Los patrones de diseño, como herramientas versátiles, son ampliamente utilizados en el mundo del software, ya sea ingeniería, arquitectura o desarrollo.
Al igual que los patrones Scrum, que se implementan en dicha metodología, los patrones de diseño son soluciones comprobadas a problemas repetibles, dado un contexto particular.
De acuerdo con el nivel de abstracción que presentan, hay una primera distinción que los divide en patrones de arquitectura, aquellos que muestran un esquema de organización estructural para sistemas de software; patrones de diseño, que revelan esquemas para definir estructuras de diseño, en la construcción de sistemas de software, y dialectos o patrones de bajo nivel, destinados a un lenguaje de programación o entorno concreto.
¿Qué son los patrones de diseño?
Los patrones de diseño o desing patterns son soluciones generales, reutilizables, que se aplican para resolver problemas frecuentes en el diseño de software. Más que modelos rígidos, son descripciones y pautas a seguir, de acuerdo con las características del proyecto en cuestión. Aportan conocimiento para saber cómo abordar un problema en un nuevo escenario durante la fase de desarrollo de software.
Se trata de plantillas o templates que aportan un enfoque estructurado, aprovechando la experiencia acumulada por desarrolladores que se han enfrentado antes al mismo tipo de problema. Se pueden personalizar para resolver un problema de diseño recurrente.
Origen y evolución
La publicación del libro Design patterns: elements of reusable object-oriented software, en 1994, marca el inicio del uso de patrón de diseño como concepto para el desarrollo de software.
Sus autores: Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson y John Vlissides, son conocidos como Gang of Four (GoF).
Para abreviar su largo título, al texto se le conoce como el “libro GoF”, así como los 23 patrones incluidos en él se conocen como los “patrones GoF” que se mantienen como los clásicos.
Fueron estos cuatro informáticos quienes dieron una definición precisa de lo que es un patrón de diseño y cómo debe ser usado. Se trata de “descripciones de objetos que se comunican y clases que son personalizadas para resolver un problema de diseño general en un contexto particular”.
Objetivos de los patrones de diseño
El objetivo principal de los patrones de diseño es facilitar buenas prácticas de desarrollo de software, con lo cual se mejora la calidad del diseño de sistemas.
Otros objetivos incluyen el proporcionar catálogos de elementos reutilizables; disminuir la búsqueda reiterada de soluciones para problemas ya conocidos; estandarizar el lenguaje entre programadores/desarrolladores; crear código reutilizable.
Importancia de los patrones de diseño ¿para qué se usan?
Para atender el objetivo principal de la utilización de patrones de diseño —esto es, facilitar un esquema de buenas prácticas en el desarrollo de software— se entiende que la mayor importancia que tiene el uso de patrones radica en ahorrar tiempo y recursos gracias a la posibilidad de identificar condiciones de error y problemas en el código.
Se aplica tanto en los procesos tradicionales de desarrollo de software, donde se llevan a cabo pruebas en distintos momentos para asegurar la validez del código, como en los más recientes procesos colaborativos, con varias personas trabajando simultáneamente en el mismo desarrollo, que también aceleran las fases de pruebas para la validez y calidad del código.
Tipos de patrones de diseño, los GoF y sus características
Esta es la clasificación GoF, base a partir de la cual se trabajan los patrones de diseño. Los veintitrés más utilizados están agrupados en tres categorías:
Patrones creacionales: son cinco, que aportan mecanismos de creación de objetos para incrementar la flexibilidad y la reutilización de código existente. Se trata de abstract factory, builder patterns, factory method, prototype y singleton.
Patrones estructurales: son siete, que explican cómo ensamblar objetos y clases en estructuras más grandes, al mismo tiempo que se mantiene la flexibilidad y eficiencia de la estructura. Sus nombres son adapter, bridge, composite, decorator, facade, flyweight y proxy.
Patrones de comportamiento: son 11 y se encargan de una comunicación efectiva, así como la asignación de responsabilidades entre objetos. Se llaman chain of responsibility, command, interpreter, iterator, mediator, memento, observer, state, strategy, template method, visitor.
Plantillas de patrones y sus elementos
Para que los patrones de diseño sirvan como instrumento de comunicación uniforme entre desarrolladores y cumplan con la característica de ser reutilizables, se expresan mediante un esqueleto estandarizado o plantilla, que no suele tener mayores variaciones y que generalmente respeta la presencia de catorce segmentos, propios de GoF.
Se trata de nombre del patrón; clasificación; intención; otros nombres para el patrón; motivación; aplicabilidad; estructura; participantes; colaboraciones; consecuencias; implementación; código de ejemplo; usos conocidos y patrones relacionados.
El papel de los patrones de diseño en la ingeniería de software
En el contexto de ingeniería de software, los patrones de diseño agilizan el proceso de desarrollo de una solución, gracias a que emplean un modelo o descripción que ya se ha utilizado antes, con resultados exitosos probados.
Desde la perspectiva de los desarrolladores, ellos pueden emplear estos patrones para resolver problemas comunes de diseño, como ya hemos mencionado, pero también para optimizar el rendimiento del software, que se traduce en un desarrollo más eficiente y una mejor experiencia para el usuario.
La creación de código resulta muy favorecida cuando su estructura ya ha sido probada, lo cual sucede utilizando los patrones de diseño que, en el proceso de desarrollo de software ayudan a descubrir problemas y mejorar el código.
Ventajas, beneficios y críticas al uso de patrones de diseño
Ya que los patrones de diseño ofrecen la ventaja de ser soluciones comprobadas para problemas comunes en el diseño de software, entre sus principales ventajas está el que ayudan a disponer de código más claro y fácil de entender; hacen posible la reutilización de código, ahorrando tiempo y esfuerzo; mejoran la calidad de software gracias a que se reduce el número de errores en el código, así como también permiten que el código sea más escalable. Por otra parte, facilitan la localización de los objetos que formarán el sistema
Aún sin que se presente la necesidad de utilizarlos, entender los patrones es ventajoso porque muestra cómo resolver problemas usando principios del diseño orientado a objetos.
En los equipos de trabajo, conocer el lenguaje relacionado con los patrones de diseño facilita la comunicación, porque todos los integrantes comparten un lenguaje común acerca de la situación cuando se menciona el nombre de un patrón.
Algunas de las críticas habituales ante la utilización de patrones de diseño, argumentan que, por ejemplo, se trata de soluciones ineficientes, se les usa injustificadamente y son trampas para elevar el nivel de tecnologías o lenguajes de programación cuyo nivel de abstracción es mínimo.
Cómo aplicar patrones de diseño en proyectos de desarrollo
Se dice que la mejor decisión es no utilizar patrones de diseño antes de tiempo en un proyecto de desarrollo. Esta afirmación tiene sentido cuando están por identificarse todos los detalles de ese proyecto, por lo tanto, es más recomendable implementar algo con el carácter de una primera aproximación, asegurarse de que funcione, para luego emplear el patrón de diseño con el objetivo de subsanar las fallas y fortalecer la solución.
Ahora bien, cuando se tienen identificados y comprendidos todos los elementos del proyecto, lo razonable es utilizar los patrones de diseño desde el principio.
Patrones de diseño comunes en la industria IT
Tal y como se menciona al principio de este texto, el concepto y uso de patrones de diseño se aplica en distintos niveles de la industria IT, como son los casos de arquitectura de software, ingeniería de software y en desarrollo de software.
Cuando se trata de aplicaciones web y bases de datos, hay patrones de diseño específicos -que en este caso corresponden a la arquitectura de software-, como es el caso del patrón MVC (modelo vista controlador), útil para separar la lógica de negocio y la presentación al usuario final, que simplifica la implementación de cambios y disminuye la cantidad de código necesario.
El futuro de los patrones de diseño
El desarrollo de software va prácticamente de la mano con los patrones de diseño, debido a las facilidades que estos brindan a los desarrolladores. Los patrones no son indispensables, pero hacen una importante diferencia reutilizando código una y otra vez, aprovechando el conocimiento previo para resolver problemas habituales.
Hay una amplia variedad de usos para los patrones de diseño en el futuro, cercano y de largo plazo, en situaciones como automatización en el proceso de desarrollo de software y aprendizaje automático; desarrollo de software que se ejecuta en entornos cloud; aplicaciones web progresivas (PWA, por sus siglas en inglés); desarrollo de software para análisis de Big Data y Business Intelligence, orientado a la reducción de tiempo entre acción y reacción, así como la posible interacción entre desarrollo de software y AI.
Casos de éxito y ejemplos
Los repositorios de objetos de aprendizaje (RLO por sus siglas en inglés) con fines pedagógicos o educativos constituyen un buen ejemplo de uso de los patrones de diseño.
En este ámbito, son objetos de aprendizaje las simulaciones en java, indexación de consultas en varios repositorios, o bien, está la disponibilidad de herramientas para producción, gestión y reutilización de objetos de aprendizaje para la formación.
El Multimedia Educational Resource for Learning and Online Teaching (MERLOT) es uno de estos repositorios, creado en 1997 por la Universidad Estatal de California, para buscar, evaluar y compartir recursos educativos multimedia, abiertos y de alta calidad, sobre todo para la educación superior, con alcance mundial.
Integrando patrones de diseño en la cultura empresarial y desarrollo profesional
Las directrices con las que una organización diseña y gestiona sus procesos como resultado de su cultura empresarial, definen también la manera en que se incorporan prácticas como la utilización de patrones de diseño para sus distintas áreas, comenzando por las tecnológicas, aunque pueden permear en muchas otras.
Siendo así, se optimizan recursos, ya que se hace uso de conocimiento plasmado en modelos de soluciones probadas, con buenos resultados, que favorecen el desarrollo profesional de los empleados.
Ejemplos de patrones de diseño más usados
Hay una gran cantidad de patrones de diseño, cada uno de ellos tiene características puntuales y se corresponde con necesidades bien identificadas en los ambientes de desarrollo de software. No obstante, tomando como base los veintitrés patrones GoF, hay 5 que son los más utilizados, los 2 primeros pertenecen a la categoría de creacionales y los otros 3 a la categoría de comportamiento.
Singleton
Existe solo un objeto en cada clase en un momento dado, lo cual es útil cuando se busca limitar la creación de objetos. Es accesible en forma global.
Factory
Se emplea para la creación de objetos sin exponer la lógica de creación. Es útil cuando se quiere mantener por separado la creación de objetos respecto de su uso.
Observer
Reporta las modificaciones de un objeto a estructuras que dependen del objeto inicial. Su utilidad es evidente para actualizar automáticamente varios objetos, en función de un cambio en un objeto observado.
Strategy
Define una familia de algoritmos intercambiables. Es útil cuando se busca proporcionar una forma flexible de cambiar el comportamiento de un objeto sin tener que modificar su código.
Template Method
Define el esqueleto de un algoritmo en una operación, delegando en las subclases algunos de sus pasos. Es de utilidad para definir un algoritmo general, pero permitir que las subclases proporcionen implementaciones específicas para ciertas partes del mismo.
