模板方法模式(Template Method Pattern)是一种行为设计模式,它在父类中定义算法的框架 ,而将一些步骤的具体实现延迟到子类中,使得子类可以不改变算法结构的情况下重定义某些特定步骤。
核心概念
设计原则
模板方法模式遵循以下设计原则:
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好莱坞原则:"不要调用我们,我们会调用你" - 父类控制流程,子类提供实现
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开闭原则:对扩展开放(通过子类化),对修改关闭(不修改算法结构)
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单一职责原则:将可变部分分离到不同方法中
主要优点
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代码复用:将公共行为放在父类中
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反向控制:父类控制流程,子类提供细节
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灵活性:可以覆盖特定步骤而不改变结构
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扩展性:容易添加新的具体实现
模式结构
主要组件
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AbstractClass(抽象类)
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定义模板方法和抽象的基本操作
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模板方法调用基本操作完成算法
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ConcreteClass(具体类)
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实现抽象类定义的基本操作
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可以覆盖某些默认实现
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完整代码示例
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
// ==================== 抽象类 ====================
class DataProcessor {
protected:
// 基本操作 - 由子类实现
virtual void readData() = 0;
virtual void processData() = 0;
virtual void writeData() = 0;
// 钩子方法 - 可选覆盖
virtual bool shouldValidate() const { return true; }
virtual void validateData() {
std::cout << "默认数据验证..." << std::endl;
}
// 具体方法 - 公共实现
void openConnection() {
std::cout << "打开数据库连接..." << std::endl;
}
void closeConnection() {
std::cout << "关闭数据库连接..." << std::endl;
}
public:
// 模板方法 - 定义算法框架
void process() {
openConnection();
readData();
if (shouldValidate()) {
validateData();
}
processData();
writeData();
closeConnection();
}
virtual ~DataProcessor() = default;
};
// ==================== 具体类 ====================
class CsvDataProcessor : public DataProcessor {
protected:
void readData() override {
std::cout << "从CSV文件读取数据..." << std::endl;
}
void processData() override {
std::cout << "处理CSV数据..." << std::endl;
}
void writeData() override {
std::cout << "将处理结果写入CSV文件..." << std::endl;
}
bool shouldValidate() const override {
return false; // CSV数据不需要验证
}
};
class DatabaseDataProcessor : public DataProcessor {
protected:
void readData() override {
std::cout << "从数据库读取数据..." << std::endl;
}
void processData() override {
std::cout << "处理数据库数据..." << std::endl;
}
void writeData() override {
std::cout << "将处理结果写入数据库..." << std::endl;
}
void validateData() override {
std::cout << "执行严格的数据验证..." << std::endl;
}
};
class ApiDataProcessor : public DataProcessor {
protected:
void readData() override {
std::cout << "从API获取数据..." << std::endl;
}
void processData() override {
std::cout << "处理API数据..." << std::endl;
}
void writeData() override {
std::cout << "将处理结果通过API发送..." << std::endl;
}
bool shouldValidate() const override {
return true;
}
void openConnection() { // 覆盖具体方法
std::cout << "初始化API连接..." << std::endl;
}
void closeConnection() { // 覆盖具体方法
std::cout << "终止API连接..." << std::endl;
}
};
// ==================== 客户端代码 ====================
int main() {
std::cout << "=== 模板方法模式演示: 数据处理流程 ===" << std::endl;
std::cout << "\n处理CSV数据:" << std::endl;
CsvDataProcessor csvProcessor;
csvProcessor.process();
std::cout << "\n处理数据库数据:" << std::endl;
DatabaseDataProcessor dbProcessor;
dbProcessor.process();
std::cout << "\n处理API数据:" << std::endl;
ApiDataProcessor apiProcessor;
apiProcessor.process();
return 0;
}
模式变体
1. 使用钩子方法
class DocumentExporter {
protected:
virtual void prepareData() = 0;
virtual void generateFile() = 0;
// 钩子方法 - 可选步骤
virtual bool shouldCompress() const { return false; }
virtual void compressFile() {
std::cout << "使用默认压缩算法压缩文件..." << std::endl;
}
public:
void exportDocument() {
prepareData();
generateFile();
if (shouldCompress()) {
compressFile();
}
}
};
2. 模板方法与策略模式结合
// 策略接口
class ValidationStrategy {
public:
virtual void validate() = 0;
virtual ~ValidationStrategy() = default;
};
// 模板方法抽象类
class ReportGenerator {
std::unique_ptr<ValidationStrategy> validationStrategy_;
protected:
virtual void fetchData() = 0;
virtual void formatReport() = 0;
void validateData() {
if (validationStrategy_) {
validationStrategy_->validate();
}
}
public:
void setValidationStrategy(std::unique_ptr<ValidationStrategy> strategy) {
validationStrategy_ = std::move(strategy);
}
void generate() {
fetchData();
validateData();
formatReport();
}
};
实际应用场景
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框架设计:定义算法框架,允许用户自定义部分步骤
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数据处理流程:如示例中的数据读取-处理-写入流程
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游戏开发:游戏循环的固定流程
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编译器:编译流程中的固定步骤
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测试框架:测试用例的执行流程