C++设计模式之模板方法模式

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【提示：如果不想看文字介绍，可以直接跳转到C++编码部分】

【设计模式大纲】

【简介】

--什么是模板方法模式（第18种设计模式）

模板方法模式 （Template Method Pattern）是⼀种行为型设计模式 , 它定义了⼀个算法的骨架，将**⼀些步骤的实现延迟到⼦类** 。模板方法模式使得⼦类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。

举个简单的例⼦，做⼀道菜通常都需要包含⾄少三步：

准备⻝材
亨饪过程
上菜

不同菜品的亨饪过程是不⼀样的，但是我们可以先定义⼀个"⻣架"，包含这三个步骤，亨饪过程的过程放到具体的炒菜类中去实现，这样，⽆论炒什么菜，都可以沿⽤相同的炒菜算法，只需在⼦类中实现具体的炒菜步骤，从而提⾼了代码的复⽤性。

【基本结构】

模板⽅法模式的基本结构包含以下两个角色：

模板类AbstractClass ：由⼀个模板⽅法和若⼲个基本⽅法构成，模板⽅法定义了逻辑的⻣架，按照顺序调⽤包含的基本⽅法，基本⽅法通常是⼀些抽象⽅法，这些⽅法由⼦类去实现。基本⽅法还包含⼀些具体⽅法，它们是算法的⼀部分但已经有默认实现，在具体⼦类中可以继承或者重写。
具体类ConcreteClass ：继承⾃模板类，实现了在模板类中定义的抽象⽅法，以完成算法中特定步骤的具体实现。

【简易实现】

模板⽅法模式的简单示例如下：先以Java代码作以说明

定义模板类 ，包含模板⽅法，定义了算法的⻣架, ⼀般都加上final 关键字 （C++为 const关键字），避免子类重写。

java 复制代码

// 模板类
abstract class AbstractClass {
    // 模板⽅法，定义了算法的⻣架
    public final void templateMethod() {
        step1();
        step2();
        step3();
    }
    // 抽象⽅法，由⼦类实现
    protected abstract void step1();
    protected abstract void step2();
    protected abstract void step3();
}

定义具体类, 实现模板类中的抽象⽅法

java 复制代码

// 具体类
class ConcreteClass extends AbstractClass {
    @Override
    protected void step1() {
        System.out.println("Step 1 ");
    }
    @Override
    protected void step2() {
        System.out.println("Step 2 ");
    }
    @Override
    protected void step3() {
        System.out.println("Step 3");
    }
}

客户端实现

java 复制代码

/**
* @version Copyright (c) 2024 NCDC, Servo。 Unpublished - All rights reserved
* @file TemplateMethodMode.hpp
* @brief 模板方法模式
* @autor 写代码的小恐龙er
* @date 2024/01/20
*/

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractClass concreteTemplate = new ConcreteClass();
        // 触发整个算法的执⾏
        concreteTemplate.templateMethod();
    }
}

【应用场景】

模板⽅法模式将算法的不变部分被封装在模板⽅法中 ，而可变部分算法由⼦类继承实现，这样做可以很好的提⾼代码的复⽤性 ，但是当算法的框架发⽣变化时，可能需要修改模板类，这也会影响到所有的⼦类。

总体来说，当算法的整体步骤很固定，但是个别步骤在更详细的层次上的实现可能不同时，通常考虑模板⽅法模式来处理。在已有的⼯具和库中， Spring框架中的JdbcTemplate 类使⽤了模板⽅法模式，其中定义了⼀些执⾏数据库操作的模板⽅法，具体的数据库操作由回调函数提供。⽽在Java的JDK源码中， AbstractList 类也使⽤了模板⽅法模式，它提供了⼀些通用的⽅法，其中包括⼀些模板⽅法。具体的列表操作由⼦类实现。

【C++编码部分】

1. 题目描述

小明喜欢品尝不同类型的咖啡，她发现每种咖啡的制作过程有一些相同的步骤，他决定设计一个简单的咖啡制作系统，使用模板方法模式定义咖啡的制作过程。系统支持两种咖啡类型：美式咖啡（American Coffee）和拿铁（Latte）。

咖啡制作过程包括以下步骤：

研磨咖啡豆 Grinding coffee beans
冲泡咖啡 Brewing coffee
添加调料 Adding condiments

其中，美式咖啡和拿铁的调料添加方式略有不同, 拿铁在添加调料时需要添加牛奶Adding milk。

2. 输入描述

多行输入，每行包含一个数字，表示咖啡的选择（1 表示美式咖啡，2 表示拿铁）。

3. 输出描述

根据每行输入，输出制作咖啡的过程，包括咖啡类型和各个制作步骤，末尾有一个空行。

4. C++编码实例

cpp 复制代码

/**
* @version Copyright (c) 2024 NCDC, Servo。 Unpublished - All rights reserved
* @file TemplateMethodMode.hpp
* @brief 模板方法模式
* @autor 写代码的小恐龙er
* @date 2024/01/20
*/

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

using namespace std;

// 前置声明

// 抽象模板类 -- 包含模板⽅法，定义了算法的⻣架, ⼀般都加上final 关键字，避免⼦类重写
class CoffeeMaker;
// 实现具体类 -- 美式
class AmericanCoffeeMaker;
// 实现具体类 -- 拿铁
class LatteCoffeeMaker;

// 类的定义

// 抽象模板类
class CoffeeMaker
{
// 成员接口函数
public:
    // 框架接口函数
    const void TemplateCoffeeMethod(){
        // 步骤一
        GrindingCoffeeBeans();
        // 步骤二
        BrewingCoffee();
        // 步骤三
        AddingCondiments();
        // 空行
        std::cout << endl;
    }
    // 研磨咖啡豆工序
    virtual void GrindingCoffeeBeans() = 0;
    // 冲泡咖啡工序
    virtual void BrewingCoffee() = 0;
    // 添加调料工序
    virtual void AddingCondiments(){
        std::cout << "Adding condiments" << endl;
    }
};

// 实现具体类 -- 美式
class AmericanCoffeeMaker : public CoffeeMaker
{
// 成员数据
private:
    string _coffeeName;

// 成员接口函数重载
public:
    // 构造函数
    AmericanCoffeeMaker(string name){
        this->_coffeeName = name;
        std::cout<< "Making " << _coffeeName << ":"<<endl;
    }
    // 研磨咖啡豆工序 重载
    void GrindingCoffeeBeans() override {
        std::cout << "Grinding coffee beans" << endl;
    }
    // 冲泡咖啡工序 重载
    void BrewingCoffee() override {
        std::cout << "Brewing coffee" << endl;
    }
};

// 实现具体类 -- 拿铁
class LatteCoffeeMaker : public CoffeeMaker
{
// 成员数据
private:
    string _coffeeName;

// 成员接口函数重载
public:
    // 构造函数
    LatteCoffeeMaker(string name){
        this->_coffeeName = name;
        std::cout<< "Making " << _coffeeName << ":"<<endl;
    }
    // 研磨咖啡豆工序 重载
    void GrindingCoffeeBeans() override {
        std::cout << "Grinding coffee beans" << endl;
    }
    // 冲泡咖啡工序 重载
    void BrewingCoffee() override {
        std::cout << "Brewing coffee" << endl;
    }
    // 添加调料工序 重载
    void AddingCondiments() override {
        std::cout << "Adding milk" << endl;
        std::cout << "Adding condiments" << endl;
    }
};


// 客户端代码
int main()
{
    // 输入的咖啡制作类型
    int type = 0;
    // 构造抽象模板类
    CoffeeMaker *coffee = nullptr;
    while(std::cin >> type){
        if(type == 1){
            coffee = new AmericanCoffeeMaker("American Coffee");
        }
        else if(type == 2){
            coffee = new LatteCoffeeMaker("Latte");
        }
        else break;
        
        // 开始统一制作咖啡
        coffee->TemplateCoffeeMethod();
    }
    
    // 析构
    if(coffee != nullptr){
        delete coffee;
        coffee = nullptr;
    }
    
    return 0;
}

......

To be continued.

C++设计模式之 模板方法模式

【设计模式大纲】

【基本结构】

【简易实现】

【应用场景】

【C++编码部分】

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