Wie Clean Architecture häufige Heraus­forder­ungen bei der Software­entwicklung löst

Clean Architecture ist eines von mehreren Architekturentwurfsmustern zur Entwicklung nachhaltiger und anpassungsfähiger Softwaresysteme. Es verfolgt ähnliche Ziele wie andere Entwurfsmuster, wie bspw. Onion Architecture, Hexagonal Architecture und architektonischen Stilen wie Domain-Driven Design (DDD), bietet dabei aber seine eigene Perspektive auf das Software-Design. Obwohl es bei komplexen Projekten sehr leistungsfähig ist, sollte die Entscheidung für Clean Architecture wohlüberlegt sein, da es bei kleineren oder einfacheren Projekten unnötige Komplexität einführen könnte.

In diesem Beitrag wird gezeigt, wie Clean Architecture bei korrekter Implementierung häufige Herausforderungen in der Softwareentwicklung effektiv löst.

Durch das durchdachte architektonische Design und die Trennung der Zuständigkeiten in verschiedene Schichten, wobei jede Schicht spezifische Verantwortlichkeiten hat, ermöglicht Clean Architecture die Entwicklung von wartbarer, testbarer Software, die sich leicht an Veränderungen anpassen lässt.
Der größte Vorteil des Clean Architecture Patterns ist, dass es die zentrale Geschäftslogik von externen Änderungen und Abhängigkeiten isoliert, seien es Bibliotheken, Frameworks oder andere Systemkomponenten. Dank dieser Isolation der Kerngeschäftslogik haben Änderungen an externen Elementen oder die Einführung neuer Abhängigkeiten keine Auswirkungen auf die wesentliche Geschäftsfunktionalität des Systems. Dies macht die Software robuster und einfacher zu warten.

Bei der Entscheidung für Clean Architecture ist es wichtig, die spezifischen Anforderungen und Rahmenbedingungen des Projekts zu bewerten. Auch wenn es viele Vorteile für komplexe Systeme bietet, erfordert es eine vorausschauende Planung und ein tiefes Verständnis von Software-Design-Prinzipien. Bei Projekten mit engen Zeitplänen oder begrenzten Ressourcen kann ein einfacherer Ansatz angemessener sein. Für große und komplexe Systeme, bei denen langfristige Wartbarkeit und Anpassungsfähigkeit Priorität haben, kann Clean Architecture jedoch eine gute Wahl sein.

Clean Architecture war auch das Thema eines Vortrags, den ich 2023 auf der Konferenz code.talks gehalten habe. Der Vortrag ist auf YouTube verfügbar; Sie finden ihn, indem Sie auf diesen Link klicken: https://www.youtube.com/watch?v=v3HkasWQppk

Häufige Heraus­forder­ungen in der Software­entwicklung

Im Verlauf eines Softwareprojekts können verschiedene Probleme auftreten, die erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklungseffizienz und Wartbarkeit des Systems haben können. In unserem Blogbeitrag Die vielschichtigen Probleme der Softwareentwicklung haben wir diese Probleme bereits diskutiert. Einige dieser Probleme sind:

• Enge Kopplung: Komponenten werden stark voneinander abhängig.
• Skalierbarkeitsprobleme: Systeme haben Schwierigkeiten, mit steigender Last umzugehen.
• Komplexität beim Testen: Umfassendes Testen wird zunehmend schwieriger.
• Code-Duplikation: Ähnlicher Code taucht in verschiedenen Projektteilen auf, was zu erhöhtem Wartungsaufwand führt.
• Inkonsistenzen: Verschiedene Teile des Systems folgen unterschiedlichen Design-Prinzipien.
• Schwierigkeiten bei der Migration: Probleme bei der Einführung neuer Plattformen oder Frameworks.
• Reduzierte Wartbarkeit: Die Codebasis wird mit der Zeit schwer zu aktualisieren oder zu korrigieren.
• Mangelnde Flexibilität: Das System lässt sich nur schwer an neue Anforderungen anpassen.

Clean Architecture bietet mit seinem strukturierten Ansatz klare Richtlinien für die Organisation von Code und das Management von Abhängigkeiten. Durch seine Prinzipien adressiert es die oben genannten Probleme. Im folgenden Abschnitt werden wir uns ansehen, wie diese Probleme durch die Anwendung von Clean Architecture gelöst werden können.

Wie Clean Architecture diese Heraus­forder­ungen löst

Enge Kopplung

Clean Architecture fördert eine klare Trennung der Zuständigkeiten und verwendet Interfaces, um die verschiedenen Systemschichten zu entkoppeln. Durch die Etablierung klarer Grenzen zwischen den verschiedenen Schichten und die Förderung von Dependency Injection hilft Clean Architecture dabei, zu verhindern, dass Komponenten stark voneinander abhängig oder eng gekoppelt werden. Dies macht das System modularer und flexibler.

Betrachten wir folgendes Beispiel. Der OrderService und der PaymentService sind eng miteinander gekoppelt, was es schwierig macht, die Zahlungsverarbeitungslogik zu ändern, ohne den OrderService zu modifizieren.

// Ursprünglicher eng gekoppelter Code
class PaymentService {
  processPayment(order: Order) {
    // Zahlungsverarbeitungslogik
  }
}

class OrderService {
  private paymentService = new PaymentService()

  placeOrder(order: Order) {
    this.paymentService.processPayment(order)
  }
}

Wir können dies verbessern und die Komponenten durch die Einführung eines Interfaces und Dependency Injection entkoppeln:

// Schritt 1: Interface erstellen
interface IPaymentService {
  processPayment(order: Order): void;
}

// Schritt 2: Interface implementieren
class PaymentService implements IPaymentService {
  processPayment(order: Order) {
    // Zahlungsverarbeitungslogik
  }
}

// Schritt 3: Dependency Injection verwenden
class OrderService {
  constructor(private paymentProcessor: IPaymentService) {}

  placeOrder(order: Order) {
    this.paymentProcessor.processPayment(order)
  }
}

Skalierbarkeits­probleme

Das modulare Design von Clean Architecture hilft dabei, eine steigende Systemlast durch unabhängige Skalierung von Komponenten zu bewältigen. Wenn die Komponenten richtig isoliert sind, können wir bestimmte Systemteile optimieren oder skalieren, ohne andere zu beeinflussen.

Betrachten wir diesen datenbankabhängigen Service als Beispiel:

class UserService {
  private database: Database

  getAllUsers() {
    return this.database.query('SELECT * FROM users')
  }
}

Wir können die Skalierbarkeit durch die Einführung eines Repository Patterns und einer Caching-Schicht verbessern:

interface IUserRepository {
  getAllUsers(): Promise<User[]>
}

class CachingUserRepository implements IUserRepository {
  constructor(
    private database: Database,
    private cache: Cache
  ) {}

  async getAllUsers(): Promise<User[]> {
    const cached = await this.cache.get('users')
    if (cached) return cached

    const users = await this.database.query('SELECT * FROM users')
    await this.cache.set('users', users)
    return users
  }
}

Das Repository Pattern mit Caching reduziert die Datenbankauslastung, indem häufig abgerufene Daten aus dem Speicher bereitgestellt werden. Gleichzeitig ermöglicht es die unabhängige Skalierung von Cache- und Datenbankschichten, um eine steigende Anzahl gleichzeitiger Benutzer zu bewältigen.

Komplexität beim Testen

Die Trennung der Zuständigkeiten in Clean Architecture macht das Testen deutlich einfacher. Durch die Isolierung der Komponenten können wir die Geschäftslogik unabhängig von externen Abhängigkeiten testen.

Betrachten wir den folgenden Authentication Service, der eng mit seinen Abhängigkeiten gekoppelt ist, was das isolierte Testen erschwert:

class AuthService {
  private databaseService = new DatabaseService()
  private mailerService = new MailerService()

  login(username: string, password: string): boolean {
    // Komplexe Authentifizierungslogik vermischt mit externen Abhängigkeiten
  }
}

Wir können die Testbarkeit durch die Anwendung von Clean Architecture Prinzipien verbessern. Durch die Verwendung von Interfaces und Dependency Injection können wir Abhängigkeiten mocken und den User-Login einfach isoliert testen:

// Domain Layer
interface IAuthProvider {
  authenticate(username: string, password: string): boolean
}

// Use Case Layer
class LoginUseCase {
  constructor(private authProvider: IAuthProvider) {}

  execute(username: string, password: string): boolean {
    return this.authProvider.authenticate(username, password)
  }
}

// Implementation Layer
class RealAuthProvider implements IAuthProvider {
  constructor(
    private databaseService: DatabaseService,
    private mailerService: MailerService
  ) {}

  authenticate(username: string, password: string): boolean {
    // Verwendung von databaseService und mailerService zur
    // Validierung des Users und Versand einer Login-Benachrichtigung
  }
}

// Test Implementation
class MockAuthProvider implements IAuthProvider {
  authenticate(username: string, password: string): boolean {
    return username === 'test' && password === 'password'
  }
}

// Unit test
test('should successfully login-in user', () => {
  const authProvider = new MockAuthProvider()
  const loginUseCase = new LoginUseCase(authProvider)

  const result = loginUseCase.execute('username', 'password')

  expect(result).toBeTruthy()
})

Code-­Duplikation

Clean Architecture reduziert Code-Duplikation durch die Durchsetzung klarer Grenzen zwischen Systemkomponenten mittels Interfaces und Dependency Rules. Jede Komponente hat eine einzelne, klar definierte Verantwortlichkeit. Gemeinsam genutzte Funktionalitäten können in wiederverwendbare Module innerhalb der entsprechenden Schichten abstrahiert werden.

Betrachten wir dieses Beispiel von dupliziertem Code, bei dem wir duplizierten Datenzugriff in mehreren Services haben:

class UserService {
  async getUser(id: string) {
    const response = await fetch(`/api/users/${id}`);
    return response.json();
  }
}

class OrderService {
  async getUserOrders(id: string) {
    // Duplizierter User-Abruf
    const response = await fetch(`/api/users/${id}`);
    const user = await response.json();
    return user.orders;
  }
}

Durch die Anwendung der Clean Architecture Prinzipien können wir diese Duplikation eliminieren:

interface IUserRepository {
  getUser(id: string): Promise<User>;
}

class UserRepository implements IUserRepository {
  async getUser(id: string): Promise<User> {
    const response = await fetch(`/api/users/${id}`);
    return response.json();
  }
}

class UserService {
  constructor(private userRepository: IUserRepository) {}

  async getUser(id: string) {
    return this.userRepository.getUser(id);
  }
}

class OrderService {
  constructor(private userRepository: IUserRepository) {}

  async getUserOrders(id: string) {
    const user = await this.userRepository.getUser(id);
    return user.orders;
  }
}

Durch die Definition eines Vertrags über das UserRepository Interface und dessen Implementierung an einer einzigen Stelle eliminieren wir Code-Duplikationen und behalten gleichzeitig die Trennung der Zuständigkeiten bei.

Inkonsis­tenzen

Clean Architecture hilft, Inkonsistenzen durch einheitliche Muster und Design-Prinzipien zu vermeiden. Ein kohärentes System gruppiert zusammengehörige Funktionalitäten und hält nicht verwandten Code getrennt, wobei einheitliche Muster über alle Schichten hinweg befolgt werden. Das bedeutet, dass zusammengehörige Code-Elemente in Module mit klaren Zielen organisiert werden - zum Beispiel gehört der gesamte Benutzer-Authentifizierungscode zusammen, während die Zahlungsverarbeitungslogik in ihrem eigenen Modul lebt. Diese hohe Kohäsion macht unseren Code verständlicher und wartbarer, während sie verstreute, widersprüchliche Implementierungen im System verhindert.

Betrachten wir ein Beispiel für inkonsistente Fehlerbehandlung und Validierung in verschiedenen Use Cases:

class ProcessOrderUseCase {
  execute(order: Order) {
    if (!order.items) {
      throw new Error('Invalid order')
    }
    // Bestellung verarbeiten
  }
}

class HandlePaymentUseCase {
  execute(payment: Payment) {
    if (!payment.amount) {
      return { success: false, message: 'Missing amount' }
    }
    // Zahlung verarbeiten
  }
}

Wir können die Konsistenz durch einen standardisierten Ansatz verbessern:

type ValidationResult = { isValid: boolean; errors: string[]; }

abstract class UseCase<Input, Output> {
  async execute(input: Input): Promise<Output> {
    const validationResult = await this.validate(input)
    if (!validationResult.isValid) {
      throw new ValidationError(validationResult.errors)
    }
    return this.handle(input)
  }

  abstract validate(input: Input): Promise<ValidationResult>
  abstract handle(input: Input): Promise<Output>
}

class ProcessOrderUseCase extends UseCase<Order, void> {
  async validate(order: Order): Promise<ValidationResult> {
    if (!order.items) {
      return { isValid: false, errors: ['Order must have items'] }
    }
    return { isValid: true, errors: [] }
  }

  async handle(order: Order): Promise<void> {
    // Bestellungsverarbeitungslogik
  }
}

class HandlePaymentUseCase extends UseCase<Payment, void> {
  async validate(payment: Payment): Promise<ValidationResult> {
    if (!payment.amount) {
      return { isValid: false, errors: ['Payment must have amount'] }
    }
    return { isValid: true, errors: [] }
  }

  async handle(payment: Payment): Promise<void> {
    // Zahlungsverarbeitungslogik
  }
}

Schwie­rigkeiten bei der Mi­gration

Das modulare Design von Clean Architecture vereinfacht die Migration zwischen verschiedenen Technologien, die dem gleichen Zweck dienen. Durch die Kapselung externer Abhängigkeiten können wir Implementierungen mit minimalen Auswirkungen auf die Kernanwendung austauschen.

Betrachten wir zum Beispiel die Migration von einer Datenbanktechnologie zu einer anderen:

// Domain Layer (Interfaces)
interface IUserRepository {
  getById(id: string): Promise<User>;
}

// Interface Adapters Layer
class SqlUserRepository implements IUserRepository {
  async getById(id: string): Promise<User> {
    // SQL-spezifische Implementierung
  }
}

class NoSqlUserRepository implements IUserRepository {
  async getById(id: string): Promise<User> {
    // NoSQL-spezifische Implementierung
  }
}

// Use Case Layer
class GetUserByIdUseCase {
  constructor(private userRepository: IUserRepository) {}

  async execute(id: string): Promise<User> {
    return this.userRepository.getById(id)
  }
}

Wir können problemlos zwischen den SQL- und NoSQL-Implementierungen wechseln, ohne den Use Case zu beeinflussen.

Reduzierte Wartbarkeit

Die klare Trennung der Zuständigkeiten und das modulare Design von Clean Architecture verbessert die Wartbarkeit des Systems. Entwickler können sich bei der Behebung von Fehlern oder der Implementierung von Verbesserungen auf bestimmte Schichten konzentrieren, wodurch das Risiko neuer Fehler oder unbeabsichtigter Nebeneffekte reduziert wird.

Betrachten wir dieses Beispiel eines OrderService mit komplexer, verflochtener Logik:

class OrderService {
  private paymentGateway: PaymentGateway
  private inventory: Inventory
  private notifier: NotificationService

  placeOrder(order: Order) {
    // Komplexe, verflochtene Logik für Zahlung, Bestand und Benachrichtigungen
  }
}

Wir können die Wartbarkeit verbessern, indem wir die Funktionalität in kleinere, besser handhabbare Komponenten aufteilen:

// Domain Layer (Interfaces)
interface IPaymentProcessor {
  processPayment(order: Order): Promise<void>
}

interface IInventoryManager {
  updateInventory(order: Order): Promise<void>
}

interface IOrderNotifier {
  notifyOrderPlaced(order: Order): Promise<void>
}

// Use Case Layer
class PlaceOrderUseCase {
  constructor(
    private paymentProcessor: IPaymentProcessor,
    private inventoryManager: IInventoryManager,
    private orderNotifier: IOrderNotifier
  ) {}

  async execute(order: Order): Promise<void> {
    await this.paymentProcessor.processPayment(order)
    await this.inventoryManager.updateInventory(order)
    await this.orderNotifier.notifyOrderPlaced(order)
  }
}

Fazit

Die in diesem Artikel gezeigten Muster und Prinzipien helfen uns, flexible Softwaresysteme zu erstellen, die sich an veränderte Geschäftsanforderungen und technologische Fortschritte anpassen können. Clean Architectures Fokus auf lose Kopplung und Abstraktion ermöglicht den nahtlosen Austausch von Komponenten und technologische Übergänge. Zum Beispiel können Implementierungen der Zahlungsverarbeitung einfach ausgetauscht werden, ohne den Rest des Systems zu beeinflussen:

// Domain Layer
interface IPaymentProcessor {
  processPayment(order: Order): void;
}

// Interface Adapters Layer
class PaypalPaymentProcessor implements IPaymentProcessor {
  processPayment(order: Order) {
    // PayPal-spezifische Implementierung
  }
}

class InvoicePaymentProcessor implements IPaymentProcessor {
  processPayment(order: Order) {
    // Rechnungs-spezifische Implementierung
  }
}

// Use Case Layer
class PlaceOrderUseCase {
  constructor(private paymentProcessor: IPaymentProcessor) {
  }

  execute(order: Order) {
    this.paymentProcessor.processPayment(order)
  }
}

// Verwendung
const invoicePaymentProcessor = new InvoicePaymentProcessor()
const placeOrderUseCase = new PlaceOrderUseCase(invoicePaymentProcessor)

Durch die korrekte Implementierung von Clean Architecture gewinnen wir die Fähigkeit:

• Einzelne Komponenten ohne Auswirkungen auf das Gesamtsystem zu modifizieren
• Spezifische Teile unabhängig zu skalieren
• Komponenten isoliert zu testen
• Konsistente Muster in der gesamten Codebasis zu pflegen
• Nahtlos zwischen verschiedenen technologischen Implementierungen zu wechseln

Für weiterführende Informationen zu diesen Themen empfehlen wir:

• Clean Architecture: Ein tiefer Einblick in strukturiertes Software-Design
• Die vielschichtigen Probleme der Softwareentwicklung
• Entwicklung einer Clean Architecture-inspirierten React-Anwendung mit MVVM

Diese Ressourcen bieten zusätzliche Einblicke in die Implementierung von Clean Architecture in Ihren Projekten.