设计模式学习笔记十------模板方法模式

目录

本文的结构如下：

• 引言
• 什么是模板方法模式
• 模式的结构
• 代码示例
• 优点和缺点
• 适用环境
• 模式应用

一、引言

读初中的时候，家里没有电脑（话说现在老家也没有电脑），父母又不让玩手机，接触比较多的电子产品就是MP4了，白天可以用来听听歌，晚上躲在被窝里偷偷看小说。但那时MP4又不具备联网下载功能，小说看完了，某个明星出新歌了，就愉快跑到网吧下载，顺便也能玩会游戏，看会视频啥的，那时对网吧还是有很强的执念，基本上每次去网吧，都要去qq空间发一条状态，很有趣。现在有电脑了，反而没那种开心了，常常是半个月难得开一次机。

废话不多说，转入正题。

去网吧上网，可以简单拆分一下，先是去网吧，然后开机，玩，最后关机离开。

有些是固定的，像开机，关机。但是有些地方却不同，比如怎么去网吧呢？每个人有不同的方式，同一个人不同的时刻也有不同的方式，可以跑步，可以走路，可以骑车，可以打的；到了网吧，玩什么呢，也因人因时刻而定，看NBA，撸啊撸，码代码都可以。

在软件开发中，有时也会遇到类似的情况，某个方法的实现需要多个步骤（类似“去网吧上网”），其中有些步骤是固定的（类似“开机”和“关机”），而有些步骤并不固定，存在可变性（类似“去网吧和玩”）。为了提高代码的复用性和系统的灵活性，可以使用一种称之为模板方法模式的设计模式来对这类情况进行设计，在模板方法模式中，将实现功能的每一个步骤所对应的方法称为基本方法（例如“去网吧”、“开机”、“玩”和“关机”），而调用这些基本方法同时定义基本方法的执行次序的方法称为模板方法（例如“去网吧上网”）。在模板方法模式中，可以将相同的代码放在父类中，例如将模板方法“去网吧上网”以及基本方法“开机”和“关机”的实现放在父类中，而对于基本方法“去网吧”、“玩”，在父类中只做一个声明，将其具体实现放在不同的子类中，在不同子类提供不同实现。通过使用模板方法模式，一方面提高了代码的复用性，另一方面还可以利用面向对象的多态性，在运行时选择一种具体子类，提高系统的灵活性和可扩展性。

二、什么是模板方法模式

所以什么是模板方法模式呢？

定义一个操作中算法的框架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法模式使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。

模板方法模式是一种基于继承的代码复用技术，它是一种类行为型模式。

模板方法模式是结构最简单的行为型设计模式，在其结构中只存在父类与子类之间的继承关系。通过使用模板方法模式，可以将一些复杂流程的实现步骤封装在一系列基本方法中，在抽象父类中提供一个称之为模板方法的方法来定义这些基本方法的执行次序，而通过其子类来覆盖某些步骤，从而使得相同的算法框架可以有不同的执行结果。模板方法模式提供了一个模板方法来定义算法框架，而某些具体步骤的实现可以在其子类中完成。

三、模式的结构

模板方法模式的结构很简单，UML图如下：

模板方法模式包含如下两个角色：

• AbstractClass（抽象类）：在抽象类中定义了一系列基本操作(PrimitiveOperations)，这些基本操作可以是具体的，也可以是抽象的，每一个基本操作对应算法的一个步骤，在其子类中可以重定义或实现这些步骤。同时，在抽象类中实现了一个模板方法(Template Method)，用于定义一个算法的框架，模板方法不仅可以调用在抽象类中实现的基本方法，也可以调用在抽象类的子类中实现的基本方法，还可以调用其他对象中的方法。
• ConcreteClass（具体子类）：它是抽象类的子类，用于实现在父类中声明的抽象基本操作以完成子类特定算法的步骤，也可以覆盖在父类中已经实现的具体基本操作。

3.1、模板方法

模板方法是定义在抽象类中的、把基本操作方法组合在一起形成一个总算法或一个总行为的方法。

一般将模板方法定义为final，由子类不加以修改地完全继承下来。模板方法是一个具体方法，它给出了一个顶层逻辑框架，而逻辑的组成步骤在抽象类中可以是具体方法，也可以是抽象方法。由于模板方法是具体方法，因此模板方法模式中的抽象层只能是抽象类，而不是接口。

3.2、基本方法

基本方法是实现算法各个步骤的方法，是模板方法的组成部分。

基本方法又可以分为三种：

• 抽象方法(Abstract Method)
• 具体方法(Concrete Method)
• 钩子方法(Hook Method)

抽象方法：一个抽象方法由抽象类声明、由其具体子类实现。
具体方法：一个具体方法由一个抽象类或具体类声明并实现，其子类可以进行覆盖也可以直接继承。
钩子方法：一个钩子方法由一个抽象类或具体类声明并实现，而其子类可能会加以扩展。通常在父类中给出的实现是一个空实现，并以该空实现作为方法的默认实现，当然钩子方法也可以提供一个非空的默认实现。

具体方法和钩子方法有些难以区分，我觉得其实也没有必要区分那么清楚，毕竟它们在类中都是一样的，都不是抽象方法。只不过作用有点不一样，具体方法是模板方法中一个默认已经实现的可以被子类复用的方法，更多的是复用，就像“去网吧上网”里的“开机”和“关机”。而钩子方法更多的是由子类选择性复用，比如可以加两个方法，“是否玩饿了？”、“吃点东西”，默认是不饿，返回false，可以用来做流程控制，子类根据需求覆盖。

3.3、模板方法典型代码

抽象类：

/**
 * 
 * @author w1992wishes
 * @created @2017年11月15日-上午11:36:10
 *
 */
public abstract class AbstractClass {
    public final void templateMethod() {
        primitiveOperation1();
        if (primitiveOperation2()) {
            primitiveOperation3();
        }
    }

    /**
     * 抽象方法
     */
    protected abstract void primitiveOperation1();

    /**
     * 钩子方法
     */
    public boolean primitiveOperation2() {
        return false;
    }

    /**
     * 具体方法
     */
    public void primitiveOperation3() {

    }
}

具体类：

/**
 * 
 * @author w1992wishes
 * @created @2017年11月15日-上午11:42:14
 *
 */
public class ConcreteClass extends AbstractClass {

    @Override
    public void primitiveOperation1() {
    }

    @Override
    public boolean primitiveOperation2() {
        return true;
    }

}

在模板方法模式中，由于面向对象的多态性，子类对象在运行时将覆盖父类对象，子类中定义的方法也将覆盖父类中定义的方法，因此程序在运行时，具体子类的基本方法将覆盖父类中定义的基本方法，子类的钩子方法也将覆盖父类的钩子方法，从而可以通过在子类中实现的钩子方法对父类方法的执行进行约束，实现子类对父类行为的反向控制。

四、代码示例

这里代码比较简单，就略过了。

五、优点和缺点

5.1、优点

• 在父类中形式化地定义一个算法，而由它的子类来实现细节的处理，在子类实现详细的处理算法时并不会改变算法中步骤的执行次序。
• 模板方法模式是一种代码复用技术，它在类库设计中尤为重要，它提取了类库中的公共行为，将公共行为放在父类中，而通过其子类来实现不同的行为，它鼓励我们恰当使用继承来实现代码复用。
• 可实现一种反向控制结构，通过子类覆盖父类的钩子方法来决定某一特定步骤是否需要执行。
• 在模板方法模式中可以通过子类来覆盖父类的基本方法，不同的子类可以提供基本方法的不同实现，更换和增加新的子类很方便，符合单一职责原则和开闭原则。

5.2、缺点

需要为每一个基本方法的不同实现提供一个子类，如果父类中可变的基本方法太多，将会导致类的个数增加，系统更加庞大，设计也更加抽象，此时，可结合桥接模式来进行设计。

六、适用环境

在以下情况下可以考虑使用模板方法模式：

• 对一些复杂的算法进行分割，将其算法中固定不变的部分设计为模板方法和父类具体方法，而一些可以改变的细节由其子类来实现。即：一次性实现一个算法的不变部分，并将可变的行为留给子类来实现。
• 各子类中公共的行为应被提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。
• 需要通过子类来决定父类算法中某个步骤是否执行，实现子类对父类的反向控制。

七、模式应用

JAVA API中，集合框架提供了一个排序方法就是一个模板方法，其实核心部分是由compareTo方法实现的，有兴趣的可以去看看源码。

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