设计模式-模板方法模式（TemplateMethod）

BrightChen6662024-04-21 22:10

1. 概念

  • 模板方法模式是一种行为设计模式，它在抽象类中定义一个操作的算法骨架，将一些步骤的实现延迟到子类中，使得子类可以在不改变算法结构的情况下重定义某些步骤，从而实现代码的复用和扩展。

2. 原理结构图

2.1 图
2.2 角色
  • 抽象类（Abstract Class）
    • 定义抽象的基本操作（Primitive Operations），这些操作构成了模板方法的骨架。
    • 实现模板方法（Template Method），模板方法是定义算法结构的方法，它调用基本操作来执行这个算法的步骤。
    • 可以定义一些钩子（Hook），这些是抽象方法或具体方法，提供了默认实现，子类可以选择性地覆盖它们。
      • 具体方法（Concrete Methods）
        • 在抽象类中实现一些不变化的方法，即那些构成算法骨架的共同步骤。
        • 通常是私有（Private）或者最终（Final）的，以确保子类不会改变这些方法。
      • 抽象操作（Abstract Operations）
        • 在抽象类中声明的一些抽象方法，它们代表了算法中需要由子类实现的可变部分。
        • 通常这些抽象操作对应于算法的某些特定步骤，子类将根据具体需求来实现这些步骤。
  • 具体子类（Concrete Class）
    • 继承自抽象类的具体子类。
    • 实现或覆盖抽象操作以提供具体的实现细节。
    • 如果有需要，也可以覆盖钩子方法来影响算法的某些部分。
  • 客户端（Client）
    • 调用抽象类中的模板方法，通常会通过一个具体子类的实例来进行调用。

3. 代码示例

3.1 示例1--在线购物系统
  • 假设正在开发一个在线购物系统，其中有不同的支付方式（如信用卡支付、支付宝支付等）。每种支付方式可能有一些共通的步骤，如验证支付信息、处理支付等，但也有一些特定的步骤，如与支付网关交互。
java 复制代码 
abstract class Payment {

    // 模板方法，定义了支付处理的流程
    public final void processPayment() {
        validatePaymentInfo();
        performPrePaymentOperations();
        handlePayment();
        performPostPaymentOperations();
    }

    // 抽象方法，由具体子类实现
    protected abstract void validatePaymentInfo();

    protected abstract void handlePayment();

    // 钩子方法，可以有默认实现，子类可以选择覆盖
    protected void performPrePaymentOperations() {
        System.out.println("Performing pre-payment operations (default implementation).");
    }

    // 钩子方法，可以有默认实现，子类可以选择覆盖
    protected void performPostPaymentOperations() {
        System.out.println("Performing post-payment operations (default implementation).");
    }
}

// 信用卡支付子类
class CreditCardPayment extends Payment {

    @Override
    protected void validatePaymentInfo() {
        System.out.println("Validating credit card payment info.");
        // 实现具体的验证逻辑
    }

    @Override
    protected void handlePayment() {
        System.out.println("Handling credit card payment with payment gateway.");
        // 实现与支付网关交互的逻辑
    }

    // 覆盖钩子方法以提供自定义行为
    @Override
    protected void performPostPaymentOperations() {
        System.out.println("Updating order status after credit card payment.");
        // 实现更新订单状态的逻辑
    }
}

// 支付宝支付子类
class AlipayPayment extends Payment {

    @Override
    protected void validatePaymentInfo() {
        System.out.println("Validating Alipay payment info.");
        // 实现具体的验证逻辑
    }

    @Override
    protected void handlePayment() {
        System.out.println("Handling Alipay payment with Alipay gateway.");
        // 实现与支付宝网关交互的逻辑
    }

    // 不需要覆盖钩子方法，使用默认实现
}

public class PaymentProcessor {
    public static void main(String[] args) {
        Payment creditCardPayment = new CreditCardPayment();
        Payment alipayPayment = new AlipayPayment();

        // 处理信用卡支付
        creditCardPayment.processPayment();

        // 处理支付宝支付
        alipayPayment.processPayment();
    }
}
  • 将看到如下输出：
java 复制代码 
Validating credit card payment info.
Performing pre-payment operations (default implementation).
Handling credit card payment with payment gateway.
Updating order status after credit card payment.
Validating Alipay payment info.
Performing pre-payment operations (default implementation).
Handling Alipay payment with Alipay gateway.
Performing post-payment operations (default implementation).
  • 在这个例子中，Payment 类定义了支付处理的算法骨架，CreditCardPayment 和 AlipayPayment 子类则提供了具体实现的细节。processPayment 方法作为模板方法，确保每种支付方式都遵循相同的处理流程，而子类则负责实现各自特有的验证和支付逻辑。同时，钩子方法 performPrePaymentOperations 和 performPostPaymentOperations 提供了额外的扩展点，允许子类在需要时插入自定义的行为。
3.2 示例2--文件处理系统
  • 定义一个处理文件的通用流程，但具体的文件读取和写入操作可以由不同的子类来实现。
java 复制代码 
// 抽象类，定义文件处理的模板方法  
abstract class FileProcessor {

    // 模板方法，定义了文件处理的流程  
    public final void processFile(String filePath) {
        System.out.println("Starting file processing...");

        // 读取文件内容  
        String content = readFile(filePath);

        // 对读取的内容进行处理  
        String processedContent = processContent(content);

        // 将处理后的内容写入文件  
        writeFile(processedContent, filePath);

        System.out.println("File processing completed.");
    }

    // 抽象方法，由子类提供具体的实现  
    protected abstract String readFile(String filePath);

    // 抽象方法，由子类提供具体的实现  
    protected abstract String processContent(String content);

    // 抽象方法，由子类提供具体的实现  
    protected abstract void writeFile(String content, String filePath);

    // 可以提供一个钩子方法，允许子类在必要时覆盖  
    protected void beforeProcessing() {
        System.out.println("Before processing hook method.");
    }

    // 可以提供一个钩子方法，允许子类在必要时覆盖  
    protected void afterProcessing() {
        System.out.println("After processing hook method.");
    }
}

// 具体类1，实现文件处理器，用于处理文本文件  
class TextFileProcessor extends FileProcessor {

    @Override
    protected String readFile(String filePath) {
        // 实现读取文本文件的逻辑  
        System.out.println("Reading text file: " + filePath);
        // 假设这里返回读取到的文件内容  
        return "Content from text file";
    }

    @Override
    protected String processContent(String content) {
        // 实现处理文本文件内容的逻辑  
        System.out.println("Processing text content...");
        // 假设这里对内容进行了处理  
        return "Processed text content";
    }

    @Override
    protected void writeFile(String content, String filePath) {
        // 实现写入文本文件的逻辑  
        System.out.println("Writing to text file: " + filePath);
        // 假设这里将内容写入了文件  
    }

    // 可以选择覆盖钩子方法  
    @Override
    protected void beforeProcessing() {
        System.out.println("Before processing text file.");
    }
}

// 具体类2，实现文件处理器，用于处理二进制文件  
class BinaryFileProcessor extends FileProcessor {

    @Override
    protected String readFile(String filePath) {
        // 实现读取二进制文件的逻辑  
        System.out.println("Reading binary file: " + filePath);
        // 假设这里返回读取到的二进制内容（转换为字符串表示）  
        return "Content from binary file";
    }

    @Override
    protected String processContent(String content) {
        // 实现处理二进制文件内容的逻辑  
        System.out.println("Processing binary content...");
        // 假设这里对内容进行了处理  
        return "Processed binary content";
    }

    @Override
    protected void writeFile(String content, String filePath) {
        // 实现写入二进制文件的逻辑  
        System.out.println("Writing to binary file: " + filePath);
        // 假设这里将内容写入了文件  
    }
}

// 主类，用于演示模板方法模式的使用  
public class FileProcessorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建文本文件处理器对象  
        FileProcessor textFileProcessor = new TextFileProcessor();
        // 使用文本文件处理器处理文件  
        textFileProcessor.processFile("path/to/text/file.txt");

        // 创建二进制文件处理器对象  
        FileProcessor binaryFileProcessor = new BinaryFileProcessor();
        // 使用二进制文件处理器处理文件  
        binaryFileProcessor.processFile("path/to/binary/file.bin");
    }
}
  • 将看到如下输出：
java 复制代码 
Starting file processing...
Reading text file: path/to/text/file.txt
Processing text content...
Writing to text file: path/to/text/file.txt
File processing completed.
Starting file processing...
Reading binary file: path/to/binary/file.bin
Processing binary content...
Writing to binary file: path/to/binary/file.bin
File processing completed.
  • 在这个例子中，FileProcessor 是一个抽象类，它定义了一个 processFile 模板方法，该方法按照预定的顺序调用了三个抽象方法：readFile、processContent 和 writeFile。这些抽象方法必须由子类提供具体的实现。
  • TextFileProcessor 和 BinaryFileProcessor 是 FileProcessor 的具体子类，分别用于处理文本文件和二进制文件。每个子类都提供了 readFile、processContent 和 writeFile 方法的具体实现，以符合它们各自处理文件类型的特定需求。
  • FileProcessorDemo 类是主类，用于演示如何使用这两个具体的文件处理器。通过创建 TextFileProcessor 和 BinaryFileProcessor 的实例，并调用它们的 processFile 方法，可以执行文件处理流程。

4. 优缺点

  • 主要作用
    • 定义一个操作中的算法骨架，并将一些步骤延迟到子类中实现。
  • 优点
    • 代码复用：通过定义稳定的操作序列，减少了重复代码的编写，提高了代码复用性。
    • 结构清晰：将不变的部分和可变的部分分离，使得操作流程更加清晰和易于理解。
    • 扩展性好：子类可以通过实现抽象方法来定制特定步骤，从而在不修改原有结构的情况下进行扩展。
    • 易于维护：由于操作流程被统一管理，当需要修改流程时，只需在抽象类或模板方法中修改，减少了维护工作量。
  • 缺点
    • 抽象类的数量增加：为了使用模板方法，可能需要创建新的抽象类。
    • 代码的复杂性：对于初学者而言，理解模板方法的继承和多态特性可能较为复杂。
    • 子类的依赖性增加：子类需要依赖父类的具体实现，这可能导致子类与父类之间的耦合度增加。

5. 应用场景

5.1 主要包括以下几个方面
  1. 有固定处理步骤的算法：当一个复杂的算法或流程中的某些步骤在各个子类中实现相同，而某些步骤需要根据具体子类实现不同功能时，可以使用模板方法模式。
  2. 代码复用和扩展性要求高的场景：如果希望在不改变算法结构的前提下，通过继承机制来扩展程序的功能，模板方法模式可以实现这一点。
  3. 有多个子类共享相似处理过程的情况：当多个子类具有类似的处理流程，但部分处理步骤在各子类间有所差异时，模板方法可以将这些步骤抽象化，并在抽象类中定义共同的处理过程。
  4. 插件式系统：当希望系统能够动态地加载和卸载功能模块时，模板方法模式允许将新功能的实现作为插件插入到系统中，而不需要修改现有代码。
  5. 框架开发：在设计软件框架时，模板方法模式可以用来定义框架的基础结构和默认行为，同时允许用户通过继承机制定制特定行为。
5.2 实际应用
  1. 文件读取和处理：当需要从不同类型的文件中读取数据并进行处理时，可以使用模板方法模式。首先定义一个抽象类，其中包含读取文件、解析数据和处理数据的步骤。然后，为每种文件类型创建一个子类，实现具体的读取和解析方法。这样，可以确保处理流程的一致性，同时根据不同的文件类型提供特定的实现。
  2. 图形绘制：在图形绘制系统中，可以使用模板方法模式来定义绘制不同形状的算法骨架。首先定义一个抽象类，其中包含绘制形状的步骤，如设置画笔颜色、绘制边框等。然后，为每种形状创建一个子类，实现具体的绘制方法。这样，可以确保绘制流程的一致性，同时根据不同的形状提供特定的实现。
  3. 网络请求处理：在网络应用程序中，可以使用模板方法模式来处理不同类型的网络请求。首先定义一个抽象类，其中包含发送请求、接收响应和处理结果的步骤。然后，为每种请求类型创建一个子类，实现具体的发送和接收方法。这样，可以确保请求处理流程的一致性，同时根据不同的请求类型提供特定的实现。
  4. 游戏开发：在游戏开发中，可以使用模板方法模式来定义游戏的主循环。首先定义一个抽象类，其中包含更新游戏状态、渲染画面和处理用户输入的步骤。然后，为每种游戏类型创建一个子类，实现具体的更新和渲染方法。这样，可以确保游戏循环的一致性，同时根据不同的游戏类型提供特定的实现。

6. JDK中的使用

  • 集合框架：在java.util.Collections类中，例如sort()方法就是一个模板方法。它定义了排序的算法骨架，具体的比较逻辑则由实现Comparator接口的子类来完成。
  • I/O流：java.io.InputStream和java.io.OutputStream等抽象类中使用了模板方法模式。它们定义了读取和写入数据的基本步骤，而具体如何读取和写入则由子类如FileInputStream和FileOutputStream来实现。
  • JUnit测试框架：在JUnit中，TestCase类使用了模板方法模式。setUp()和tearDown()方法定义了测试用例执行前后的准备工作和清理工作，而具体的测试逻辑则在继承自TestCase的子类中实现。

7. 注意事项

  • 合理使用：模板方法模式适用于有固定算法结构，但某些步骤需要在不同子类中具体实现的情况。不是所有的场景都需要使用模板方法模式，只有在多个子类中需要重复实现一些通用方法或算法时，才考虑使用它。
  • 区分钩子方法：模板方法模式中的钩子方法是一种可选的扩展点，它们可以为子类提供覆盖超类中某些步骤的机会。正确理解和使用钩子方法与模板方法的关系，可以帮助更好地实现算法的可定制性。
  • 避免滥用：尽管模板方法模式可以提高系统的扩展性，但过度使用可能导致代码复杂性和维护难度增加。因此，应当在确实需要时才使用模板方法模式。
  • 关注子类实现：在使用模板方法模式时，需要确保子类正确地实现了所有抽象方法，否则可能导致运行时错误或逻辑不一致。

8. 模板方法模式 VS 建造者模式

模式 类型 目的 模式架构主要角色 应用场景
模板方法模式 行为型 定义一个操作中的算法骨架，并将一些步骤延迟到子类中实现。 抽象类和具体方法类 适用于有固定处理步骤的算法，但某些步骤需要在不同的子类中实现时使用。
建造者模式 创建型 将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。 Builder、ConcreteBuilder、Director 和 Product 适用于创建复杂对象
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