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行为型模板方法模式

gavin-james设计模式设计模式大约 7 分钟

模板方法模式基本介绍

在面向对象程序设计过程中，程序员常常会遇到这种情况：设计一个系统时知道了算法所需的关键步骤，而且确定了这些步骤的执行顺序，但某些步骤的具体实现还未知，或者说某些步骤的实现与具体的环境相关。

例如，去银行办理业务一般要经过以下4个流程：取号、排队、办理具体业务、对银行工作人员进行评分等，其中取号、排队和对银行工作人员进行评分的业务对每个客户是一样的，可以在父类中实现，但是办理具体业务却因人而异，它可能是存款、取款或者转账等，可以延迟到子类中实现。

这样的例子在生活中还有很多，例如，一个人每天会起床、吃饭、做事、睡觉等，其中「做事」的内容每天可能不同。我们把这些规定了流程或格式的实例定义成模板，允许使用者根据自己的需求去更新它，例如，简历模板、论文模板、Word 中模板文件等。

模板方法模式（Template Method Pattern）又叫 模板模式（Template Pattern），在一个抽象类公开定义了执行它的方法的模板。它的子类可以按需要重写方法实现，但调用将以抽象类中定义的方式进行。

简单说，模板方法模式定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变一个算法的结构，就可以重定义该算法的某些特定步骤。

这种类型的设计模式属于行为型模式。

主要优点

  • 它封装了不变部分，扩展可变部分。它把认为是不变部分的算法封装到父类中实现，而把可变部分算法由子类继承实现，便于子类继续扩展
  • 它在父类中提取了公共的部分代码，便于代码复用
  • 部分方法是由子类实现的，因此子类可以通过扩展方式增加相应的功能，符合开闭原则

主要缺点

  • 对每个不同的实现都需要定义一个子类，这会导致类的个数增加，系统更加庞大，设计也更加抽象，间接地增加了系统实现的复杂度
  • 父类中的抽象方法由子类实现，子类执行的结果会影响父类的结果，这导致一种反向的控制结构，它提高了代码阅读的难度
  • 由于继承关系自身的缺点，如果父类添加新的抽象方法，则所有子类都要改一遍

模板方法模式结构与实现

模板方法模式包含以下主要角色。

抽象类/抽象模板（Abstract Class）

抽象模板类，负责给出一个算法的轮廓和骨架。它由一个模板方法和若干个基本方法构成。这些方法的定义如下：

  • 模板方法：定义了算法的骨架，按某种顺序调用其包含的基本方法
  • 基本方法：是整个算法中的一个步骤，包含以下几种类型：
    • 抽象方法：在抽象类中声明，由具体子类实现
    • 具体方法：在抽象类中已经实现，在具体子类中可以继承或重写它
    • 钩子方法：在抽象类中已经实现，包括用于判断的逻辑方法和需要子类重写的空方法两种

具体子类/具体实现（Concrete Class）

具体实现类，实现抽象类中所定义的抽象方法和钩子方法，它们是一个顶级逻辑的一个组成步骤。

模板方法模式的结构图如下：

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代码实现：

// 抽象类
abstract class AbstractClass {
    // 模板方法
    public void TemplateMethod() {
        SpecificMethod();
        abstractMethod1();
        abstractMethod2();
    }
    // 具体方法
    public void SpecificMethod() {
        System.out.println("抽象类中的具体方法被调用...");
    }
    // 抽象方法 1
    public abstract void abstractMethod1();
    // 抽象方法 2
    public abstract void abstractMethod2();
}
// 具体子类
class ConcreteClass extends AbstractClass {
    public void abstractMethod1() {
        System.out.println("抽象方法1的实现被调用...");
    }
    public void abstractMethod2() {
        System.out.println("抽象方法2的实现被调用...");
    }
}
public class TemplateMethodPattern {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractClass tm = new ConcreteClass();
        tm.TemplateMethod();
    }
}

模板方法模式解决豆浆制作问题

编写制作豆浆的程序，说明如下：

  • 制作豆浆的流程：选材、添加配料、浸泡、放到豆浆机打碎
  • 通过添加不同的配料，可以制作出不同口味的豆浆
  • 选材、浸泡和放到豆浆机打碎这几个步骤对于制作每种口味的豆浆都是一样的（红豆、花生豆浆）
  • 请使用 模板方法模式 完成

思路分析和类图：

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模板方法模式的钩子方法

在模板方法模式的父类中，我们可以定义一个方法，它默认不做任何事，子类可以视情况要不要覆盖它，该方法称为 钩子。

比如，我们还希望制作纯豆浆，不添加任何的配料，则使用钩子方法

代码实现：

抽象类

// 抽象类，表示豆浆
public abstract class SoyaMilk {

    // 模板方法，make，模板方法可以做成final，不让子类去覆盖.
    final void make() {
        select(); 
        if(customerWantCondiments()) {
            addCondiments();
        }
        soak();
        beat();
    }

    // 选材料
    void select() {
        System.out.println("第一步：选择好的新鲜黄豆  ");
    }

    // 添加不同的配料，抽象方法，子类具体实现
    abstract void addCondiments();

    // 浸泡
    void soak() {
        System.out.println("第三步， 黄豆和配料开始浸泡， 需要3小时 ");
    }

    void beat() {
        System.out.println("第四步：黄豆和配料放到豆浆机去打碎  ");
    }

    // 钩子方法，决定是否需要添加配料
    boolean customerWantCondiments() {
        return true;
    }
}

// 红豆类
public class RedBeanSoyaMilk extends SoyaMilk {

	@Override
	void addCondiments() {
		System.out.println(" 加入上好的红豆 ");
	}

}
// 花生类
public class PeanutSoyaMilk extends SoyaMilk {

	@Override
	void addCondiments() {
		System.out.println(" 加入上好的花生 ");
	}
}
// 纯豆浆类
public class PureSoyaMilk extends SoyaMilk{

	@Override
	void addCondiments() {
		// 空实现，纯豆浆不需要配料
	}
	
	@Override
	boolean customerWantCondiments() {
		return false;
	}
}

测试类

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        // 制作红豆豆浆
        System.out.println("----制作红豆豆浆----");
        SoyaMilk redBeanSoyaMilk = new RedBeanSoyaMilk();
        redBeanSoyaMilk.make();

        System.out.println("----制作花生豆浆----");
        SoyaMilk peanutSoyaMilk = new PeanutSoyaMilk();
        peanutSoyaMilk.make();

        System.out.println("----制作纯豆浆----");
        SoyaMilk pureSoyaMilk = new PureSoyaMilk();
        pureSoyaMilk.make();
    }
}

模板方法模式的注意事项和细节

基本思想是：算法只存在于一个地方，也就是在父类中，容易修改。需要修改算法时，只要修改父类的模板方法或者已经实现的某些步骤，子类就会继承这些修改。

实现了最大化代码复用。父类的模板方法和已实现的某些步骤会被子类继承而直接使用。既统一了算法，也提供了很大的灵活性。父类的模板方法确保了算法的结构保持不变，同时由子类提供部分步骤的实现。

该模式的不足之处：每一个不同的实现都需要一个子类实现，导致类的个数增加，使得系统更加庞大。一般模板方法都加上 final 关键字， 防止子类重写模板方法。

模板方法模式的应用场景

模板方法模式通常适用于以下场景：

  • 算法的整体步骤很固定，但其中个别部分易变时，这时候可以使用模板方法模式，将容易变的部分抽象出来，供子类实现

  • 当多个子类存在公共的行为时，可以将其提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。首先，要识别现有代码中的不同之处，并且将不同之处分离为新的操作。最后，用一个调用这些新的操作的模板方法来替换这些不同的代码

  • 当需要控制子类的扩展时，模板方法只在特定点调用钩子操作，这样就只允许在这些点进行扩展

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