстрактная фабрика», «Строитель»
Объект должен существовать в единственном экземпляре	«Одиночка»
Нужно выбирать реализацию во время выполнения	«Стратегия», «Состояние»
Объекты взаимодействуют, несмотря на несовместимые интерфейсы	«Адаптер», «Фасад»
Требуется добавить поведение без изменения кода	«Декоратор»
Необходимо централизовать взаимодействие между компонентами	«Посредник»
Поведение зависит от внутреннего состояния объекта	«Состояние»
Требуется подписка/оповещение при изменении состояния объекта	«Наблюдатель»
Нужно реализовать команды как объекты (например, для отмены/повтора)	«Команда»
Есть набор однотипных объектов, и нужно к ним обращаться как к одному	«Компоновщик»
Нужно создавать объекты из шаблона или копии	«Прототип»
Сложный объект должен формироваться пошагово	«Строитель»
Необходимо выбрать реализацию из семейства объектов	«Абстрактная фабрика»
Требуется отделить интерфейс от реализации	«Мост»
Надо преобразовать запросы и пропустить их по цепочке обработчиков	«Цепочка обязанностей»
Есть структура данных, которую нужно обойти без раскрытия ее внутренностей	«Итератор»
Требуется выполнить операции над элементами сложной структуры	«Посетитель»
Нужно представить текст как структуру, где каждый элемент — часть языка	«Интерпретатор»
Нужно управлять доступом к объекту	«Заместитель»
Требуется упростить доступ к подсистеме	«Фасад»

Со временем выбор нужного паттерна перестает быть академическим упражнением. Разработчик начинает интуитивно понимать, какая структура упростит поддержку, улучшит читаемость или сделает код более гибким. Так что не стоит стремиться применять паттерн ради паттерна — гораздо полезнее держать в голове их суть и использовать по мере необходимости.

Преимущества и недостатки паттернов

Как и любой инструмент, паттерны проектирования не являются универсальным решением на все случаи жизни. Их сила в точечном применении. Если использовать их осознанно, они становятся настоящими союзниками в разработке. Но если внедрять без разбора — легко превратить код в перегруженный лабиринт.

Преимущества

Повышают читаемость и понятность кода. Хорошо подобранный паттерн делает намерения разработчика явными. Увидев «Наблюдатель», вы сразу понимаете: тут реализована подписка на события. Это снижает когнитивную нагрузку и помогает быстрее вникнуть в чужой код.

Улучшают поддержку и масштабируемость. Паттерны способствуют слабой связанности компонентов и высокой модульности. Это значит, что вы можете менять, расширять или тестировать отдельные части системы, не трогая остальное.

Повышают переиспользуемость решений. Паттерны обобщают лучшие практики. Вместо того чтобы каждый раз изобретать велосипед, можно опереться на проверенные временем подходы.

Недостатки

Усложнение кода без необходимости. Паттерны хороши там, где действительно нужна гибкость. Но если применять их преждевременно, архитектура усложняется без реальной пользы. Это называется избыточная абстракция, и она мешает, а не помогает.

Высокий порог входа для новичков. Если в проекте много паттернов, код становится менее очевидным для тех, кто с ними не знаком, потому что увеличивается уровень абстракции и используются непривычные структуры взаимодействия между объектами. Это усложняет понимание логики и затрудняет быстрое освоение кода, особенно в сложных и больших системах.

Могут скрывать проблемы архитектуры. Иногда паттерны применяются не для решения задачи, а чтобы «починить» изначально неудачную архитектуру. Это может сработать краткосрочно, но в долгосрочной перспективе только усугубит проблемы.

Заключение

Паттерны проектирования помогают решать типовые задачи в разработке, делают код понятнее и устойчивее к изменениям. Но применять их стоит осознанно: не по привычке, а по необходимости.

Мы кратко познакомились с основными паттернами и увидели, как они помогают справляться с реальными проблемами в коде. Если вы раньше обходили их стороной, возможно, сейчас самое время начать разбираться в них глубже.

Чтобы углубиться в тему, рекомендуем книгу Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software, а также документацию к любимому фреймворку: чаще всего именно в ней можно встретить паттерны в действии.