Патерни проектування: що це та навіщо вони потрібні

Усі серйозні IT-продукти врешті потребують одних і тих самих якостей: гнучкості, масштабованості та простоти в підтримці. Як їх досягнути?  Замість того щоб щоразу винаходити колесо, розробники навчилися використовувати перевірені часом універсальні рішення – так звані шаблони, або патерни проектування. 

Що таке патерн програмування? Це перевірене, ефективне, багаторазово опробуване розв'язання типових проблем у розробці ПЗ. Патерни не можна назвати готовими шматками коду чи навіть фреймворками — радше це шаблони мислення, структурні підходи та рекомендації, які допомагають будувати зрозумілу, гнучку й масштабовану архітектуру. 

Ідея патернів була популяризована так званою "Бандою Чотирьох" (Gang of Four) — Еріхом Гаммою, Річардом Хелмом, Ральфом Джонсоном і Джоном Вліссідесом — у їхній знаковій книзі 1994 року "Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software". З того часу шаблони проектування стали спільною базою для інженерів ПЗ по всьому світу. 

Патерн, архітектура та алгоритм: у чому різниця?

Аби розібратися у темі, важливо чітко розмежувати патерн від суміжних понять – архітектури та алгоритмів розробки ПЗ. Зокрема: 

Алгоритм — це послідовність конкретних дій для розв’язання логічної задачі. Він фокусується не на структурі коду, а на тому, як досягти певного результату (сортування, пошук, оптимізація тощо). Алгоритми стоять на найнижчому рівні абстракції. 

Патерн проектування визначає загальний спосіб організації взаємодії між частинами системи — наприклад, як створювати об’єкти, як розподіляти відповідальність між класами чи як налагодити комунікацію між компонентами. Відтак патерни стоїть на середньому рівні абстракції. 

Архітектура, своєю чергою, працює на макрорівні: вона описує загальну будову додатку, модулі, їхні межі, зв’язки та взаємодію. Саме архітектура визначає, як виглядатиме уся система – це найвищий рівень абстракції, стратегія побудови продукту. 

Навіщо використовувати патерни проектування?

Сьогодні патерни програмування – це не теорія, а практичний інструмент, який приносить відчутну економічну та технічну вигоду на всіх етапах життєвого циклу ПЗ. Назвімо ключові переваги: 

Оптимізація розробки

Використання патернів суттєво прискорює процес розробки. Команді не потрібно вигадувати підхід до розв`язання типової проблеми – вона може застосувати перевірене рішення і бути впевненою в його ефективності. Це скорочує час проектування, прискорює написання коду та мінімізує можливі технічні ризики. Наприклад, якщо необхідно забезпечити наявність лише одного екземпляра класу в усій системі, розробники не створюють власний механізм блокування, а одразу впроваджують патерн Singleton. 

Повторне використання рішень

Патерни — це, по суті, бібліотека знань і досвіду, а не бібліотека коду. Вони забезпечують повторюваність та передбачуваність рішень. Кожен патерн розв'язує конкретну проблему: чи то гнучке створення об'єктів (Factory), чи то керування залежностями (Dependency Injection). Опанувавши патерн одного разу, розробник може застосовувати його в абсолютно різних мовах програмування (Java, Python, C#) і різних контекстах (мобільна розробка, бекенд, десктоп), що створює величезну ефективність і знижує криву навчання.

Зменшення складності, покращення структури коду

Проекти мають тенденцію до зростання й ускладнення, що часто призводить до "спагеті-коду" — некерованої та заплутаної структури. Патерни допомагають контролювати цей процес. Вони діють як архітектурні роздільники, ізолюючи різні частини функціональності одна від одної (наприклад, патерн Strategy). Це робить систему менш вразливою до змін: зміна в одній частині коду з меншою ймовірністю викличе непередбачувані побічні ефекти в іншій. Так шаблони значно зменшують когнітивне навантаження на команду, зменшують імовірність помилок та покращують контрольованість проекту. 

Підвищення масштабованості

Багато патернів створені саме для того, щоб система могла легко розширюватися. Наприклад, Strategy чи Factory Method дають змогу безболісно додавати нову поведінку або типи об’єктів, не змінюючи основний код. Структурні патерни (Facade, Decorator, Adapter, Composite) сприяють створенню чіткої модульної структури та простоті додавання логіки. Навіть якщо система починалася як моноліт, патерни допомагають безболісно перейти до мікросервісів або модульної архітектури.

Впорядкування та стандартизація коду

Найважливіша перевага патернів у командній роботі — вони допомагають різним фахівцям та підрозділам говорити “однією мовою. Коли інженер говорить: "Тут нам потрібен патерн Observer", його колега одразу розуміє всю структуру, ролі класів (Subject, Observer) і мету цього рішення. Це дає важливі плюси: 

• Покращення комунікації. Нові члени команди швидше опановують структуру проекту, якщо вона побудована на знайомих патернах.

• Спрощення підтримки. Стандартизований код легше читати, дебажити та розширювати. Менше часу витрачається на з'ясування того, "що мав на увазі" програміст, і більше — на ефективну роботу.

Якісний рефакторинг

Коли код побудований за патернами, його легше аналізувати, виявляти проблемні місця та модифікувати без ризику порушити логіку всієї системи. Усталені шаблони допомагають уникати надмірної залежності між модулями, тому зміни в одному компоненті рідше спричиняють помилки в інших. Крім того, багато патернів — такі як Strategy, State, Command, Decorator — створені так, щоб поведінку або функціональність можна було винести в окремі класи.

Основні групи патернів проектування

Вже згадана вище "Банда Чотирьох" у своїй знаковій книзі про шаблони проектування ПЗ поділила їх на три основні категорії. Ця класифікація відображає основну мету, яку патерн вирішує в архітектурі: створення об'єктів, організація їхньої структури чи керування їхньою взаємодією.

• Породжувальні патерни (Creational) зосереджені на процесі створення об’єктів. Вони допомагають контролювати механізми інстанціювання та уникати надмірної залежності від конкретних класів. Породжувальні патерни роблять код більш гнучким і полегшують розширення системи, оскільки створення об’єктів відбувається централізовано й уніфіковано. До цієї групи належать такі патерни, як Singleton, Factory Method, Abstract Factory, Builder та Prototype.

• Структурні патерни (Structural) відповідають за те, як компоненти програми поєднуються між собою. Вони допомагають впорядковувати структуру класів та об’єктів, спрощують підтримку великих систем і дають змогу змінювати або розширювати функціональність без переписування існуючого коду. Серед найпоширеніших структурних патернів — Adapter, Composite, Decorator, Bridge та Facade.

• Поведенкові патерни (Behavioral) визначають моделі взаємодії між об’єктами та розподіл відповідальності між ними. Вони описують, як об’єкти спілкуються, реагують на зміни стану та виконують складні дії, не створюючи зайве зв’язування між компонентами. До поведенкових патернів належать Strategy, Observer, Command, State, Chain of Responsibility та інші.

Ці три групи охоплюють більшість повторюваних задач у програмуванні, даючи розробникам інструменти для побудови зрозумілих, гнучких і підтримуваних систем.

Найпоширеніші патерни проектування

Вище ми розібрали класифікацію шаблонів проектування та коротко згадали деякі з них. Наступний крок – розібрати найпоширеніші патерни, визначити їх суть та призначення.

Найпоширеніші породжувальні патерни

• Singleton. Гарантує, що у класа є лише один екземпляр у межах усього застосунку, і надає глобальну точку доступу до нього. Ідеально підходить для керування конфігураціями, логерами або підключеннями до баз даних, де потрібен лише один спільний ресурс.

• Factory Method. Визначає інтерфейс для створення об'єкта, але залишає рішення про те, який саме клас інстанціювати, підкласам. Забезпечує гнучке додавання нових типів продуктів без зміни основного клієнтського коду.

• Abstract Factory. Надає інтерфейс для створення сімейств взаємопов'язаних або залежних об'єктів. Найчастіше асоціюється із забезпеченням інкапсуляції, що є одним з ключових принципів об'єктно-орієнтованого програмування. 

• Builder. Відокремлює складний процес конструювання об'єкта від його фінального представлення. Це зручно для створення структур із великою кількістю параметрів або вкладених елементів (наприклад, конфігурація складної моделі автомобіля з різними опціями).

Найпоширеніші структурні патерни

• Adapter. Дозволяє об'єктам із несумісними інтерфейсами працювати разом, обертаючи один об'єкт у клас, який відповідає очікуваному інтерфейсу. Використовується для інтеграції сторонніх бібліотек або переходу на нові API без зміни існуючого коду.

• Facade. Надає єдиний, спрощений інтерфейс до складної підсистеми, що складається з багатьох класів. Це зменшує залежність клієнтського коду від внутрішньої реалізації підсистеми і робить її використання простішим.

• Decorator. Дозволяє динамічно розширювати функціональність об’єкта без зміни його основного класу. Використовується, коли потрібно додавати поведінку "на льоту" без створення великої ієрархії класів. 

Найпоширеніші поведінкові патерни

• Observer. Визначає залежність "один-до-багатьох". Коли один об'єкт (Subject) змінює свій стан, усі залежні об'єкти (Observers) автоматично сповіщаються. Часто використовується в архітектурі Model-View-Controller (MVC) або в реактивному програмуванні.

• Strategy. Визначає сімейство алгоритмів, інкапсулює кожен із них і робить їх взаємозамінними. Це дозволяє клієнту обирати потрібний алгоритм під час виконання без зміни коду, наприклад, різні алгоритми сортування чи різні способи оплати.

• Command. Інкапсулює запит як об'єкт, дозволяючи параметризувати клієнтів різними запитами, ставити їх у чергу, логувати або скасовувати. Типове застосування — реалізація функцій типу "undo/redo" або відкладених операцій.

Наведені патерни стали класикою об’єктно-орієнтованого проектування й залишаються актуальними у 2025 році, оскільки допомагають створювати чистіші, передбачуваніші та масштабовані рішення.

Недоліки патернів

Шаблони проектування програмного забезпечення – це незамінні інструменти у руках досвідченого розробника. Та як і будь-який інструмент, вони мають власні обмеження. Розуміння цих недоліків відрізняє зрілого інженера ПЗ від початківця. 

• Патерни можуть ускладнювати код (Over-engineering). Застосування складного патерну (Abstract Factory або Visitor) для розв'язання простої проблеми, яку можна було б розв'язати звичайним методом, призводить до “надмірного проектування”. Це збільшує обсяг коду та час, необхідний для його розуміння та підтримки.

• Шаблони вимагають досвіду та знань. Щоб правильно вибрати та реалізувати патерн, потрібен певний рівень інженерної зрілості. Неправильне застосування патерну може створити більше проблем, ніж вирішити. Наприклад, неправильно реалізований Singleton може спричинити проблеми з багатопоточністю.

• Патерни не завжди підходять для простих проєктів. У невеликих, монолітних проєктах або прототипах, де швидкість розробки є пріоритетом, використання патернів може бути невиправданою тратою часу. Впровадження Facade для підсистеми з двох класів не має сенсу.

• Ризик "шаблонного" мислення. Надмірне захоплення патернами може призвести до того, що розробники намагатимуться "підігнати" проблему під наявний патерн, замість того, щоб знайти найефективніше та найпростіше рішення. Шаблони не мають бути обмеженням для інженерної креативності. 

Коли застосовувати патерни проектування?

Отже патерни проектування — геть не той інструмент, який слід використовувати в кожному проєкті. Їхня цінність розкривається там, де є складність, необхідність у довготривалій підтримці та високі вимоги до масштабованості.

Мислення інженерними патернами слід розглядати як необхідність у таких випадках:

1. Проєкти з високими вимогами до гнучкості. Якщо бізнес-вимоги постійно змінюються, а система має бути відкритою до додавання нової функціональності без зміни наявного стабільного коду. Наприклад, патерн Strategy потрібен, коли система має підтримувати різні, але взаємозамінні алгоритми (логістичні розрахунки, варіації комісій, механізми валідації).
2. Системи з комплексним життєвим циклом об'єктів. Коли ініціалізація об'єктів стає складною, вимагає багатьох кроків, залежностей або вибору між різними типами об'єктів (наприклад, конфігурація з'єднання з базою даних або створення складного графічного елемента). Тут незамінні породжувальні патерни (Builder, Factory Method).
3. Необхідність мінімізації зв'язування (Decoupling). У великих розподілених системах, де багато компонентів повинні взаємодіяти, але не повинні знати про внутрішню будову один одного. Патерни, як-от Observer чи Mediator, забезпечують поліморфізм, чистоту комунікації та незалежність модулів.
4. Командна розробка та довгострокова підтримка. Якщо над кодом працює велика команда, або якщо передбачається, що проєкт житиме багато років, патерни забезпечують стандартизацію і полегшують онбординг нових розробників.

Як приклад, у нашому кейсі для книгарні КСД ми створили новий сучасний веб-портал та мобільний додаток із кастомним функціоналом. Книгарня продає продукти у різному форматі (друковані книги, eBooks), що мають у системі різні властивості. Крім того, мобільний додаток має нетипові фічі (онлайн-читалка для формату EPUB), у перспективі можлива поява і нового функціоналу. 

В цьому випадку йдеться про великий проєкт із тривалим життєвим циклом, що має перспективи масштабування та розвитку. Відтак розробники вдалися до патернів Factory Method (для базового керування форматами контенту), Decorator (для гнучкості в розширенні функціоналу) та Strategy (для реалізації обробки замовлення та оплати). 

Пошук технологій та рішень розробки потребує величезного досвіду та технічної зрілості. Понад те, він має бути унікальним для кожного проєкту. Якщо ви постали перед подібним вибором на шляху розвитку свого бізнесу – не шукайте відповіді самостійно, краще зверніться по консультацію до WEZOM. Наші фахівці поділяться власними кейсами та допоможуть підібрати технології під потреби саме вашого проєкту. 

FAQ