【深入理解设计模式】模板方法模式

模板方法模式

模板方法模式是一种行为设计模式,它定义了一个操作中的算法骨架,将某些步骤延迟到子类中实现。模板方法模式使得子类可以不改变算法结构的情况下,重新定义算法的某些特定步骤。

概述

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。

定义：

定义一个操作中的算法骨架，而将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变该算法结构的情况下重定义该算法的某些特定步骤。

结构

模板方法模式由两部分组成:模板方法和基本方法。模板方法是算法的骨架,它定义了算法的结构,包括算法的步骤和执行顺序。基本方法是算法的具体步骤,它由子类实现,实现具体的算法逻辑。

模板方法（Template Method）模式包含以下主要角色：

抽象类（Abstract Class）：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。
- 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) ：一个抽象方法由抽象类声明、由其具体子类实现。
  - 具体方法(Concrete Method) ：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(Hook Method) ：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。
    
    一般钩子方法是用于判断的逻辑方法，这类方法名一般为isXxx，返回值类型为boolean类型。
具体子类（Concrete Class）：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组成步骤。

模板方法模式的实现方式包括:

定义一个抽象类,其中包含模板方法。
在抽象类中定义基本方法,并使用抽象方法标记它们。
在子类中实现基本方法,以完成具体的算法逻辑。
在模板方法中调用基本方法,以完成算法的结构。

下面是一个简单的模板方法模式的例子:

java 复制代码

abstract class AbstractClass {
    // 模板方法
    public void templateMethod() {
        // 步骤1
        System.out.println("Step 1");
        // 步骤2
        System.out.println("Step 2");
        // 调用基本方法
        concreteMethod();
        // 步骤3
        System.out.println("Step 3");
    }

    // 基本方法
    public abstract void concreteMethod();
}

class ConcreteClass extends AbstractClass {
    // 实现基本方法
    public void concreteMethod() {
        System.out.println("Concrete Method");
    }
}

public class TemplateMethodDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractClass obj = new ConcreteClass();
        obj.templateMethod();
    }
}

在这个例子中,AbstractClass 是一个抽象类,其中包含一个模板方法 templateMethod 和一个抽象方法 concreteMethod。ConcreteClass 是 AbstractClass 的子类,它实现了 concreteMethod 方法,以完成具体的算法逻辑。在 templateMethod 中,我们调用了 concreteMethod 方法,以完成算法的结构。

案例实现：

炒菜的步骤是固定的，分为倒油、热油、倒蔬菜、倒调料品、翻炒等步骤。现通过模板方法模式来用代码模拟。类图如下：

java 复制代码

/**
 * @author OldGj 2024/03/04
 * @version v1.0
 * @apiNote 抽象父类
 */
public abstract class AbstractClass {

    // 模板方法
    public final void cookProcess() {
        //第一步：倒油
        this.pourOil();
        //第二步：热油
        this.heatOil();
        //第三步：倒蔬菜
        this.pourVegetable();
        //第四步：倒调味料
        this.pourSauce();
        //第五步：翻炒
        this.fry();
    }

    public void pourOil() {
        System.out.println("倒油");
    }

    //第二步：热油是一样的，所以直接实现
    public void heatOil() {
        System.out.println("热油");
    }

    //第三步：倒蔬菜是不一样的（一个下包菜，一个是下菜心） 基本方法
    public abstract void pourVegetable();

    //第四步：倒调味料是不一样 基本方法
    public abstract void pourSauce();


    //第五步：翻炒是一样的，所以直接实现
    public void fry() {
        System.out.println("炒啊炒啊炒到熟啊");
    }

}

在抽象父类中定义模板方法cookProcess为炒菜的过程，其中倒蔬菜和倒调味料对于炒不同的菜是不同的，因此定义为抽象方法，延迟到子类实现。

java 复制代码

/**
 * @author OldGj 2024/03/04
 * @version v1.0
 * @apiNote 具体子类 - 炒包菜
 */
public class ConcreteClass_BaoCai extends AbstractClass{
    @Override
    public void pourVegetable() {
        System.out.println("炒的菜是包菜");
    }

    @Override
    public void pourSauce() {
        System.out.println("调味品是：辣椒");
    }
}

java 复制代码

/**
 * @author OldGj 2024/03/04
 * @version v1.0
 * @apiNote 具体子类 - 炒菜心
 */
public class ConcreteClass_CaiXin extends AbstractClass{
    @Override
    public void pourVegetable() {
        System.out.println("炒的菜品是菜心");
    }

    @Override
    public void pourSauce() {
        System.out.println("调味料是：蒜蓉");
    }
}

定义两个具体子类，分别是炒包菜和炒菜心，他们可以公用一个模板方法，因此都继承了AbstractClass，只需要重写其中的抽象方法即可，其他方法的算法逻辑无论是炒包菜还是炒菜心都是一个逻辑，因此不需要改变。

注意：为防止恶意操作，一般模板方法都加上 final 关键词。

java 复制代码

/**
 * @author OldGj 2024/03/04
 * @version v1.0
 * @apiNote 客户端类 - 测试
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractClass baoCai = new ConcreteClass_BaoCai();
        baoCai.cookProcess();
        System.out.println("-------------------");
        AbstractClass caiXin = new ConcreteClass_CaiXin();
        caiXin.cookProcess();
    }
}

输出结果：

优缺点

优点：

提高代码复用性

将相同部分的代码放在抽象的父类中，而将不同的代码放入不同的子类中。
实现了反向控制

通过一个父类调用其子类的操作，通过对子类的具体实现扩展不同的行为，实现了反向控制，并符合"开闭原则"。

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。
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。

适用场景

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。
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。

JDK源码解析

在 JDK 中，InputStream 中的 read() 方法使用了模板方法模式。

InputStream 是一个抽象类，它有一个模板方法 read()。这个方法定义了读取数据的算法骨架，但是将具体的读取操作延迟到子类中实现。

InputStream 中的 read() 方法是一个模板方法，它定义了读取数据的算法骨架，包括读取数据的步骤和执行顺序。具体步骤如下：

如果已经到达文件末尾，则返回 -1。
否则，读取下一个字节，并返回该字节的 int 值。

InputStream 的子类（如 FileInputStream、ByteArrayInputStream 等）实现了 read() 方法的具体步骤。例如，FileInputStream 通过文件系统读取文件中的数据；ByteArrayInputStream 从字节数组中读取数据。

这种设计模式使得 InputStream 能够定义一个通用的读取数据的方法，而子类可以根据自己的需求实现具体的读取操作。

在InputStream类中定义了多个 read() 方法，如下：

java 复制代码

public abstract class InputStream implements Closeable {
    //抽象方法，要求子类必须重写
    public abstract int read() throws IOException;

    public int read(byte b[]) throws IOException {
        return read(b, 0, b.length);
    }

    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
        if (b == null) {
            throw new NullPointerException();
        } else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
            throw new IndexOutOfBoundsException();
        } else if (len == 0) {
            return 0;
        }

        int c = read(); //调用了无参的read方法，该方法是每次读取一个字节数据
        if (c == -1) {
            return -1;
        }
        b[off] = (byte)c;

        int i = 1;
        try {
            for (; i < len ; i++) {
                c = read();
                if (c == -1) {
                    break;
                }
                b[off + i] = (byte)c;
            }
        } catch (IOException ee) {
        }
        return i;
    }
}

从上面代码可以看到，无参的 read() 方法是抽象方法，要求子类必须实现。而 read(byte b[]) 方法调用了 read(byte b[], int off, int len) 方法，所以在此处重点看的方法是带三个参数的方法。

在该方法中第18行、27行，可以看到调用了无参的抽象的 read() 方法。

总结如下： 在InputStream父类中已经定义好了读取一个字节数组数据的方法是每次读取一个字节，并将其存储到数组的第一个索引位置，读取len个字节数据。具体如何读取一个字节数据呢？由子类实现。