Java 设计模式系列：模板方法模式

简介

模板方法模式是一种行为型设计模式，它定义一个操作中的算法骨架，将一些步骤推迟到子类中。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。

在模板方法模式中，抽象类中定义了一系列基本操作，这些操作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。在子类中可以重定义或实现这些步骤，同时抽象类实现了一个模板方法，定义一个算法的框架。

模板方法模式通过封装不变部分，扩展可变部分，将特定步骤的具体实现与操作流程分离开来，实现了代码的复用和扩展，提高了代码质量和可维护性。同时，由于模板方法模式将具体实现由子类来完成，因此可以方便地扩展新的功能或变更实现方式，同时不影响模板方法本身。

然而，模板方法模式也存在一些缺点。由于每个算法都需要一个抽象类和具体子类来实现，因此在操作流程比较多时可能导致类的数量急剧增加，从而导致代码的复杂性提高。同时，由于模板方法和子类紧密相关，如果该模板方法需要修改，可能会涉及到多个子类的修改。

结构

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。

案例实现

【例】炒菜

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：

代码如下：

java 复制代码

public abstract class AbstractClass {
    
    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）
    public abstract void pourVegetable();

    //第四步：倒调味料是不一样
    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");
    }
}

public class ConcreteClass_BaoCai extends AbstractClass {

    @Override
    public void pourVegetable() {
        System.out.println("下锅的蔬菜是包菜");
    }

    @Override
    public void pourSauce() {
        System.out.println("下锅的酱料是辣椒");
    }
}

public class ConcreteClass_CaiXin extends AbstractClass {
    @Override
    public void pourVegetable() {
        System.out.println("下锅的蔬菜是菜心");
    }

    @Override
    public void pourSauce() {
        System.out.println("下锅的酱料是蒜蓉");
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //炒手撕包菜
        ConcreteClass_BaoCai baoCai = new ConcreteClass_BaoCai();
        baoCai.cookProcess();

        //炒蒜蓉菜心
        ConcreteClass_CaiXin caiXin = new ConcreteClass_CaiXin();
        caiXin.cookProcess();
    }
}

注意：为防止恶意操作，一般模板方法都加上 final 关键词。

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。

源码中的应用

JDK中

java.io.InputStream ：这是 Java 输入流的抽象类。它定义了一系列读取字节的方法，如read()和read(byte[] b, int off, int len)。它的子类，如FileInputStream和ByteArrayInputStream等，实现了这些抽象方法以提供不同的输入来源。

https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/io/InputStream.java
java.util.AbstractList ：这是 Java 集合框架中 List 接口的抽象实现。它实现了 List 接口中的大部分方法，例如get(int index)和size()，而add(int index, E element)和remove(int index)等修改列表的方法则被定义为抽象，留给具体的子类实现。

https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/util/AbstractList.java
javax.servlet.http.HttpServlet ：这是 Java Servlet API 中的一个关键类，用于处理 HTTP 请求。HttpServlet定义了doGet()、doPost()等用于处理不同 HTTP 方法的抽象方法，开发人员可以通过扩展HttpServlet并覆盖这些方法来编写自定义的 HTTP 请求处理逻辑。

Spring中

JdbcTemplate ：JdbcTemplate 是 Spring JDBC 模块中的一个核心类，它简化了 JDBC 编程。JdbcTemplate 使用了模板方法模式，定义了一组模板方法，如execute()、query()、update()等，这些方法定义了 JDBC 操作的通用流程，但将实际的 SQL 查询、参数设置等操作留给了回调接口或者 Lambda 表达式，使得用户可以根据需要进行定制。
RestTemplate ：在 Spring Web 模块中，RestTemplate 是一个用于访问 RESTful 服务的客户端类。它也使用了模板方法模式，定义了一组模板方法，如getForObject()、postForObject()等，这些方法封装了 HTTP 请求的通用逻辑，但实际的 HTTP 请求发送和响应处理由具体的 HTTP 消息转换器等组件来实现。
AbstractController ：在 Spring MVC 中，AbstractController 是一个抽象控制器类，它定义了一些处理请求的模板方法，如handleRequestInternal()。开发者可以通过扩展AbstractController并实现这些模板方法来创建自定义的控制器，从而实现特定的请求处理逻辑。