【设计模式系列笔记】模板方法模式-阿里云开发者社区

1. 模板方法模式介绍

在Java中，模板方法模式是一种行为设计模式，它定义了一个算法的骨架，并允许子类在不改变该算法结构的情况下重新定义算法的某些步骤。这种模式属于行为型模式，它通过将算法的不同部分封装在不同的方法中，从而使子类能够在不改变算法结构的前提下定制算法的某些步骤。

2. 关键思想

模板方法模式的关键思想是定义一个算法的骨架，将算法中的某些步骤延迟到子类中实现。这样，子类可以在不改变算法结构的情况下重新定义算法的特定步骤，从而实现定制化的算法行为。以下是模板方法模式的关键思想：

定义算法骨架： 在一个抽象类中定义一个模板方法，该方法包含了算法的主要结构，其中的步骤可以包含具体的方法实现或调用子类的抽象方法。
延迟步骤到子类： 算法的某些步骤在抽象类中只是声明，具体的实现延迟到子类中。这些步骤通常被定义为抽象方法，由子类提供具体实现。
提供钩子方法： 抽象类可以提供一些钩子方法，它们是一些可选的步骤，子类可以选择性地实现或覆盖这些方法，以影响算法的行为。
保持算法的一致性： 模板方法模式确保算法的整体结构保持一致，但允许子类有选择性地改变某些具体步骤，以满足特定的需求。
避免代码重复： 共享相同的算法结构，避免在多个类中重复相似的代码，促进代码的重用性和可维护性。

这种设计模式常用于实现一些框架或库中，其中一些通用的行为由框架提供，而具体的业务逻辑由使用者的子类实现。

3. 实现方式

模板方法模式的实现方式通常包括以下几个关键元素：

抽象类（Abstract Class）： 定义模板方法以及算法的骨架，其中可能包含一些已经实现的基本方法和待子类实现的抽象方法。
具体子类（Concrete Class）： 实现抽象类中的抽象方法，从而提供算法的具体步骤。
模板方法（Template Method）： 在抽象类中定义的模板方法是整个算法的骨架，包含了一系列的步骤，其中一部分由抽象方法和基本方法实现，一部分由子类实现。
基本方法（Primitive Methods）： 在抽象类中定义的已经实现的或空实现的方法，由模板方法调用。这些方法可以被子类选择性地覆盖或扩展。

下面是一个简单的Java示例，演示了模板方法模式的实现方式：

// 抽象类定义模板方法
abstract class AbstractTemplate {
    // 模板方法，定义算法骨架
    public final void templateMethod() {
        // 步骤1
        step1();
        // 步骤2
        step2();
        // 钩子方法，可由子类选择性实现
        hook();
    }
    // 基本方法，由子类实现
    protected abstract void step1();
    // 基本方法，由子类实现
    protected abstract void step2();
    // 钩子方法，可由子类选择性实现
    protected void hook() {
        // 默认实现为空，子类可选择性实现
    }
}
// 具体子类实现具体步骤
class ConcreteClass extends AbstractTemplate {
    @Override
    protected void step1() {
        System.out.println("具体类：步骤1");
    }
    @Override
    protected void step2() {
        System.out.println("具体类：步骤2");
    }
    @Override
    protected void hook() {
        System.out.println("具体类：钩子方法");
    }
}
public class TemplateMethodPatternExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用具体子类
        AbstractTemplate template = new ConcreteClass();
        template.templateMethod();
    }
}

在这个例子中，AbstractTemplate 是抽象类，ConcreteClass 是具体子类。AbstractTemplate 中的 templateMethod 方法定义了算法的骨架，其中调用了 step1、step2 和 hook 这些基本方法。ConcreteClass 实现了这些基本方法，提供了具体的算法步骤。在运行时，可以创建 ConcreteClass 的实例并调用 templateMethod 方法，从而执行整个算法。

示例代码

让我们考虑一个简单的数据导出的例子。我们将使用模板方法模式定义一个通用的数据导出类，然后让子类实现具体的数据导出格式。以下是一个示例：

import java.util.List;
// 抽象类定义模板方法
abstract class DataExporter {
    // 模板方法，定义数据导出的算法骨架
    public final void exportData(List<String> data) {
        // 打开文件
        openFile();
        // 导出数据
        writeData(data);
        // 关闭文件
        closeFile();
    }
    // 基本方法，由子类实现
    protected abstract void openFile();
    // 基本方法，由子类实现
    protected abstract void writeData(List<String> data);
    // 基本方法，由子类实现
    protected abstract void closeFile();
}
// 具体子类实现具体步骤
class CsvDataExporter extends DataExporter {
    @Override
    protected void openFile() {
        System.out.println("打开CSV文件");
    }
    @Override
    protected void writeData(List<String> data) {
        // 将数据写入CSV文件
        System.out.println("写入CSV文件：" + data);
    }
    @Override
    protected void closeFile() {
        System.out.println("关闭CSV文件");
    }
}
// 另一个具体子类实现具体步骤
class XmlDataExporter extends DataExporter {
    @Override
    protected void openFile() {
        System.out.println("打开XML文件");
    }
    @Override
    protected void writeData(List<String> data) {
        // 将数据写入XML文件
        System.out.println("写入XML文件：" + data);
    }
    @Override
    protected void closeFile() {
        System.out.println("关闭XML文件");
    }
}
public class DataExporterExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建CSV数据导出器
        DataExporter csvExporter = new CsvDataExporter();
        System.out.println("CSV数据导出过程：");
        csvExporter.exportData(List.of("数据1", "数据2", "数据3"));
        System.out.println();
        // 创建XML数据导出器
        DataExporter xmlExporter = new XmlDataExporter();
        System.out.println("XML数据导出过程：");
        xmlExporter.exportData(List.of("数据A", "数据B", "数据C"));
    }
}

在这个例子中，DataExporter 是抽象类，定义了数据导出的算法骨架，包括打开文件、导出数据和关闭文件等步骤。CsvDataExporter 和 XmlDataExporter 是具体子类，分别实现了这些步骤，定制了导出到CSV和XML格式的数据。在运行时，我们可以创建不同类型的数据导出器实例，调用 exportData 方法来执行数据导出的算法。这样，不同类型的导出器可以根据自己的需求实现不同的导出格式，而整体的数据导出过程保持一致。

要点：

定义算法骨架： 抽象类中定义一个模板方法，该方法包含了算法的主要结构，包括一系列的基本方法。
具体步骤延迟到子类： 算法中的某些具体步骤在抽象类中只是声明，具体的实现由子类提供。
保持算法一致性： 模板方法确保算法的整体结构保持一致，但允许子类有选择地实现或覆盖某些具体步骤。
基本方法和钩子方法： 模板方法中包含基本方法，由子类实现；同时，可以定义钩子方法，是一些可选的步骤，子类可以选择性地实现。
避免代码重复： 共享相同的算法结构，避免在多个类中重复相似的代码，促进代码的重用性和可维护性。
固定算法骨架，灵活步骤实现： 模板方法模式提供了一个固定的算法框架，同时允许子类在具体步骤上有所定制，从而在保持一致性的同时提供了灵活性。

注意事项：

控制流程： 模板方法模式是一种行为型设计模式，关注的是算法的流程和结构。在使用时要注意控制整个流程，确保子类不能改变算法的整体结构。
谨慎使用钩子方法： 钩子方法是可选的步骤，但在使用时要谨慎。过度使用钩子方法可能导致子类过于依赖于抽象类，破坏了松耦合的原则。
模板方法的复杂性： 随着步骤的增加，模板方法可能变得复杂。在设计时要注意保持适度的复杂性，以确保算法的可理解性和可维护性。
适用范围： 模板方法模式适用于具有相同算法结构但具体步骤可以变化的场景。如果算法整体结构都相同，而且步骤也相同，可能更适合使用其他设计模式，如策略模式。
命名规范： 在定义模板方法和基本方法时，要遵循良好的命名规范，以使代码更加清晰和可读。

优点：

代码复用： 模板方法模式提供了一个算法的骨架，通过在抽象类中定义通用步骤，可以避免在每个子类中重复编写相似的代码，提高了代码的复用性。
扩展性： 子类可以通过实现抽象方法或者覆盖钩子方法来定制或扩展算法的某些步骤，从而实现更灵活的变化。
代码结构清晰： 模板方法模式将算法的主要流程放在一个方法中，使得代码的结构更加清晰，易于理解和维护。
统一标准： 通过抽象类中定义的模板方法，可以确保所有子类都按照相同的标准执行算法，保持一致性。

缺点：

限制子类的灵活性： 模板方法模式在提供一定程度的灵活性的同时，也限制了子类的灵活性。如果算法的整体结构需要更大程度的自由度，可能需要考虑其他设计模式。
增加类的数量： 引入模板方法模式会增加类的数量，每个具体算法都需要一个具体子类，可能会导致类的层次结构变得庞大。

应用场景：

算法的整体结构是固定的，但其中某些步骤的具体实现可能不同。
需要在不同的情况下应用相同的算法，但需要针对特定步骤进行定制。
多个类共享相同的行为，但某些细节可能因类而异。
在设计框架时，提供一个通用的算法骨架，留下一些步骤由具体的子类实现。
需要在不同层次上对算法进行控制时，可以使用钩子方法。

总体而言，模板方法模式适用于那些需要在算法的整体结构中保持一致性，但又允许具体步骤变化的场景。

4. 实际应用

模板方法模式在许多经典的项目和框架中都有广泛的应用。以下是一些实际项目和框架中使用模板方法模式的例子：

Java Servlet API： 在Java中，Servlet是一种用于开发Web应用的技术。Servlet规范中的HttpServlet类就使用了模板方法模式。HttpServlet类定义了service方法，该方法是处理HTTP请求的主要入口。在service方法中，有一些基本方法（如doGet、doPost等），具体子类可以选择性地覆盖这些方法以定制处理逻辑。
Spring框架： Spring框架中的JdbcTemplate是一个经典的使用模板方法模式的例子。JdbcTemplate定义了执行SQL语句的算法骨架，而具体的执行步骤由基本方法实现，例如创建连接、执行SQL语句、处理结果等。用户可以通过使用JdbcTemplate来执行数据库操作，同时可以通过继承PreparedStatementCreator和RowCallbackHandler等接口来定制具体的SQL语句和结果处理逻辑。
JUnit框架： JUnit测试框架中的TestCase类使用了模板方法模式。TestCase类定义了run方法，该方法包含了执行测试用例的主要流程，其中包括设置测试环境、执行测试、清理测试环境等步骤。具体的测试方法由用户在子类中实现。
Swing框架： Java的Swing框架中，javax.swing.JFrame类的paint方法是一个使用模板方法模式的例子。paint方法定义了绘制窗口的算法骨架，而实际的绘制步骤由paintComponent等基本方法实现，用户可以通过覆盖这些方法来自定义界面的外观。

这些例子表明模板方法模式在实际项目中的应用，它提供了一个强大的设计机制，使得框架和库能够定义通用的算法骨架，同时允许用户在特定步骤上进行自定义。

【设计模式系列笔记】模板方法模式

1. 模板方法模式介绍

2. 关键思想

3. 实现方式

示例代码

要点：

注意事项：

优点：

缺点：

应用场景：

4. 实际应用

数据库

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