Frameworks no contexto do desenvolvimento de software

No desenvolvimento de software, um framework é uma estrutura de código que fornece uma base para o desenvolvimento de aplicativos de software. Ele inclui um conjunto de regras, protocolos e bibliotecas que permitem que os desenvolvedores criem softwares com mais facilidade e rapidez, fornecendo uma estrutura e arquitetura pré-construídas.

Quais são os usos dos Frameworks

Os frameworks de desenvolvimento de software podem ser usados para diferentes finalidades, como a criação de aplicativos da Web, aplicativos de desktop, aplicativos móveis ou APIs. Eles geralmente incluem código pré-escrito para recursos e funcionalidades comuns, como autenticação de usuário, integração de banco de dados, tratamento de requisições HTTP e validação de entrada de dados do usuário.

Frameworks também podem ser projetados para impor certas convenções e padrões de codificação, tornando mais fácil para os desenvolvedores trabalharem juntos e manterem a consistência em todo o projeto.

Alguns exemplos populares de frameworks de desenvolvimento de software incluem Laravel, Ruby on Rails, AngularJS, React, Django e Flask.

Por que usar Frameworks para desenvolver softwares

A motivação por trás da construção ou uso de um framework de desenvolvimento de software pode ser explicada pelas seguintes razões:

Reutilizar software não é simples:
Desenvolver software a partir do zero pode ser demorado, e a reutilização de componentes de software de projetos anteriores é muitas vezes difícil e não muito eficiente. Os frameworks fornecem uma solução para esse problema, oferecendo uma arquitetura e estrutura pré-criadas que podem ser reutilizadas em vários projetos.
A maioria dos esforços resulta apenas na reutilização de pequenos componentes:
Os desenvolvedores podem gastar muito tempo tentando reutilizar pequenos componentes de código, mas isso pode resultar em uma base de código fragmentada e inconsistente. Os frameworks oferecem uma solução mais abrangente, fornecendo um conjunto de códigos e convenções pré-escritos que garantem consistência e manutenção.
Aumentar a reutilização e diminuir o tempo de desenvolvimento de aplicações:
O uso de um framework pode aumentar significativamente a reutilização de código e design, o que, por sua vez, reduz o tempo necessário para a criação de uma família de aplicativos. Isso ocorre porque o framework fornece uma base reutilizável que pode ser personalizada para atender às necessidades específicas de cada aplicativo.
Framework fornece reutilização de design e código:
Os frameworks fornecem um conjunto de padrões de design e componentes de código pré-criados que podem ser usados em vários projetos, resultando em um desenvolvimento mais eficiente e consistente.
Reutilização em larga escala:
Frameworks permitem a reutilização em larga escala de código e design, pois são projetados para serem flexíveis e personalizáveis. Isso significa que os desenvolvedores podem usar uma estrutura para criar uma variedade de aplicativos com diferentes funcionalidades e requisitos, mantendo a consistência e a eficiência em todos os projetos.

Definições de frameworks

Um framework de desenvolvimento de software pode ser definido como a seguir:

Um framework é uma solução pré-criada que fornece um conjunto de classes e interfaces para ajudar os desenvolvedores a decompor e resolver uma família de problemas semelhantes. Ele demonstra como os objetos dentro dessas classes colaboram para cumprir suas responsabilidades. O conjunto de classes deve ser flexível e extensível, permitindo a construção de múltiplas aplicações com o mínimo de esforço. Os desenvolvedores precisam apenas especificar os recursos exclusivos de cada aplicativo, em vez de criar tudo, desde scratch.

Algumas explicações adicionais sobre as características dos frameworks são:

Os frameworks fornecem uma solução para uma família de problemas semelhantes:
Frameworks são projetados para resolver um conjunto específico de problemas relacionados, em vez de abordar um único problema. Ao fornecer uma solução pré-criada para uma família de problemas semelhantes, as estruturas podem economizar tempo e esforço dos desenvolvedores, pois eles não precisam criar tudo do zero.
Frameworks usam um conjunto de classes e interfaces para decompor a família de problemas:
Os frameworks são construídos sobre um conjunto de classes e interfaces que definem a estrutura e o comportamento do aplicativo. Isso permite que os desenvolvedores decomponham o problema em partes menores e mais gerenciáveis, que podem ser abordadas por meio do framework.
Frameworks demonstram como os objetos colaboram para cumprir suas responsabilidades:
Frameworks fornecem um conjunto de diretrizes e práticas recomendadas sobre como os objetos devem interagir uns com os outros para cumprir suas responsabilidades. Isso garante que o aplicativo resultante seja coeso e eficiente, com o mínimo de duplicação de esforços.
Os frameworks devem ser flexíveis e extensíveis:
Os frameworks devem ser flexíveis e extensíveis, o que significa que podem ser adaptadas para atender às necessidades específicas de cada aplicação. Isso permite que os desenvolvedores personalizem o framework para atender aos seus requisitos exclusivos, em vez de serem limitados pela solução pré-criada.
Frameworks permitem a construção de múltiplas aplicações com o mínimo de esforço:
Ao fornecer uma solução pré-criada para uma família de problemas semelhantes, os frameworks permitem que os desenvolvedores criem vários aplicativos com o mínimo de esforço. Isso reduz o tempo e o custo do desenvolvimento, mantendo a consistência e a eficiência em todos os aplicativos.
Ao usar frameworks, os desenvolvedores precisam apenas especificar os recursos exclusivos de cada aplicativo:
Os frameworks fornecem uma base para a criação de aplicativos, mas não são soluções completas em si mesmas. Os desenvolvedores ainda precisam especificar os recursos e requisitos exclusivos de cada aplicativo, mas podem fazê-lo dentro da estrutura, em vez de criar tudo do zero. Isso resulta em um desenvolvimento mais rápido e eficiente, com menos erros e inconsistências.

Definições formais de Frameworks de Desenvolvimento de Software

Estas são definições formais de estudiosos de engenharia de software para frameworks de desenvolvimento de software:

_“Um framework é um conjunto de classes que constituem um desenho abstrato para soluções para uma família de problemas.” _

Johnson e Foote (1988)

_“Um framework é um conjunto de objetos de colaboração que cumprem coletivamente um conjunto de responsabilidades para um domínio de aplicativo ou subsistema.” _

Johnson (1991) ·

_“Uma arquitetura desenvolvida com o objetivo de alcançar a máxima reutilização, representada como um conjunto de classes abstratas e concretas com grande potencial de especialização.” _

Mattsson (1996) ·

Classificação de Frameworks de Desenvolvimento de Software

Aqui está uma lista de alguns tipos ou classificações comuns de frameworks de desenvolvimento de software:

System Infrastructure Frameworks: Esses frameworks fornecem uma base pré-construída para o desenvolvimento da infraestrutura de um sistema de software, incluindo protocolos de comunicação, interfaces de usuário, compiladores e integração de middleware.
Enterprise Application Frameworks: Estes frameworks suportam o desenvolvimento de tipos específicos de aplicações, como telecomunicações ou sistemas financeiros. Eles são projetados para lidar com lógica de negócios complexa e geralmente estão relacionados a uma família de programas.
Web Application Frameworks: Esses frameworks são projetados especificamente para o desenvolvimento de aplicativos da Web e fornecem suporte para recursos relacionados à Web, como gerenciamento de sessão, segurança e integração de banco de dados.
Frameworks de Aplicativos Móveis: Esses frameworks fornecem suporte para o desenvolvimento de aplicativos móveis e são otimizadas para os recursos exclusivos de dispositivos móveis, como telas sensíveis ao toque e serviços baseados em localização.
Frameworks de Teste: Esses frameworks fornecem ferramentas e utilitários para testes automatizados de aplicativos de software. Eles podem ajudar os desenvolvedores a identificar e corrigir bugs e garantir que o aplicativo funcione como pretendido.
Frameworks de Desenvolvimento de Jogos: Esses frameworks fornecem suporte para o desenvolvimento de videogames e podem lidar com recursos como renderização de gráficos, simulação física e manipulação de entradas.
UI Frameworks: Esses frameworks fornecem componentes de interface de usuário pré-construídos e bibliotecas que podem ser usados para desenvolver aplicativos de desktop ou móveis.
Frameworks de Ciência de Dados: Esses frameworks fornecem ferramentas e bibliotecas para análise de dados, aprendizado de máquina e modelagem estatística.
Robotics Frameworks: Estes frameworks fornecem ferramentas e bibliotecas para o desenvolvimento de sistemas robóticos e algoritmos de controle.

Características esperadas em Frameworks de Desenvolvimento de Software

Os frameworks de desenvolvimento de software têm várias características que os tornam úteis e eficazes para a construção de aplicativos de software. Essas características são importantes porque ajudam a garantir que os aplicativos resultantes sejam reutilizáveis, bem documentados, fáceis de usar, extensíveis, seguros, eficientes e completos.

Reutilização: O objetivo de um framework de desenvolvimento de software é fornecer uma solução reutilizável para uma família de problemas. Isso significa que uma boa estrutura deve ser projetada com a reutilização em mente e deve ser utilizável em vários aplicativos e domínios. Para conseguir isso, o framework deve primeiro ser utilizável, o que significa que é fácil de entender e usar.
Bem documentado: Um framework bem documentado fornece orientação clara e concisa que explica como ser usado, seus recursos e suas APIs. Esta documentação deve estar prontamente disponível e ser de fácil compreensão, a fim de facilitar a adoção e a utilização do framework.
Fácil de usar: Um bom framework deve ser fácil de usar, mesmo para desenvolvedores que não são especialistas nas tecnologias subjacentes. Isso significa que o framework deve ter uma API simples e intuitiva, com documentação clara e concisa que explique como usá-lo.
Extensibilidade: Um framework deve ser extensível, o que significa que ele deve fornecer um conjunto de funcionalidades abstratas que podem ser estendidas e implementadas pelos desenvolvedores. Isso permite que os desenvolvedores personalizem o frameworks para atender às suas necessidades e requisitos específicos.
Segurança: Um framework deve ser seguro, o que significa que os desenvolvedores não devem ser capazes de destruir ou quebrar inadvertidamente o mesmo. Isso requer um design e implementação cuidadosos das APIs e recursos do framework.
Eficiência: Um framework deve ser eficiente, o que significa que deve ser otimizado para desempenho e uso de recursos. Isso é importante porque os frameworks são usados em muitas situações diferentes, algumas das quais podem exigir altos níveis de eficiência.
Completude: Um bom framework deve ser completo, o que significa que deve fornecer uma solução abrangente para o domínio do problema pretendido. Isso requer uma consideração cuidadosa dos recursos e capacidades que são necessários para resolver o domínio do problema de forma eficaz.
Inversão-de-Controle (IoC): Inversão-de-Controle é um princípio fundamental em frameworks de desenvolvimento de software, e refere-se à ideia de que o framework é responsável por controlar o fluxo de execução no aplicativo, em vez do próprio código do aplicativo. Isso permite que a estrutura forneça um modelo de programação consistente e previsível e possa simplificar o processo de desenvolvimento.

No geral, essas características são essenciais para projetar e implementar frameworks de desenvolvimento de software eficazes que possam ajudar os desenvolvedores a criar aplicativos de software confiáveis e de alta qualidade. Existem muitos artigos de pesquisa sobre frameworks de desenvolvimento de software que fornecem mais insights e melhores práticas para projetar e implementar frameworks eficazes, incluindo “Estruturas de Software: Uma Pesquisa Abrangente” por F. Buschmann et al., e “A Taxonomia de Estruturas de Desenvolvimento de Software” por M. Alshayeb et al.

Propriedades do Frameworks

As propriedades de um framework de desenvolvimento de software são essenciais para criar uma solução reutilizável, escalável e extensível para uma família de problemas. Essas propriedades ajudam a garantir que o framework seja flexível o suficiente para atender às necessidades de diferentes aplicativos e domínios, além de fornecer um modelo de programação consistente e previsível.

Core do framework: O núcleo de um framework de desenvolvimento de software é um conjunto de classes que trabalham juntas para implementar uma família de sistemas. Esse núcleo fornece a base para a estrutura e inclui a arquitetura fundamental e os padrões de design que definem seu comportamento.
Pontos de extensão: Pontos de extensão são classes ou interfaces que fornecem uma maneira de estender a funcionalidade do framework. Eles são definidos na forma de classes abstratas ou interfaces, e podem ser implementados por desenvolvedores para personalizar o comportamento da estrutura.
Controle de fluxo de aplicativos: Um framework de desenvolvimento de software define o fluxo de controle de um aplicativo, que é determinado pelo comportamento das classes que representam seu núcleo. Essas classes são responsáveis por invocar as classes que estendem os pontos de extensão, o que permite que o framework forneça um modelo de programação consistente e previsível.
Hot spots: Hot spots (pontos quentes) são partes flexíveis e extensíveis de um framework, e representam aspectos do domínio que não podem ser antecipados. Eles são descobertos durante a análise do domínio e são instanciados por especialistas em domínio no aplicativo. Os Hot Spots são cruciais para garantir que o framework seja personalizável e possa ser adaptado para atender às necessidades específicas de diferentes aplicações.
Frozen spots: Os Frozen spots (pontos congelados) são partes fixas do framework e não podem ser personalizadas. Eles incluem o núcleo da estrutura e as partes do código que já foram implementadas. Os frozen spots são importantes para garantir que a estrutura seja estável e confiável, e que forneça um modelo de programação consistente.

Usando frameworks para construir software

Frameworks de desenvolvimento de software são abstrações que fornecem um conjunto de componentes pré-construídos e padrões de design, você já sabe, eles são usados para resolver uma família de problemas.

É importante entender que essas estruturas não são não são elas mesmas aplicativos executáveis, mas sim fornecem uma base sobre a qual os aplicativos podem ser construídos. Para produzir um aplicativo completo e executável usando um framework, os desenvolvedores devem instanciar o framework implementando código específico para cada ponto de acesso na estrutura. Isso permite que o framework seja personalizado e adaptado para atender às necessidades específicas do aplicativo.

Para usar e personalizar frameworks para desenvolvimento de software, existem várias técnicas que os desenvolvedores podem empregar, incluindo extensão de classes abstratas, implementação de interfaces, configuração/composição de classes existentes e parametrização.

Extensão de classes abstratas: Uma técnica para personalizar um framework é estender as classes abstratas fornecidas pelo framework. Os pontos de extensão na estrutura fornecem uma maneira de estender a funcionalidade do framework e podem ser implementados estendendo as classes abstratas fornecidas. Ao estender essas classes, os desenvolvedores podem personalizar o comportamento do framework para atender às necessidades específicas do aplicativo.
Implementação de interfaces: Outra técnica para customizar um framework é implementar as interfaces fornecidas pelo framework. As interfaces definem um conjunto de métodos que devem ser implementados pelo código do aplicativo e podem ser usados para personalizar o comportamento do framework. Ao implementar as interfaces fornecidas pela estrutura, os desenvolvedores podem adicionar novas funcionalidades ao framework ou personalizar a funcionalidade existente.
Configuração/composição de classes existentes: Uma terceira técnica para personalizar um framework é configurar ou compor classes existentes fornecidas pelo framework. Os frozen spots na estrutura representam partes do framework que são fixas e não podem ser personalizadas, mas essas classes ainda podem ser usadas para criar o aplicativo. Ao configurar ou compor essas classes, os desenvolvedores podem criar uma funcionalidade personalizada que aproveita a funcionalidade existente fornecida.
Parametrização: Finalmente, a parametrização é uma técnica para personalizar um framework, fornecendo parâmetros configuráveis que podem ser usados para personalizar o comportamento do framework. Esses parâmetros podem ser usados para alterar o comportamento da estrutura em tempo de execução, sem exigir alterações no código subjacente. A parametrização é uma técnica poderosa para personalizar frameworks, pois permite que os desenvolvedores criem aplicativos altamente flexíveis e personalizáveis que podem ser adaptados para atender a uma ampla gama de necessidades.

No geral, essas técnicas permitem que os desenvolvedores personalizem e estendam a funcionalidade dos frameworks de desenvolvimento de software para atender às necessidades específicas de seus aplicativos. Aproveitando os pontos de extensão, pontos de acesso e frozen spots fornecidosestrutura, os desenvolvedores podem criar aplicativos confiáveis e de alta qualidade que aproveitam a funcionalidade subjacente da estrutura, ao mesmo tempo em que atendem às necessidades específicas do aplicativo.

Tipos de frameworks baseados na implementação do Hot Spot

Os frameworks podem ser classificados com base na estratégia que usam para implementar hot spots. Os três principais tipos de estruturas são white box (caixa branca), black box (caixa preta) e gray box (caixa cinza).

White box frameworks: estão fortemente ligados aos recursos de linguagens orientadas a objetos e dependem de herança e classes abstratas para instanciar pontos de acesso. Esse tipo de estrutura requer uma boa compreensão do framework para criar uma instância e, normalmente, usa padrões de design, como template method e abstract factory. Os frameworks de caixa branca fornecem um alto grau de personalização, mas exigem um investimento significativo de tempo e esforço para serem implementadas.
Black box frameworks: são instanciados a partir de scripts ou alguma forma de configuração, como XML ou um assistente gráfico. Esse tipo de framework é baseado no mecanismo de composição e não requer uma compreensão profunda dos detalhes internos para criar uma instância. As estruturas de caixa preta são fáceis de usar e fornecem um alto nível de abstração, mas podem não ter flexibilidade e extensibilidade.
Gray box frameworks: são uma mistura de personalização por herança e composição/configuração, e visam evitar as desvantagens dos frameworks white box e black box. Esse tipo de estrutura fornece um alto grau de flexibilidade e extensibilidade, além de permitir que os desenvolvedores escondam informações desnecessárias dos desenvolvedores de aplicativos. Os frameworks de caixa cinza são altamente personalizáveis e podem ser adaptadas para atender às necessidades específicas de uma ampla gama de aplicativos.

Considerações finais

Em resumo, os frameworks de desenvolvimento de software são uma ferramenta poderosa para a criação de aplicativos de software escaláveis, flexíveis e extensíveis. Essas estruturas fornecem um conjunto de soluções pré-criadas para problemas comuns, permitindo que os desenvolvedores se concentrem nos requisitos específicos do aplicativo, em vez dos detalhes de implementação subjacentes.

Existem vários tipos de frameworks de desenvolvimento de software, incluindo frameworks de infraestrutura de sistema, frameworks de aplicativos corporativos e frameworks de aplicativos da Web, cada uma com seu próprio conjunto de benefícios e casos de uso.

Para usar e personalizar efetivamente um framework, os desenvolvedores devem entender seu conjunto principal de classes, pontos de extensão, pontos de acesso e frozen spots e empregar técnicas como extensão de classes abstratas, implementação de interfaces, configuração/composição de classes existentes e parametrização.

Finalmente, o tipo de framework escolhido dependerá das necessidades específicas do aplicativo e da experiência da equipe de desenvolvimento, com frameworks de caixa branca fornecendo alta personalização, frameworks de caixa preta fornecendo soluções rápidas e frameworks de caixa cinza fornecendo um equilíbrio entre flexibilidade e simplicidade. Ao aproveitar o poder dos frameworks de desenvolvimento de software, os desenvolvedores podem criar aplicativos confiáveis e de alta qualidade que atendam às necessidades dos usuários e partes interessadas, além de agregar valor aos negócios.