模板方法模式:封装不变步骤,引导扩展实现灵活多态的算法流程

文章目录

一、引言

​ 模板方法模式(Template Method Pattern)是一种行为型设计模式,它在父类中定义一个操作中的算法骨架,并允许子类为其中的某些步骤提供具体实现。这种模式使得子类可以在不改变算法整体结构的情况下,重新定义算法中某些可变部分的实现。

二、应用场景与技术背景

模板方法模式适用于以下场景:

  1. 一个抽象类公开了执行其算法的模板方法,该方法由一系列基本操作步骤组成,其中一些步骤在抽象类中已实现,而另外一些步骤留给子类去实现。
  2. 复用相同算法的不同变体,只需要在每个变体中重写特定步骤即可。

例如,在软件开发过程中,可能需要构建一个通用的数据处理流程,如数据读取、预处理、计算和结果输出等步骤。这些步骤中的数据读取和输出方式可能会因项目需求而变化,但处理流程的基本框架保持不变。此时,可以使用模板方法模式来设计这个数据处理框架。

三、模式定义与实现

模板方法模式的核心组成部分包括:

  1. AbstractClass(抽象类角色):定义了一个或多个操作的模板方法,这些方法通常包含了一系列已定义好的步骤,同时也可以定义一些抽象方法供子类实现。
  2. ConcreteClass(具体类角色):是AbstractClass的子类,实现了在抽象类中声明的抽象方法,从而完成算法中可变部分的定制。

四、实例详解

以咖啡制作过程为例,来具体实现模板方法模式:

  1. 定义抽象类(AbstractClass):创建一个名为CoffeeMaker的抽象类,它定义了煮咖啡的基本步骤,其中"煮水"和"添加调料"等步骤是固定的,而"选择咖啡豆"和"研磨咖啡豆"则作为抽象方法留给子类实现。

    java 复制代码
    public abstract class CoffeeMaker {
        // 模板方法
        public final void makeCoffee() {
            boilWater();
            brewCoffeeGrinds();
            pourInCup();
            addCondiments();
        }
    
        // 固定步骤
        protected void boilWater() {
            System.out.println("开始烧开水...");
        }
        
        protected void pourInCup() {
            System.out.println("将咖啡倒入杯中...");
        }
    
        // 抽象方法,留给子类实现
        protected abstract void chooseCoffeeBeans();
    
        protected abstract void grindCoffeeBeans();
    
        // 其他固定步骤
        protected void brewCoffeeGrinds() {
            System.out.println("开始冲泡咖啡粉...");
        }
    
        protected void addCondiments() {
            System.out.println("加入调料...");
        }
    }
  2. 定义具体类(ConcreteClass):创建两个具体的咖啡机类EspressoMachineFrenchPressMachine,它们继承自CoffeeMaker并实现抽象方法。

    java 复制代码
    public class EspressoMachine extends CoffeeMaker {
        @Override
        protected void chooseCoffeeBeans() {
            System.out.println("选用浓缩咖啡豆...");
        }
    
        @Override
        protected void grindCoffeeBeans() {
            System.out.println("精细研磨浓缩咖啡豆...");
        }
    }
    
    public class FrenchPressMachine extends CoffeeMaker {
        @Override
        protected void chooseCoffeeBeans() {
            System.out.println("选用法式压滤咖啡豆...");
        }
    
        @Override
        protected void grindCoffeeBeans() {
            System.out.println("粗略研磨法式压滤咖啡豆...");
        }
    }
  3. 应用端使用:根据需要选择不同的咖啡机制作咖啡。

    java 复制代码
    public class TemplateMethodPatternDemo {
        public static void main(String[] args) {
            CoffeeMaker espressoMaker = new EspressoMachine();
            espressoMaker.makeCoffee();
    
            System.out.println("===========================");
    
            CoffeeMaker frenchPressMaker = new FrenchPressMachine();
            frenchPressMaker.makeCoffee();
        }
    }

``

测试结果

五、优缺点分析

优点:

  1. 提高代码复用性:通过将不变的操作步骤放在抽象类中,子类只需关注差异化的部分,提高了代码的复用性。
  2. 结构清晰:模板方法定义了算法的骨架,使得整个流程更加清晰,易于理解和维护。

潜在挑战:

  1. 过度约束:如果模板方法过于严格,可能导致子类无法灵活地扩展或修改算法的某些部分。
  2. 增强了类之间的耦合:虽然模板方法模式能够提高内部结构的复用性,但也增强了抽象类和具体子类间的耦合。

总结

​ 模板方法模式通过在抽象类中定义一个算法骨架,并将可变步骤交由子类实现,有效地实现了算法结构的复用以及灵活扩展。在实际应用中,合理运用模板方法模式能有效组织复杂流程,降低代码重复度,并促进代码结构的清晰化和模块化。然而,在设计时应注意避免过度限制子类的行为,以及控制好抽象类与子类之间的耦合程度。

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