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Padrões de Software
Rossana [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 PadrãoNome: 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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CK119 – Engenharia de SoftwareUm 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™ 2002
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Próximos slides: Exemplos de Padrões Exemplos de Padrões Mais exemplos de linguagens de
Padrões Classificação dos Padrões de Software Workshop de Escritores
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Exemplos de Padrões Web Handlers Padrões de Interface Gráfica
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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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CK119 – Engenharia de SoftwareMais 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
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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 BuilderFactory method Prototype Singleton
Behavioral PatternsChain of
Responsibility Command Interpreter Iterator MediatorMementoObserver State Strategy Template Method Visitor
Structural patternsAdapter BridgeCompositeDecorator Facade FlyweightProxy
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Core J2EE Pattern CatalogPresentation Tier
Intercepting Filter Front ControllerView Helper Composite View
Service to WorkerDispatcher View
Integration TierData Access Object Service Activator
Business TierBusiness Delegate
Service LocatorSession facadeTransfer Object Transfer Object
Assembler
Value List HandlerComposite Entity
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Architectural PatternsFrom Mud to Structure
Layers Pipes and FiltersBlackboard
Adaptable SystemsReflection Microkernel
Interactive SystemsModel-View-
Controller Presentation-
Abstraction-Control
Distributed SystemsBroker Pipes and FiltersMicrokernel
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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
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Por enquanto é só, Pessoal!