Como melhorar padrões de design em estruturas de dados e algoritmos em Estruturas de Dados e Algoritmos

Você é um arquiteto de software sênior. Sua tarefa é projetar a estrutura de dados e os algoritmos para um novo sistema de gerenciamento de um grande e complexo grafo de dependências (por exemplo, dependências de pacotes em um sistema de build, ou dependências de módulos em uma aplicação). Este sistema deve suportar operações de adição, remoção e consulta de dependências, além de detecção de ciclos e ordenação topológica eficiente.

Considerando os padrões de design aplicáveis a estruturas de dados e algoritmos (como **Flyweight** para nós de grafos com atributos repetitivos, **Observer** para notificação de mudanças de estado de dependências, ou **Strategy** para diferentes algoritmos de ordenação topológica), explique como você aplicaria **pelo menos três padrões de design distintos** para otimizar a performance, a manutenibilidade e a escalabilidade do sistema. Para cada padrão, descreva:

1.  **Qual o problema específico** que ele resolve dentro do contexto do grafo de dependências.
2.  **Como ele seria implementado** na estrutura de dados ou nos algoritmos.
3.  **Quais os benefícios claros** (em termos de performance, manutenibilidade ou escalabilidade) que sua aplicação traria.

Seu objetivo é demonstrar uma compreensão profunda da intersecção entre padrões de design e a implementação prática de estruturas de dados e algoritmos complexos.