… a common pattern in software engineering research is the development of system-building techniques, such as object-oriented design, which are strongly advocated in the absence of evidence - K.N. Whitley, “Visual Programming Languages and the Empirical Evidence For and Against,” J. Visual Languages and Computing, vol. 8, pp. 109-142, 1997.
Паттерны проектирования стали неотъемлемой частью минимального набора знаний современного разработчика. Их упоминание вы с легкостью найдете в описании вакансии как на фронта, так и на бэка. На техническом интервью вам обязательно зададут вопрос о паттернах, а на утреннем созвоне с командой нередко прозвучит что-то типа адаптер, фабрика или обсервер. Хотя последнее, возможно, слегка притянуто за уши. Бесспорно, паттерны проектирования - это очередная тема, о которой говорят все, но о доказанной эффективности которых известно достаточно мало деталей.
Сразу оговоримся, что проблематика паттернов связана с ООП и в большей степени с такими языками как Java и C++. Большинство исследований, о которых пойдет речь дальше, рассматривает вопросы применения паттернов именно в этих языках. Однако это не означает, что, например, в JS паттерны будут работать как-то по другому. Вторая оговорка касается предмета нашего интереса. Несмотря на то, что существуют сотни вариаций паттернов проектирования, наибольшей интерес прикован к GoF. Существуют также и ограничения исследований, о которых мы поговорим в самом конце.
Линейка для паттернов
Преимущества паттернов проектирования вроде бы всем очевидны. К ним зачастую относят повышение продуктивности разработчика, быстрый вход для новичков, упрощение коммуникации и повышение качества кода. Из этой четверки нас в большей степени интересует последний фактор. Как говорится, паттерн - это не переиспользование кода, а переиспользование опыта. Очевидно, что опыта создания качественного кода, а не очередных костылей.
Но как нам оценить качество кода? Одним из самых популярных показателей является его поддерживаемость. Осторожно скажем, что если паттерны проектирования и приносят пользу, то только тогда, когда код развивается. В общем виде поддерживаемость кода представляет собой некое качество, тесно связанное с объемом усилий, предпринимаемых для его модификации. Абстрактно, не правда ли? Хотя именно так написано в стандарте ISO-9126.
Давайте посмотрим на то, как конкретизируют это понятие в исследованиях. Wedyan и Abufakher [2020] в своем обзоре весьма детально разложили поддерживаемость кода на ряд составляющих.
Первой из них является условная склонность к изменениям. Чем больше строк требуется для модификации кода и чем больше ошибок возникает в результате таких изменений, тем хуже поддерживаемость. Вторая составляющая - склонность к ошибкам. Чем чаще появляются ошибки в коде и чем сложнее их устранить, тем хуже поддерживаемость. Стабильность является следующим фактором. Она связана с тем, как изменения в окружении влияют на появление ошибок в нашем коде.
Три вышеописанные характеристики поддерживаемости кода являются доминирующими, но не исчерпывающими. Наряду с ними иногда рассматриваются также размер кода, его сложность для чтения, связанность и сцепленность.
Научные исследования
Теперь, когда мы примерно представляем себе то, как оценить качество кода, можно попытаться понять, как именно GoF паттерны влияют на поддерживаемость кода. Одна из первых попыток была предпринята в 2012 году Zhang и Budgen. В своей работе авторы отмечали, что несмотря на популярность темы паттернов в разработке, существовало достаточно небольшое количество эмпирических исследований, многие из которых лишь косвенно изучали применение паттернов в реальном коде. После анализа 219 публикаций ученые пришли к выводу о том, существуют лишь косвенные подтверждения того, что использование паттернов положительно влияет на поддерживаемость кода. Наряду с этим невозможно аргументировано сказать, когда именно необходимо использовать тот или иной паттерн в коде.
Год спустя появилось обзорное исследование [Ampatzoglou, Charalampidou, Stamelos, 2013] 120 публикаций, посвященных GoF паттернам. Оно и по сей день является наиболее полноценным и цитируемым по данной проблематике. И в нем проявились весьма интересные и неоднозначные результаты.
Так, большинство GoF паттернов положительно влияют на некоторые аспекты поддерживаемости кода. Особняком стоит стабильность кода. На нее подавляющее большинство паттернов влияет негативно. Однако тут стоит разделять стабильность всего кода и стабильность паттернов. Нам известно, что использование GoF паттернов на примере 65 000 лежащих в открытом доступе Java классов положительно влияет на их стабильность [Ampatzoglou et. al, 2015]. Получается, что паттерны сами по себе стабильны, но за эту стабильность расплачивается окружение.
Возвращаясь к обзорному исследованию стоить подчеркнуть, что авторы решили не останавливаться только на поддерживаемости кода и включили в исследование другие факторы, например, читаемость кода, его адаптивность или надежность. И здесь проявился новый эффект от применения паттернов в коде. Оказалось, что положительно влияя на одни характеристики, паттерны оказывают негативное влияние на другие составляющие качества кода.
Вместо заключения
Стоит отметить, что в последнее время все чаще появляются исследования, которые рассматривают те или иные паттерны по отдельности, а также направлены на изучение сопутствующих факторов, например, документирование паттернов. Однако полноценное обзорное исследование или метаанализ мне на глаза не попадались. Могла ли измениться ситуация за прошедшие с публикации десять лет? Возможно да, а возможно и нет. Стоит ли продолжать уделять внимание паттернам, если нет гарантированного подтверждения их эффективности? Тут уже вам решать.
В конце также хотелось бы упомянуть несколько моментов, которые относятся к рассмотренным выше исследованиям и применению evidence-based подхода к разработке в частности.
Во-первых, код пишут люди, которые отличаются по уровню знаний и опыту. Соответственно, качество кода на выходе у условного джуна будет ниже, чем у условного сеньора. Поэтому на практике мы скорее изучаем связку программист-паттерн, нежели чем анализируем код независимо от его автора.
Во-вторых, паттерны как таковые не являются устойчивыми феноменами. Отсюда возникают проблемы с их унифицированным пониманием, и, в частности, операционализацией для проведения исследований. По мнению одного программиста, у него в коде может быть какой-то паттерн, по мнению другого - нет. Зачастую остается только поверить наслово.
В-третьих, исследования паттернов в основном проводятся на основе опросов профессионалов. Использование объективных метрик весьма незначительно, что добавляет долю субъективности в конечные результаты.
В-четвертых, изучение паттернов в основном производится по отдельности, в отрыве от остального кода. Тогда как на конечное качество кода оказывает их совокупность и синергия.
Что почитать
C. Zhang and D. Budgen, "What Do We Know about the Effectiveness of Software Design Patterns?," in IEEE Transactions on Software Engineering, vol. 38, no. 5, pp. 1213-1231, Sept.-Oct. 2012, doi: 10.1109/TSE.2011.79.
Apostolos Ampatzoglou, Sofia Charalampidou, and Ioannis Stamelos. 2013. Research state of the art on GoF design patterns: A mapping study. J. Syst. Softw. 86, 7 (July, 2013), 1945–1964. https://doi.org/10.1016/j.jss.2013.03.063
A. Ampatzoglou, A. Chatzigeorgiou, S. Charalampidou and P. Avgeriou, "The Effect of GoF Design Patterns on Stability: A Case Study," in IEEE Transactions on Software Engineering, vol. 41, no. 8, pp. 781-802, 1 Aug. 2015, doi: 10.1109/TSE.2015.2414917.
Wedyan, Fadi and Somia Abufakher. “Impact of design patterns on software quality: a systematic literature review.” IET Softw. 14 (2020): 1-17.
Интересуетесь темой психологии программирования? Добавляйтесь в мой Telegram-канал.
