O Poder dos Padrões de Projeto na Engenharia de Software Moderna

Introdução

Criar sistemas que sejam funcionais, tolerantes a mudanças e fáceis de manter é um problema comum e persistente no campo do desenvolvimento de software. Os "padrões de projeto" nos ajudam, fornecendo soluções prontas, testadas e aprovadas para os problemas comuns com os quais todos os desenvolvedores lidam diariamente.

Realizar isso adequadamente e com eficiência ao utilizar o conhecimento atemporal que faz parte dos elementos da "Engenharia", independentemente de quão complicado isso possa parecer inicialmente para aqueles que não estão preparados para construir software robusto e confiável. Além disso, é uma máxima inquestionável que nada é mais complicado que escrever tudo do zero sem garantias.

Este estudo examina três padrões principais: Specification, Builder e o Composite. O objetivo é demonstrar como a qualidade, eficiência e reuso podem ser usadas para criar software Enterprise.

O Padrão Specification

Conceito

Como o próprio nome sugere, o padrão Specification foi introduzido pela primeira vez no campo de modelagem de Rich Domain no livro Domain-Driven Design: Tackling Complexity in the Heart of Software. Ele oferece uma maneira simples e declarativa de implementar lógica de negócios, permitindo que a composição construa de forma fácil e modular regras de negócios complexas. Este padrão define uma Specification como um objeto capaz de determinar se outro objeto satisfaz ou não um critério específico.

Ao separar a lógica de seleção (o "o quê") da lógica de execução (o "como"), o padrão Specification dá poder e torna claro como as regras de negócios podem mudar e se trocar. Além disso, permite que as regras de negócios anteriores sejam reutilizadas, atendendo diretamente ao princípio Open–closed principle do SOLID

Benefícios

- Reusabilidade: Permite que a definição de regras de negócio atômicas e reutilizáveis que permitem serem combinadas para formar lógicas de validação complexas.

- Composição: Permite combinar especificações simples em especificações complexas sem que as implementações existentes tenham que ser alteradas, sendo assim aderente o princípio aberto/fechado SOLID.

- Clareza: Permite que o código seja mais legível e revelador de suas intenções, ao separar nitidamente as regras de negócio da lógica de aplicação.

O Padrão Builder

Conceito

Quando construir objetos complexos se torna um problema, o padrão de Builder é útil. Ele define um processo construtivo que permite que representações de objetos com a mesma estrutura sejam construídas com diferentes detalhes. Separar o processo de construção da maneira como o objeto final é representado permite a criação de objetos muito mais adaptáveis, o que permite aos desenvolvedores controlar a complexidade de alterar os objetos criados para requisitos específicos.

Além disso, encapsular a lógica de construção em um diretor ou grupo de construtores concretos facilita a manutenção do sistema, pois novas variações de objetos não comprometem o código já existente. A aplicação do Builder no contexto de Specification torna a configuração fluente de regras complexas mais fácil durante a construção de vários tipos de lógica de negócios.

Benefícios

- Encapsulamento: Isola a lógica de construção e detalhes de implementação do usuário, simplificando o contrato de criação.

- Flexibilidade: Permite maior controle sobre o processo de instanciação do que quando com a inicialização direta, permitindo ajustes específicos e configurações complexas.

- Fluidez: Com a criação através contratos fluídos melhorando a legibilidade e a usabilidade do código de construção de Specification.

O Padrão Composite

Conceito

O padrão de projeto conhecido como Composite organiza os objetos em uma estrutura que lembra uma árvore de hierarquias parte-todo. Permite que as relações entre objetos individuais ou suas composições sejam usadas de forma transparente. Isso é muito útil para a gestão de regras de negócios, onde o padrão Composite torna a criação e implementação de sistemas complexos muito fáceis.

Um objeto composto é constituído por outros objetos individuais que podem ser outros objetos compostos. Uma grande vantagem sobre o padrão Composite é que permite ao cliente tratar os objetos individuais e suas composições de maneira comum.

Diversos tipos de software usam Composite. Por exemplo, em um sistema de arquivos, como arquivos e diretórios; em interfaces de usuário, quando configurações de relacionamento pai-filho para itens, como botões e menus, processamento de documentos ou representação de redes de computadores são outras aplicações.

Benefícios

- Uniformidade: Objetos simples e compostos são tratados de maneira uniforme, simplificando a interface para o desenvolvedor.

- Flexibilidade de Estrutura: Permite a criação dinâmica de estruturas complexas, que podem ser expandidas ou modificadas conforme novos cenários são necessários.

- Simplicidade: Diminue a complexidade do código, pois permiti que operações complexas sejam executadas em estruturas compostas como se fossem simples objetos.

Ao utilizar os padrões Specification, Builder e Composite na engenharia de software uma abordagem poderosa e obtida para desenvolver sistemas complexos. Permitir a definição clara, construção flexível e a composição hierárquica de componentes, favorecem criar sistemas que são, robustos, adaptáveis e fáceis de manter.

Aplicando Padrões de Design em Sistemas de Especificações e Políticas.

Já que exploramos a teoria dos padrões Specification, Builder e Composite. Avancemos em nossa compreensão das aplicações práticas deles em um sistema de especificações, regras e políticas, destacando como eles podem ser usados para lidar com desafios comuns de desenvolvimento e promover a criação de sistemas flexíveis e manutíveis. Para ilustrar, usamos a linguagem Golang.

Implementando o Padrão de Especificação

Aplicação Prática

A implementação do padrão de Especificação começa com a definição de uma interface genérica para Specification. é o ponto inicial para a aplicação do padrão de Especificação. Este contrato especifica um método chamado IsSatisfiedBy para verificar se um objeto específico do candidato atende a uma especificação.

package specification

type Candidate interface{}

type Specification[T Candidate] interface {
    IsSatisfiedBy(candidate T) bool
}        

Especificações concretas são implementadas para que as regras de negócio específicas sejam encapsuladas, e que essas regras possam ser combinadas usando operações lógicas como AND, OR e NOT.

package specification

type AndSpecification[T Candidate] struct {
	specs []Specification[T]
}

func NewAndSpecification[T Candidate](specs ...Specification[T]) *AndSpecification[T] {
	return &AndSpecification[T]{specs: specs}
}

func (s *AndSpecification[T]) IsSatisfiedBy(candidate T) bool {
	for _, spec := range s.specs {
		if !spec.IsSatisfiedBy(candidate) {
			return false
		}
	}
	return true
}

type OrSpecification[T Candidate] struct {
	specs []Specification[T]
}

func NewOrSpecification[T Candidate](specs ...Specification[T]) *OrSpecification[T] {
	return &OrSpecification[T]{specs: specs}
}

func (s *OrSpecification[T]) IsSatisfiedBy(candidate T) bool {
	for _, spec := range s.specs {
		if spec.IsSatisfiedBy(candidate) {
			return true
		}
	}
	return false
}

type NotSpecification[T Candidate] struct {
	spec Specification[T]
}

func NewNotSpecification[T Candidate](spec Specification[T]) *NotSpecification[T] {
	return &NotSpecification[T]{spec: spec}
}

func (s *NotSpecification[T]) IsSatisfiedBy(candidate T) bool {
	return !s.spec.IsSatisfiedBy(candidate)
}        

Desafios Superados

- Modularidade: Especificações que podem ser recombinadas assim formando novas regras de negócio sem alterar as especificações existentes, produzindo reusabilidade.

- Manutenção: Alterações em uma regra de negócio específica que exigem modificação pontual, minimiza o impacto no sistema evitando anomalias ou comportamentos inesperados.

Aplicando o Padrão Builder

Aplicação Prática

O uso do padrão Builder facilita criar especificações complexas. Métodos encadeados oferecidos pelo SpecificationBuilder permitem a construção fluente de especificações compostas. Ao contrário da criação manual de objetos compostos, essa abordagem melhora significativamente a legibilidade do código ao construir regras de negócios complexas.

package specification

type SpecificationBuilder[T Candidate] interface {
	WithSpecification(spec Specification[T]) SpecificationBuilder[T]
	And(spec Specification[T]) SpecificationBuilder[T]
	Or(spec Specification[T]) SpecificationBuilder[T]
	Not() SpecificationBuilder[T]
	Build() Specification[T]
}

type BaseSpecificationBuilder[T Candidate] struct {
	spec Specification[T]
}

func NewSpecificationBuilder[T Candidate]() SpecificationBuilder[T] {
	return &BaseSpecificationBuilder[T]{}
}

func (b *BaseSpecificationBuilder[T]) WithSpecification(spec Specification[T]) SpecificationBuilder[T] {
	b.spec = spec
	return b
}

func (b *BaseSpecificationBuilder[T]) And(spec Specification[T]) SpecificationBuilder[T] {
	b.spec = NewAndSpecification(b.spec, spec)
	return b
}

func (b *BaseSpecificationBuilder[T]) Or(spec Specification[T]) SpecificationBuilder[T] {
	b.spec = NewOrSpecification(b.spec, spec)
	return b
}

func (b *BaseSpecificationBuilder[T]) Not() SpecificationBuilder[T] {
	b.spec = NewNotSpecification(b.spec)
	return b
}

func (b *BaseSpecificationBuilder[T]) Build() Specification[T] {
	return b.spec
}        

Usando o SpecificationBuilder, os desenvolvedores podem combinar várias especificações com uma sintaxe clara e expressiva, como:

builder.WithSpecification(spec1).And(spec2).Not().Build()        

Para criar uma nova especificação que representa a lógica de negócio desejada.

Desafios Superados

- Complexidade de Criação: Reduz a complexidade envolvida na construção de especificações compostas, encapsulando a lógica de composição.

- Flexibilidade: Permite ajustes finos e configurações personalizadas de especificações complexas, sem expor a complexidade interna.

Implementando o Padrão Compositor

Aplicação Prática

O padrão Compositor é aplicado ao agrupar múltiplas regras ou especificações em uma estrutura hierárquica que pode ser tratada como uma única entidade. Isso é particularmente útil para sistemas que precisam avaliar em conjunto conjuntos de regras complexas. É possível aplicar políticas compostas por várias regras aos objetivos de negócios, permitindo uma avaliação unificada que abstrai a complexidade das regras individuais.

No contexto de nosso sistema, uma Policy pode ser composta por várias Rules, onde cada Rule é uma aplicação de uma Specification. A Policy pode então aplicar todas as suas Rules a um objeto de negócio, simplificando o processo de validação.

type Rule[T any, R any] interface {
	Apply(T) (R, error)
	Combine(...Rule[T, R]) Rule[T, R]
	BatchApply([]T) ([]R, []error)
}

type rule[T any, R any] struct {
	Specification specification.Specification[T]
	Action        func(target T) (R, error)
}

func NewRule[T any, R any](spec specification.Specification[T], action func(target T) (R, error)) Rule[T, R] {
	return &rule[T, R]{
		Specification: spec,
		Action:        action,
	}
}

func (r *rule[T, R]) Apply(target T) (R, error) {
	if !r.Specification.IsSatisfiedBy(target) {
		var zero R
		return zero, fmt.Errorf("specification not satisfied by %v", target)
	}
	result, err := r.Action(target)
	if err != nil {
		return result, fmt.Errorf("action failed: %v", err)
	}
	return result, nil
}

func (r *rule[T, R]) BatchApply(targets []T) ([]R, []error) {
	results := make([]R, 0, len(targets))
	errors := make([]error, 0)
	for _, target := range targets {
		result, err := r.Apply(target)
		if err != nil {
			errors = append(errors, err)
		} else {
			results = append(results, result)
		}
	}
	return results, errors
}

func (r *rule[T, R]) Combine(rules ...Rule[T, R]) Rule[T, R] {
	newRules := make([]Rule[T, R], 0, len(rules)+1)
	newRules = append(newRules, r)
	newRules = append(newRules, rules...)
	return &combinedRule[T, R]{rules: newRules}
}

type combinedRule[T any, R any] struct {
	rules []Rule[T, R]
}

func (cr *combinedRule[T, R]) Apply(target T) (R, error) {
	var lastResult R
	for _, rule := range cr.rules {
		var err error
		lastResult, err = rule.Apply(target)
		if err != nil {
			return *new(R), err
		}
	}
	return lastResult, nil
}

func (cr *combinedRule[T, R]) Combine(rules ...Rule[T, R]) Rule[T, R] {
	newRules := make([]Rule[T, R], len(cr.rules), len(cr.rules)+len(rules))
	copy(newRules, cr.rules)
	newRules = append(newRules, rules...)
	return &combinedRule[T, R]{rules: newRules}
}

func (cr *combinedRule[T, R]) BatchApply(targets []T) ([]R, []error) {
	results := make([]R, 0, len(targets))
	errors := make([]error, 0)
	for _, target := range targets {
		result, err := cr.Apply(target)
		if err != nil {
			errors = append(errors, err)
		} else {
			results = append(results, result)
		}
	}
	return results, errors
}

type Policy[T any, R any] struct {
	rules []rules.Rule[T, R]
}

func NewPolicy[T any, R any](rules ...rules.Rule[T, R]) *Policy[T, R] {
	return &Policy[T, R]{rules: rules}
}

func (p *Policy[T, R]) AddRule(r rules.Rule[T, R]) {
	p.rules = append(p.rules, r)
}

func (p *Policy[T, R]) ApplyRules(target T) (R, error) {
	var lastResult R
	var err error
	var combinedRule rules.Rule[T, R]
	if len(p.rules) > 0 {
		combinedRule = p.rules[0]
		for _, r := range p.rules[1:] {
			combinedRule = combinedRule.Combine(r)
		}
		lastResult, err = combinedRule.Apply(target)
	} else {
		return *new(R), errors.New("no rules to apply")
	}
	if err != nil {
		return *new(R), err
	}
	return lastResult, nil
}        

Desafios Superados

- Uniformidade: Trata composições complexas de regras da mesma forma que regras individuais, simplificando a interface de aplicação.

- Manutenção e Expansão: Novas regras podem ser adicionadas às políticas existentes sem alterar o código de aplicação, facilitando a manutenção e a expansão.

Exemplo

Segue um exemplo de uso para Specification, e espero ver exemplos do uso combinado com Rule e Policy.

func main() {
	type MyCandidate struct {
		Graduation bool
		Experience int
		Skills     []string
		Available  bool
	}
	graduationSpec := fixtures.NewDummySpecification(func(candidate any) bool {
		return candidate.(MyCandidate).Graduation
	})
	experienceSpec := fixtures.NewDummySpecification(func(candidate any) bool {
		candidateExperience := candidate.(MyCandidate).Experience
		return candidateExperience > 3
	})
	skillsSpec := fixtures.NewDummySpecification(func(candidate any) bool {
		skillList := []string{"Go", "Python", "SQL", "Java", "C++"}
		minimumRequiredSkills := 2
		matchingSkills := 0
		candidateSkills := candidate.(MyCandidate).Skills
		for _, skill := range candidateSkills {
			for _, requiredSkill := range skillList {
				if skill == requiredSkill {
					matchingSkills++
				}
			}
		}
		return matchingSkills >= minimumRequiredSkills
	})
	availabilitySpec := fixtures.NewDummySpecification(func(candidate any) bool {
		availability := candidate.(MyCandidate).Available
		return availability == true
	})
	// Criar um SpecificationBuilder e adicionar as especificações individualmente
	builder := specification.NewSpecificationBuilder[any]().
		WithSpecification(graduationSpec).
		And(skillsSpec).
		Or(experienceSpec).
		And(availabilitySpec)
	// Construir a especificação final
	finalSpecification := builder.Build()
	// Candidatos de exemplo
	candidates := []MyCandidate{
		{Graduation: true, Experience: 4, Skills: []string{"Go", "Python", "SQL"}, Available: false}, // Candidato 1
		{Graduation: false, Experience: 2, Skills: []string{"Java", "C++"}, Available: true},          // Candidato 2
		{Graduation: true, Experience: 5, Skills: []string{"Go", "Java"}, Available: true},           // Candidato 3
	}
	// Verificar se os candidatos satisfazem a especificação final
	var isSatisfied bool
	for i, candidate := range candidates {
		isSatisfied = finalSpecification.IsSatisfiedBy(candidate)
		if isSatisfied {
			fmt.Printf("Candidato %d atende aos critérios.\n", i+1)
		} else {
			fmt.Printf("Candidato %d não atende aos critérios.\n", i+1)
		}
	}
}        

Conclusão

A aplicação dos padrões Specification, Builder e o Composite em um sistema de especificações, regras e políticas não apenas aborda desafios comuns de desenvolvimento, mas também estabelece uma fundação sólida para a criação de sistemas flexíveis, extensíveis e fáceis de manter. Ao separar claramente as regras de negócio da lógica de aplicação, promovendo a reutilização de código e simplificando a criação de regras complexas, esses padrões de design elevam a qualidade e a eficiência do desenvolvimento de software.

Estas implementações fornecem um exemplo prático de como conceitos teóricos e padrões de design podem ser aplicados com sucesso para resolver problemas reais de engenharia de software, ao mesmo tempo, em que fornece percepções úteis para desenvolvedores que buscam melhorar a arquitetura e a manutenibilidade de seus sistemas. Podemos enfrentar com confiança a crescente complexidade das demandas de negócios e tecnologia no desenvolvimento de software contemporâneo compreendendo e aplicando esses padrões.

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