妙解设计模式之模板模式

模板模式的概念

模板模式 是一种行为型设计模式，它定义了一个操作的算法骨架，将某些步骤的实现延迟到子类中。通过模板模式，子类可以不改变算法的结构即可重新定义算法中的某些步骤。

简单来说，模板模式让你在一个方法中定义好算法的整体步骤，而具体每个步骤的实现可以由子类来完成。这样可以避免重复代码，并且使算法结构更加清晰。

模板模式的结构

模板模式一般包括以下角色：

抽象类（Abstract Class）：定义算法的骨架，并声明一些抽象方法，这些抽象方法由子类实现。

具体子类（Concrete Class）：实现抽象类中的抽象方法，从而完成算法中的具体步骤。

为什么需要模板模式

**代码复用：**模板模式可以将通用的算法步骤定义在一个父类中，避免了在每个子类中重复编写相同的代码。例如，在前面的例子中，烧水和倒入杯中的步骤是所有饮料制作过程中都需要的，所以这部分代码可以放在抽象类中，子类不需要重复实现。

**控制算法的结构：**模板模式让你可以控制算法的整体结构，而将细节实现留给子类去完成。这样即使在子类中改变了某些步骤的实现，算法的整体流程仍然保持不变。这保证了代码的稳定性和一致性。

**灵活应对变化：**模板模式允许你在不改变算法结构的前提下，通过子类来改变某些步骤的实现。这使得系统更加灵活，能够轻松应对需求的变化。例如，如果需要添加一种新类型的饮料，只需要创建一个新的子类实现相应的步骤，而不需要修改现有的代码。

**避免代码的重复和复杂性：**在一个复杂的系统中，如果没有模板模式，可能会出现许多重复的代码，或者需要在多个地方维护类似的算法结构。这不仅增加了代码的复杂性，还容易引入错误。模板模式通过将通用的部分抽取出来，减少了代码的重复，提高了代码的可维护性。

**易于维护：**模板模式将具体步骤的实现与算法的结构分离开来，使得代码更容易理解和维护。当你需要修改某个步骤时，只需在相应的子类中进行修改，而不必担心影响到其他部分。

##生活中的例子

假设我们有一个制作咖啡和茶的过程。制作咖啡和茶的步骤大致相同：烧水、冲泡、倒入杯中、加入调味料（糖、牛奶或者其它）。但每一步中可能有一些细节不同。我们可以用模板模式来抽象出这个过程。

java 复制代码

// 抽象类
abstract class Beverage {
    // 模板方法
    final void prepareRecipe() {
        boilWater();
        brew();
        pourInCup();
        addCondiments();
    }

    abstract void brew(); // 冲泡的步骤，由子类实现
    abstract void addCondiments(); // 加调味料的步骤，由子类实现

    void boilWater() {
        System.out.println("冲开水");
    }

    void pourInCup() {
        System.out.println("倒入杯子中");
    }
}

// 具体子类 - 咖啡
class Coffee extends Beverage {
    void brew() {
        System.out.println("用过滤器冲泡咖啡");
    }

    void addCondiments() {
        System.out.println("加糖");
    }
}

// 具体子类 - 茶
class Tea extends Beverage {
    void brew() {
        System.out.println("泡茶");
    }

    void addCondiments() {
        System.out.println("加点菊花");
    }
}

// 测试模板模式
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Beverage coffee = new Coffee();
        coffee.prepareRecipe();

        Beverage tea = new Tea();
        tea.prepareRecipe();
    }
}

编程中的例子

假设你需要开发一个系统来处理不同类型的文件（如CSV、XML、JSON）。每种文件的处理过程有些相似 ，但也有各自的特点。比如，处理每个文件的步骤包括：读取文件、解析文件、处理数据和保存结果。为了避免重复代码和增强系统的扩展性，可以使用模板模式。

步骤1：定义抽象类 FileProcessor

首先，我们创建一个抽象类 FileProcessor，定义文件处理的模板方法以及抽象方法。

java 复制代码

abstract class FileProcessor {
    // 模板方法，定义文件处理的步骤
    final void processFile(String filePath) {
        readFile(filePath);
        parseFile();
        processData();
        saveResult();
    }

    // 读取文件
    void readFile(String filePath) {
        System.out.println("读取文件" + filePath);
    }

    // 抽象方法，由子类实现解析逻辑
    abstract void parseFile();

    // 抽象方法，由子类实现数据处理逻辑
    abstract void processData();

    // 保存结果
    void saveResult() {
        System.out.println("保存结果");
    }
}

步骤2：实现具体子类

现在，我们为每种文件类型实现具体的子类。

处理CSV文件的子类

java 复制代码

class CSVFileProcessor extends FileProcessor {
    void parseFile() {
        System.out.println("解析CSV文件");
    }

    void processData() {
        System.out.println("处理CSV文件中的数据");
    }
}

处理XML文件的子类

java 复制代码

class XMLFileProcessor extends FileProcessor {
    void parseFile() {
        System.out.println("解析XML文件");
    }

    void processData() {
        System.out.println("处理XML文件中的数据");
    }
}

处理JSON文件的子类

java 复制代码

class JSONFileProcessor extends FileProcessor {
    void parseFile() {
        System.out.println("解析JSON文件");
    }

    void processData() {
        System.out.println("处理JSON文件中的数据");
    }
}

步骤3：使用模板模式处理不同类型的文件

我们可以通过创建不同的子类实例来处理不同类型的文件，而不需要重复编写读取文件、保存结果等相同的步骤。

java 复制代码

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 处理CSV文件
        FileProcessor csvProcessor = new CSVFileProcessor();
        csvProcessor.processFile("data.csv");

        // 处理XML文件
        FileProcessor xmlProcessor = new XMLFileProcessor();
        xmlProcessor.processFile("data.xml");

        // 处理JSON文件
        FileProcessor jsonProcessor = new JSONFileProcessor();
        jsonProcessor.processFile("data.json");
    }
}

软件工程中的实际应用

框架设计

框架通常提供了某种算法或操作的整体结构，但允许开发人员在其中插入自定义的实现。例如，在一个Web应用框架中，框架可能会定义一个请求处理的模板方法，处理流程包括请求的解析、业务逻辑处理、视图渲染等。开发人员只需在特定的步骤中插入自己的业务逻辑，而不需要改变整体的请求处理流程。

例子：Spring Framework中的模板方法

在Spring Framework中，JdbcTemplate是一个常见的例子。JdbcTemplate提供了一个执行数据库查询的通用模板，而用户只需要实现特定的查询处理逻辑。

java 复制代码

public void execute() {
    try {
        // 通用的打开连接、处理事务等步骤
        executeStatement(); // 具体的执行逻辑，由用户定义
    } catch (SQLException ex) {
        // 错误处理
    } finally {
        // 通用的资源释放步骤
    }
}

代码复用

在大型系统中，不同模块或组件可能会涉及到类似的操作逻辑，但某些步骤会有所不同。模板模式允许将这些通用步骤抽象出来，减少代码重复，提高复用性。

例子：文件导入导出功能

在数据导入导出系统中，不同的数据源（如CSV、Excel、数据库）可能需要相似的处理步骤：读取数据、解析数据、存储数据。可以通过模板模式将这些通用步骤抽象出来，而让具体的数据源处理方式在子类中实现。

测试框架

测试框架中，尤其是单元测试框架中，模板模式被广泛应用。测试流程通常包括：设置测试环境、执行测试、清理测试环境。不同的测试用例可能需要不同的设置和清理步骤，但执行测试的流程是固定的。

例子：JUnit测试框架

在JUnit框架中，测试类通常继承自一个测试基类。测试基类提供了测试执行的模板方法，而具体的测试逻辑和初始化、清理逻辑由子类实现。

java 复制代码

public abstract class TestCase {
    public void run() {
        setUp();   // 设置测试环境
        try {
            runTest();  // 运行具体测试方法
        } finally {
            tearDown(); // 清理测试环境
        }
    }

    protected abstract void runTest();
    protected void setUp() {}
    protected void tearDown() {}
}

算法设计

在一些复杂的算法实现中，算法的整体结构是固定的，但某些步骤可能会根据具体情况有所不同。模板模式允许这些步骤的实现细节由子类来定义，而不改变算法的整体框架。

例子：排序算法

考虑一个需要支持多种排序方式的排序系统，系统中可以定义一个通用的排序模板方法，而让具体的排序算法（如快速排序、归并排序）在子类中实现。

java 复制代码

abstract class Sorter {
    public void sort(int[] array) {
        // 通用的排序准备步骤
        sortArray(array);  // 具体的排序算法
        // 通用的排序完成步骤
    }

    protected abstract void sortArray(int[] array);
}

工作流引擎

工作流引擎通常需要处理一系列的步骤，如审批流程、任务分配等。这些流程的步骤顺序是固定的，但不同的工作流可能会在某些步骤上有不同的处理逻辑。模板模式可以帮助定义工作流的整体框架，并允许具体的工作流子类自定义特定步骤的实现。

例子：审批流程

在一个审批系统中，不同的审批流程（如请假审批、报销审批）可能共享某些通用步骤（如提交申请、初审、复审），但每个步骤的具体实现可能不同。通过模板模式，可以将审批流程的整体框架定义在父类中，而让不同的审批类型在子类中实现各自的逻辑。

游戏开发

在游戏开发中，模板模式可以用于定义通用的游戏对象行为或事件处理流程。例如，角色的行为可能包括初始化、执行动作、清理资源等步骤。这些步骤可以作为一个模板方法，具体的角色类型（如敌人、玩家）可以在子类中实现各自的动作逻辑。

例子：角色行为

java 复制代码

abstract class GameCharacter {
    public void performAction() {
        initialize();  // 初始化
        execute();     // 执行动作
        cleanUp();     // 清理资源
    }

    protected abstract void initialize();
    protected abstract void execute();
    protected abstract void cleanUp();
}