设计模式：模板方法模式（Template Method Pattern）

TechNomad2025-09-08 23:19

文章目录

一、模板方法模式介绍

模板方法模式定义在一个抽象类中，规定了一个操作的执行流程（算法骨架），而将其中的一些步骤延迟到子类中去实现。父类控制整体流程（不会改变）；子类决定某些步骤的具体实现（可扩展）。核心思想就是固定算法框架，变化的部分交给子类去实现。

模板方法模式结构：

二、实例分析

问题：

假如你正在开发一款分析公司文档的数据挖掘程序。 用户需要向程序输入各种格式 （PDF、 DOC 或 CSV）的文档， 程序则会试图从这些文件中抽取有意义的数据， 并以统一的格式将其返回给用户。

该程序的首个版本仅支持 DOC 文件。 在接下来的一个版本中， 程序能够支持 CSV 文件。 一个月后， 你 "教会" 了程序从 PDF 文件中抽取数据。

一段时间后， 你发现这三个类中包含许多相似代码。 尽管这些类处理不同数据格式的代码完全不同， 但数据处理和分析的代码却几乎完全一样。 如果能在保持算法结构完整的情况下去除重复代码， 这难道不是一件很棒的事情吗？

还有另一个与使用这些类的客户端代码相关的问题： 客户端代码中包含许多条件语句， 以根据不同的处理对象类型选择合适的处理过程。 如果所有处理数据的类都拥有相同的接口或基类， 那么你就可以去除客户端代码中的条件语句， 转而使用多态机制来在处理对象上调用函数。

解决方案：

模板方法模式建议将算法分解为一系列步骤， 然后将这些步骤改写为方法， 最后在 "模板方法" 中依次调用这些方法。 步骤可以是 抽象的， 也可以有一些默认的实现。 为了能够使用算法， 客户端需要自行提供子类并实现所有的抽象步骤。 如有必要还需重写一些步骤 （但这一步中不包括模板方法自身）。

让我们考虑如何在数据挖掘应用中实现上述方案。 我们可为图中的三个解析算法创建一个基类， 该类将定义调用了一系列不同文档处理步骤的模板方法。

首先， 我们将所有步骤声明为 抽象类型， 强制要求子类自行实现这些方法。 在我们的例子中， 子类中已有所有必要的实现， 因此我们只需调整这些方法的签名， 使之与超类的方法匹配即可。

现在， 让我们看看如何去除重复代码。 对于不同的数据格式， 打开和关闭文件以及抽取和解析数据的代码都不同， 因此无需修改这些方法。 但分析原始数据和生成报告等其他步骤的实现方式非常相似， 因此可将其提取到基类中， 以让子类共享这些代码。

正如你所看到的那样， 我们有两种类型的步骤：

  • 抽象步骤必须由各个子类来实现
  • 可选步骤已有一些默认实现， 但仍可在需要时进行重写

还有另一种名为钩子的步骤。 钩子是内容为空的可选步骤。 即使不重写钩子， 模板方法也能工作。 钩子通常放置在算法重要步骤的前后， 为子类提供额外的算法扩展点。

不同的数据格式（DOC、CSV、PDF） 都需要执行类似的处理流程：

  1. 打开文件
  2. 提取原始数据
  3. 解析数据
  4. 分析数据
  5. 生成报告
  6. 关闭文件

不同点：每种文件格式提取/解析的方法不同

相同点：文件打开/关闭、分析、报告生成的逻辑相同

UML 类图：

cpp 复制代码 
          ┌───────────────────────┐
          │      DataMiner        │  <-- 抽象类，定义算法骨架
          │-----------------------│
          │ + mine(path)          │  <-- 模板方法
          │ + openFile(path)      │
          │ + closeFile(file)     │
          │ + analyzeData(data)   │
          │ + sendReport(result)  │
          │ # extractData(file)   │  <-- 抽象方法
          │ # parseData(raw)      │  <-- 抽象方法
          └─────────▲────────────┘
                    │
 ┌──────────────────┼──────────────────┐
 │                  │                  │
 │                  │                  │
▼                  ▼                  ▼
DocDataMiner   CSVDataMiner       PDFDataMiner

示例代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// =============== 抽象基类 ===============
class DataMiner {
public:
    // 模板方法：固定算法骨架
    void mine(const string& path) {
        string file = openFile(path);
        string rawData = extractData(file);
        string data = parseData(rawData);
        string analysis = analyzeData(data);
        sendReport(analysis);
        closeFile(file);
    }

protected:
    // 公共部分
    string openFile(const string& path) {
        cout << "打开文件: " << path << endl;
        return "file_handle";
    }
    void closeFile(const string& file) {
        cout << "关闭文件: " << file << endl;
    }
    string analyzeData(const string& data) {
        cout << "分析数据..." << endl;
        return "分析结果";
    }
    void sendReport(const string& analysis) {
        cout << "发送报告: " << analysis << endl;
    }

    // 需要子类实现的部分
    virtual string extractData(const string& file) = 0;
    virtual string parseData(const string& rawData) = 0;
};

// =============== 子类：DOC ===============
class DocDataMiner : public DataMiner {
protected:
    string extractData(const string& file) override {
        cout << "提取 DOC 数据..." << endl;
        return "doc_raw";
    }
    string parseData(const string& rawData) override {
        cout << "解析 DOC 数据..." << endl;
        return "doc_data";
    }
};

// =============== 子类：CSV ===============
class CsvDataMiner : public DataMiner {
protected:
    string extractData(const string& file) override {
        cout << "提取 CSV 数据..." << endl;
        return "csv_raw";
    }
    string parseData(const string& rawData) override {
        cout << "解析 CSV 数据..." << endl;
        return "csv_data";
    }
};

// =============== 子类：PDF ===============
class PdfDataMiner : public DataMiner {
protected:
    string extractData(const string& file) override {
        cout << "提取 PDF 数据..." << endl;
        return "pdf_raw";
    }
    string parseData(const string& rawData) override {
        cout << "解析 PDF 数据..." << endl;
        return "pdf_data";
    }
};

// =============== 测试 ===============
int main() {
    DocDataMiner docMiner;
    CsvDataMiner csvMiner;
    PdfDataMiner pdfMiner;

    cout << "\n=== DOC 数据挖掘 ===" << endl;
    docMiner.mine("file.doc");

    cout << "\n=== CSV 数据挖掘 ===" << endl;
    csvMiner.mine("file.csv");

    cout << "\n=== PDF 数据挖掘 ===" << endl;
    pdfMiner.mine("file.pdf");

    return 0;
}

三、示例代码

示例一：

假设我们要实现一个"数据导入"的流程：

  1. 读取数据
  2. 解析数据
  3. 保存数据

不同数据源（CSV、JSON、XML）处理方式不同。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

// 抽象类：模板方法模式
class DataImporter {
public:
    // 模板方法：定义算法骨架
    void import() {
        readData();
        parseData();
        saveData();
    }

protected:
    virtual void readData() = 0;   // 由子类实现
    virtual void parseData() = 0;  // 由子类实现

    // 公共步骤：保存数据
    void saveData() {
        cout << "保存数据到数据库..." << endl;
    }
};

// 具体实现：CSV 导入
class CsvImporter : public DataImporter {
protected:
    void readData() override {
        cout << "读取 CSV 文件..." << endl;
    }
    void parseData() override {
        cout << "解析 CSV 数据..." << endl;
    }
};

// 具体实现：JSON 导入
class JsonImporter : public DataImporter {
protected:
    void readData() override {
        cout << "读取 JSON 文件..." << endl;
    }
    void parseData() override {
        cout << "解析 JSON 数据..." << endl;
    }
};

// 具体实现：XML 导入
class XmlImporter : public DataImporter {
protected:
    void readData() override {
        cout << "读取 XML 文件..." << endl;
    }
    void parseData() override {
        cout << "解析 XML 数据..." << endl;
    }
};

// ================== 测试 ==================
int main() {
    CsvImporter csv;
    JsonImporter json;
    XmlImporter xml;

    cout << "=== CSV 导入 ===" << endl;
    csv.import();

    cout << "\n=== JSON 导入 ===" << endl;
    json.import();

    cout << "\n=== XML 导入 ===" << endl;
    xml.import();

    return 0;
}

示例二：

主窗口里有三个按钮：CSV 导入、JSON 导入、XML 导入；点击按钮后，会调用不同的导入流程，但流程的骨架由模板方法固定：

  1. 读取数据
  2. 解析数据
  3. 保存数据

在界面上通过 QTextEdit 显示执行结果。

cpp 复制代码 
#include <QApplication>
#include <QMainWindow>
#include <QPushButton>
#include <QTextEdit>
#include <QVBoxLayout>
#include <QWidget>

// ================= 抽象类：模板方法 =================
class DataImporter : public QObject {
    Q_OBJECT
public:
    explicit DataImporter(QTextEdit* output, QObject* parent = nullptr)
        : QObject(parent), m_output(output) {}

    // 模板方法：固定流程
    void import() {
        readData();
        parseData();
        saveData();
    }

protected:
    QTextEdit* m_output;

    virtual void readData() = 0;   // 子类实现
    virtual void parseData() = 0;  // 子类实现

    void saveData() {
        m_output->append("保存数据到数据库...\n");
    }
};

// ================= CSV 导入 =================
class CsvImporter : public DataImporter {
public:
    using DataImporter::DataImporter;
protected:
    void readData() override {
        m_output->append("读取 CSV 文件...");
    }
    void parseData() override {
        m_output->append("解析 CSV 数据...");
    }
};

// ================= JSON 导入 =================
class JsonImporter : public DataImporter {
public:
    using DataImporter::DataImporter;
protected:
    void readData() override {
        m_output->append("读取 JSON 文件...");
    }
    void parseData() override {
        m_output->append("解析 JSON 数据...");
    }
};

// ================= XML 导入 =================
class XmlImporter : public DataImporter {
public:
    using DataImporter::DataImporter;
protected:
    void readData() override {
        m_output->append("读取 XML 文件...");
    }
    void parseData() override {
        m_output->append("解析 XML 数据...");
    }
};

// ================= 主窗口 =================
class MainWindow : public QMainWindow {
    Q_OBJECT
public:
    MainWindow(QWidget* parent = nullptr) : QMainWindow(parent) {
        QWidget* central = new QWidget(this);
        QVBoxLayout* layout = new QVBoxLayout(central);

        m_output = new QTextEdit(this);
        m_output->setReadOnly(true);

        QPushButton* btnCsv = new QPushButton("导入 CSV", this);
        QPushButton* btnJson = new QPushButton("导入 JSON", this);
        QPushButton* btnXml = new QPushButton("导入 XML", this);

        layout->addWidget(m_output);
        layout->addWidget(btnCsv);
        layout->addWidget(btnJson);
        layout->addWidget(btnXml);

        setCentralWidget(central);
        resize(400, 300);

        // 连接信号槽
        connect(btnCsv, &QPushButton::clicked, this, &MainWindow::onCsvClicked);
        connect(btnJson, &QPushButton::clicked, this, &MainWindow::onJsonClicked);
        connect(btnXml, &QPushButton::clicked, this, &MainWindow::onXmlClicked);
    }

private slots:
    void onCsvClicked() {
        CsvImporter importer(m_output);
        importer.import();
    }
    void onJsonClicked() {
        JsonImporter importer(m_output);
        importer.import();
    }
    void onXmlClicked() {
        XmlImporter importer(m_output);
        importer.import();
    }

private:
    QTextEdit* m_output;
};

// ================= main =================
int main(int argc, char *argv[]) {
    QApplication app(argc, argv);
    MainWindow w;
    w.show();
    return app.exec();
}

示例三：

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