1. Pattern là gì?

Trước khi đi sâu vào thuật ngữ kỹ thuật, hãy bắt đầu với một câu hỏi đơn giản: Pattern là gì? Hiểu một cách nôm na, pattern (mẫu) là một giải pháp lặp đi lặp lại cho một vấn đề thường xuyên xảy ra trong một bối cảnh nhất định. Nó không phải là một đoạn code cụ thể, mà là một ý tưởng, một mô tả hoặc một khuôn mẫu về cách giải quyết vấn đề đó một cách hiệu quả.

Bạn có thể thấy pattern ở khắp mọi nơi trong cuộc sống. Khi nấu một món ăn, bạn làm theo công thức, đó là một pattern. Khi xây một ngôi nhà, kiến trúc sư tuân theo các bản vẽ thiết kế đã được chuẩn hóa, đó cũng là một pattern.

Tương tự, trong kỹ thuật phần mềm, khi các lập trình viên đối mặt với những bài toán quen thuộc như quản lý kết nối cơ sở dữ liệu hay tạo một đối tượng phức tạp, họ cũng tìm đến những "công thức" đã được chứng minh là hiệu quả. Những "công thức" này chính là nền tảng cho sự ra đời của design pattern.

Hiểu một cách nôm na, pattern (mẫu) là một giải pháp lặp đi lặp lại cho một vấn đề thường xuyên xảy ra

2. Design Pattern là gì?

Khi đã hiểu pattern là gì, việc tiếp cận design pattern là gì sẽ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Design Pattern (mẫu thiết kế) là các giải pháp tổng quát, đã được kiểm nghiệm và tối ưu hóa cho các vấn đề phổ biến trong thiết kế phần mềm.

Chúng giống như những bản thiết kế chi tiết mà các kỹ sư phần mềm có thể tùy chỉnh để giải quyết các bài toán cụ thể trong dự án của mình. Design pattern không phải là một ngôn ngữ lập trình, một framework hay một thư viện, mà là một tập hợp các kinh nghiệm, các "best practice" được đúc kết bởi cộng đồng lập trình viên trên toàn thế giới.

Vậy tại sao design pattern lại quan trọng đến vậy? Hãy tưởng tượng bạn phải xây dựng một hệ thống phức tạp mà không có bất kỳ bản vẽ hay quy chuẩn nào. Bạn sẽ phải tự mình mò mẫm, thử và sai, tốn rất nhiều thời gian và công sức.

Design pattern cung cấp cho chúng ta một ngôn ngữ chung và những giải pháp đã được chứng thực. Nó giúp các lập trình viên giao tiếp hiệu quả hơn, tránh "phát minh lại bánh xe", và xây dựng được những hệ thống linh hoạt, dễ bảo trì và có khả năng mở rộng vượt trội.

Sự khác biệt cốt lõi giữa pattern thông thường và design pattern nằm ở tính chính quy và sự công nhận: design pattern là những pattern đã được định nghĩa, đặt tên, và hệ thống hóa một cách bài bản.

BẠn đọc tham khảo thêm: 

Credential là gì? Tầm quan trọng của credential trong công nghệ

Lập trình nhúng là gì? Những kỹ năng cần có của một kỹ sư lập trình

3. Các loại Design Pattern chính

Design Pattern (mẫu thiết kế) là các giải pháp tổng quát, đã được kiểm nghiệm và tối ưu hóa cho các vấn đề phổ biến

Ba nhóm design pattern bao gồm: Creational (khởi tạo), Structural (cấu trúc), và Behavioral (hành vi). Các phân loại có đặc điểm cụ thể như sau:

3.1. Creational Pattern (Mẫu khởi tạo)

Creational Pattern là nhóm các mẫu thiết kế tập trung vào quá trình khởi tạo đối tượng. Mục tiêu của chúng là làm cho việc tạo đối tượng trở nên linh hoạt và độc lập hơn với hệ thống. Thay vì khởi tạo đối tượng một cách trực tiếp bằng toán tử new, các mẫu này cung cấp nhiều cơ chế khác nhau để kiểm soát quá trình này, giúp giảm sự phụ thuộc và tăng khả năng tái sử dụng code.

Dưới đây là một số mẫu Creational Pattern phổ biến và quyền năng nhất mà bất kỳ lập trình viên nào cũng nên biết:

• Singleton: Đảm bảo rằng một lớp chỉ có duy nhất một thể hiện (instance) và cung cấp một điểm truy cập toàn cục đến thể hiện đó. Nó thường được dùng để quản lý các tài nguyên chia sẻ như kết nối database, file logger.
• Factory Method: Định nghĩa một giao diện (interface) để tạo đối tượng, nhưng để các lớp con quyết định lớp nào sẽ được khởi tạo. Mẫu này cho phép một lớp ủy quyền việc khởi tạo cho các lớp con của nó.
• Abstract Factory: Cung cấp một giao diện để tạo ra các họ đối tượng có liên quan hoặc phụ thuộc lẫn nhau mà không cần chỉ định các lớp cụ thể của chúng. Ví dụ, tạo ra một bộ giao diện người dùng (UI Kit) cho Windows hoặc macOS.
• Builder: Tách biệt quá trình xây dựng một đối tượng phức tạp khỏi biểu diễn của nó. Mẫu này cho phép bạn tạo ra các biểu diễn khác nhau của cùng một đối tượng bằng cách sử dụng cùng một quy trình xây dựng.
• Prototype: Cho phép tạo ra các đối tượng mới bằng cách sao chép (cloning) một đối tượng đã tồn tại, được gọi là "nguyên mẫu". Mẫu này hữu ích khi chi phí tạo đối tượng mới theo cách thông thường quá tốn kém.

Creational Pattern là nhóm các mẫu thiết kế tập trung vào quá trình khởi tạo đối tượng

3.2. Structural Pattern (Mẫu cấu trúc)

Nếu Creational Pattern tập trung vào "cách tạo ra đối tượng", thì Structural Pattern lại quan tâm đến "cách tổ chức và kết hợp các đối tượng". Nhóm mẫu thiết kế này giải quyết bài toán làm thế nào để liên kết các lớp và đối tượng lại với nhau để tạo thành các cấu trúc lớn hơn, phức tạp hơn nhưng vẫn đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả.

Hãy cùng điểm qua những mẫu Structural Pattern tiêu biểu, được ví như những cây cầu nối vững chắc trong kiến trúc phần mềm:

• Adapter: Cho phép các giao diện không tương thích có thể làm việc cùng nhau. Nó hoạt động như một bộ chuyển đổi, giúp một lớp có thể sử dụng được bởi một client mong đợi một giao diện khác.
• Composite: Tổ chức các đối tượng theo cấu trúc cây để biểu diễn các hệ thống phân cấp bao gồm cả đối tượng đơn lẻ và đối tượng bao hàm. Mẫu này cho phép client đối xử với các đối tượng riêng lẻ và các thành phần phức hợp một cách thống nhất.
• Proxy: Cung cấp một đối tượng thay thế hoặc một "placeholder" cho một đối tượng khác để kiểm soát quyền truy cập vào nó. Proxy thường được dùng để triển khai lazy loading, kiểm soát truy cập, hoặc logging.
• Decorator: Cho phép thêm các chức năng mới vào một đối tượng một cách linh hoạt mà không cần thay đổi mã nguồn của lớp đó. Mẫu này hoạt động như một "lớp vỏ bọc" bao quanh đối tượng gốc.
• Facade: Cung cấp một giao diện đơn giản và thống nhất cho một tập hợp các giao diện phức tạp trong một hệ thống con. Facade giúp che giấu sự phức tạp của hệ thống và cung cấp một cách sử dụng dễ dàng hơn cho client.
• Bridge: Tách một khái niệm trừu tượng khỏi việc triển khai của nó để cả hai có thể thay đổi một cách độc lập. Mẫu này đặc biệt hữu ích khi cả lớp trừu tượng và lớp triển khai đều có thể mở rộng theo nhiều chiều.
• Flyweight: Giảm số lượng đối tượng được tạo ra bằng cách chia sẻ các đối tượng có trạng thái chung. Mẫu này được sử dụng để tiết kiệm bộ nhớ khi ứng dụng cần tạo ra một số lượng lớn các đối tượng tương tự nhau.

Structural Pattern lại quan tâm đến "cách tổ chức và kết hợp các đối tượng"

3.3. Behavioral Pattern (Mẫu hành vi)

Nhóm này tập trung vào việc quản lý các thuật toán và sự phân công trách nhiệm, cũng như cách thức giao tiếp và tương tác giữa các đối tượng. Chúng không chỉ mô tả cấu trúc của các lớp hay đối tượng mà còn mô tả các mẫu giao tiếp giữa chúng. Các mẫu này giúp đảm bảo các đối tượng có thể hợp tác với nhau một cách lỏng lẻo (loosely coupled) và hiệu quả.

Các mẫu hành vi là công cụ mạnh mẽ để quản lý luồng logic và sự phức tạp trong ứng dụng của bạn. Dưới đây là những cái tên nổi bật:

• Observer: Định nghĩa một mối quan hệ phụ thuộc một-nhiều giữa các đối tượng. Khi một đối tượng (subject) thay đổi trạng thái, tất cả các đối tượng phụ thuộc (observers) sẽ được thông báo và tự động cập nhật.
• Strategy: Cho phép định nghĩa một họ các thuật toán, đóng gói từng thuật toán lại, và làm cho chúng có thể hoán đổi cho nhau. Mẫu này cho phép client chọn một thuật toán để sử dụng tại thời điểm chạy.
• Command: Đóng gói một yêu cầu dưới dạng một đối tượng, qua đó cho phép tham số hóa các client với các yêu cầu khác nhau, sắp xếp hoặc ghi lại các yêu cầu, và hỗ trợ các thao tác có thể hoàn tác.
• State: Cho phép một đối tượng thay đổi hành vi của nó khi trạng thái nội tại của nó thay đổi. Đối tượng sẽ trông như thể nó đã thay đổi lớp của mình.
• Template Method: Định nghĩa bộ khung của một thuật toán trong một phương thức của lớp cha và cho phép các lớp con định nghĩa lại một số bước của thuật toán đó mà không làm thay đổi cấu trúc của thuật toán.
• Visitor: Cho phép bạn thêm các hành động mới vào một cấu trúc đối tượng hiện có mà không cần sửa đổi các lớp của các đối tượng đó.
• Mediator: Định nghĩa một đối tượng trung gian để đóng gói cách một tập hợp các đối tượng tương tác với nhau. Mẫu này thúc đẩy sự kết nối lỏng lẻo bằng cách giữ các đối tượng không tham chiếu trực tiếp đến nhau.

Các mẫu hành vi là công cụ mạnh mẽ để quản lý luồng logic và sự phức tạp trong ứng dụng của bạn

4. Ưu điểm khi sử dụng Design Pattern

Dưới đây là những ưu điểm vượt trội mà design pattern mang lại, giúp nâng tầm chất lượng code và dự án của bạn:

• Tái sử dụng mã nguồn (Code Reusability): Các mẫu thiết kế cung cấp các giải pháp đã được kiểm chứng, cho phép bạn tái sử dụng chúng trong nhiều dự án khác nhau mà không cần phải viết lại từ đầu.
• Dễ bảo trì và mở rộng hệ thống (Maintainability & Scalability): Code được viết theo các chuẩn design pattern thường có cấu trúc rõ ràng, mạch lạc, giúp việc tìm lỗi, sửa chữa và thêm tính năng mới trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
• Chuẩn hóa cách viết code (Standardization): Khi cả đội nhóm cùng tuân theo một bộ các mẫu thiết kế chung, code của dự án sẽ trở nên đồng nhất. Điều này giúp các thành viên mới dễ dàng tiếp cận và hiểu được logic của hệ thống.
• Tăng khả năng hợp tác trong nhóm (Improved Collaboration): Design pattern cung cấp một vốn từ vựng chung cho các lập trình viên. Thay vì phải giải thích một giải pháp phức tạp, bạn chỉ cần nói "Hãy dùng Singleton ở đây" hoặc "Chúng ta nên áp dụng Strategy Pattern cho chức năng này".

5. Khi nào nên áp dụng Design Pattern?

Mặc dù design pattern mang lại rất nhiều lợi ích, nhưng điều quan trọng là phải biết áp dụng chúng một cách đúng đắn và đúng thời điểm. Việc lạm dụng hoặc áp dụng sai mẫu thiết kế có thể dẫn đến tình trạng "over-engineering", làm cho hệ thống trở nên phức tạp một cách không cần thiết. Vì vậy, câu hỏi "Khi nào nên dùng?" cũng quan trọng không kém câu hỏi "design pattern là gì?".

Thông thường, design pattern phát huy hiệu quả tốt nhất trong các trường hợp sau:

• Dự án lớn và phức tạp: Với các hệ thống có quy mô lớn, nhiều module và logic nghiệp vụ phức tạp, việc áp dụng design pattern ngay từ đầu sẽ giúp định hình một kiến trúc bền vững.
• Dự án có nhiều lập trình viên tham gia: Design pattern tạo ra một ngôn ngữ chung và quy chuẩn code, giúp cả đội làm việc một cách nhất quán và hiệu quả.
• Hệ thống yêu cầu khả năng mở rộng cao: Khi bạn dự đoán rằng hệ thống sẽ cần thêm nhiều tính năng trong tương lai, việc sử dụng các mẫu thiết kế phù hợp sẽ giúp quá trình này diễn ra suôn sẻ hơn.

Ngược lại, với các dự án nhỏ, các script đơn giản hoặc các ứng dụng chỉ có mục đích thử nghiệm (prototype), việc cố gắng áp đặt các design pattern phức tạp có thể là không cần thiết và gây tốn thời gian.

Lời khuyên ở đây là hãy bắt đầu với giải pháp đơn giản nhất (Keep It Simple, Stupid - KISS). Chỉ áp dụng design pattern khi bạn nhận thấy một vấn đề cụ thể mà mẫu đó có thể giải quyết một cách hiệu quả. Đừng sử dụng chúng chỉ vì "trông chuyên nghiệp hơn".

Hy vọng qua bài viết chi tiết này, bạn đã có câu trả lời thỏa đáng cho pattern là gì và tầm quan trọng của design pattern. Áp dụng chúng một cách khôn ngoan sẽ giúp code của bạn sạch hơn, hiệu quả hơn và dễ bảo trì hơn, mở ra con đường trở thành lập trình viên chuyên nghiệp.