[设计模式Java实现附plantuml源码~行为型]定义算法的框架——模板方法模式

简介: [设计模式Java实现附plantuml源码~行为型]定义算法的框架——模板方法模式

前言:

为什么之前写过Golang 版的设计模式,还在重新写Java 版?

答:因为对于我而言,当然也希望对正在学习的大伙有帮助。Java作为一门纯面向对象的语言,更适合用于学习设计模式。

为什么类图要附上uml

因为很多人学习有做笔记的习惯,如果单纯的只是放一张图片,那么学习者也只能复制一张图片,可复用性较低,附上uml,方便有新理解时,快速出新图。




在软件开发中,有时也会遇到类似的情况,某个方法的实现需要多个步骤(类似“请客”),其中有些步骤是固定的(类似“点单”和“买单”),而有些步骤并不固定,存在可变性(类似“吃东西”)。为了提高代码的复用性和系统的灵活性,可以使用一种被称为模板方法模式的设计模式来对这类情况进行设计。在模板方法模式中,将实现功能的每一个步骤所对应的方法称为基本方法(例如“点单”“吃东西”和“买单”),而调用这些基本方法同时定义基本方法的执行次序的方法称为模板方法(例如“请客”)。

在模板方法模式中,可以将相同的代码放在父类中,例如将模板方法“请客”以及基本方法“点单”和“买单”的实现放在父类中。而对于基本方法“吃东西”,在父类中只做一个声明,将其具体实现放在不同的子类中,例如可在一个子类中提供“吃面条”的实现,而另一个子类提供“吃满汉全席”的实现。通过使用模板方法模式,可以提高代码的复用性,同时还可以利用面向对象的多态性,在运行时选择一种具体子类,实现完整的“请客”方法。

模板方法模式是结构最简单的行为型设计模式,在其结构中只存在父类与子类之间的继承关系。通过使用模板方法模式,可以将一些复杂流程的实现步骤封装在一系列基本方法中。在抽象父类中提供一个称之为模板方法的方法来定义这些基本方法的执行次序,而通过其子类来覆盖某些步骤,从而使得相同的算法框架可以有不同的执行结果。模板方法模式提供了一个模板方法来定义算法框架,而某些具体步骤的实现可以在其子类中完成。

:::info

模板方法模式是一种基于继承的代码复用基本技术,其定义如下:

模板方法模式(Template Method Pattern):定义一个操作中算法的框架,而将一些步骤延迟到子类中。模板方法模式使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。模板方法模式是一种类行为型模式。

:::

模板方法模式结构比较简单,其核心是抽象类和其中的模板方法的设计,其结构如图所示。

@startuml

abstract class AbstractClass {
+ templateMethod()
# primitiveOperation1()
# primitiveOperation2()
# primitiveOperation3()
}

note left of AbstractClass::templateMethod
...
primitiveOperation1()
...
primitiveOperation2()
...
primitiveOperation3()

end note

class ConcreteClass extends AbstractClass {
# primitiveOperation1()
# primitiveOperation2()
# primitiveOperation3()
}

@enduml

从图可以看出,在模板方法模式结构图中包含以下两个角色。

(1)AbstractClass(抽象类):在抽象类中定义了一系列基本操作(Primitive Operations),这些基本操作可以是具体的,也可以是抽象的。每个基本操作对应算法的一个步骤,在其子类中可以重定义或实现这些步骤。同时,在抽象类中实现了一个模板方法(Template Method),用于定义一个算法的框架。模板方法不仅可以调用在抽象类中实现的基本方法,也可以调用在抽象类的子类中实现的基本方法,还可以调用其他对象中的方法。

(2)ConcreteClass(具体子类):它是抽象类的子类,用于实现在父类中声明的抽象基本操作以完成子类特定算法的步骤,也可以覆盖在父类中已经实现的具体基本操作。在使用模板方法模式时,开发抽象类的软件设计师和开发具体子类的软件设计师之间可以进行协作。一个设计师负责给出一个算法的轮廓和框架,另一些设计师则负责给出这个算法的各个逻辑步骤。实现这些具体逻辑步骤的方法即为基本方法,而将这些基本方法汇总起来的方法即为模板方法,模板方法模式的名字也因此而来。下面将详细介绍模板方法和基本方法。

模板方法

一个模板方法是定义在抽象类中的、把基本操作方法组合在一起形成一个总算法或一个总行为的方法。

这个模板方法定义在抽象类中,并由子类不加以修改地完全继承下来(在Java语言中,可以将模板方法定义为final方法)。模板方法是一个具体方法,它给出了一个顶层逻辑框架,而逻辑的组成步骤在抽象类中可以是具体方法,也可以是抽象方法。

:::info

由于模板方法是具体方法,因此模板方法模式中的抽象层只能是抽象类,而不是接口。

:::

基本方法

基本方法是实现算法各个步骤的方法,是模板方法的组成部分。基本方法又可以分为3种:抽象方法(Abstract Method)、具体方法(Concrete Method)和钩子方法(Hook Method)。

(1)抽象方法:一个抽象方法由抽象类声明,由其具体子类实现。在Java语言里一个抽象方法以abstract关键字标识。

(2)具体方法:一个具体方法由一个抽象类或具体类声明并实现,其子类可以进行覆盖也可以直接继承。

(3)钩子方法:一个钩子方法由一个抽象类或具体类声明并实现,而其子类可能会加以扩展。通常在父类中给出的实现是一个空实现,并以该空实现作为方法的默认实现,当然钩子方法也可以提供一个非空的默认实现。


在模板方法模式中,钩子方法有两类。

第一类钩子方法可以与一些具体步骤“挂钩”,以实现在不同条件下执行模板方法中的不同步骤。这类钩子方法的返回类型通常是 boolean 类型,方法名一般为 is×××(),用于对某个条件进行判断。如果条件满足则执行某一步骤,否则将不执行。代码片段如下:

...
public void templateMethod(){
    open();
    display();
    // 通过钩子方法确定执不执行
    if(isPrint()) {
        print();
    }
}

public boolean isPrint(){
    return true;
}

在以上代码中,isPrint() 方法即是钩子方法,它可以决定 print() 方法是否执行。一般情况下,钩子方法的返回值为 true如果不希望某方法执行,可以在其子类中覆盖钩子方法,将其返回值改为 false 即可。这种类型的钩子方法可以控制方法的执行,对一个算法进行约束。

还有一类钩子方法就是方法体为空的具体方法,子类可以根据需要覆盖或者继承这些钩子方法。与抽象方法相比,这类钩子方法的好处在于子类如果没有覆盖父类中定义的钩子方法,编译也可以正常通过,但是如果没有覆盖父类中声明的抽象方法,编译将报错。

abstract class AbstractClass {
    public void templateMethod() }{
        primitiveOperation1();
        primitiveOperation2();
        primitiveOperation3();
    }
  // 具体方法
    public void primitiveOperation1(){
        // 实现代码
    }

  // 抽象方法
    public abstract void primitiveOperation2();

  // 钩子方法
    public void primitiveOperation3(){
        // 空实现
    }
}

在抽象类中,模板方法 templateMethod() 定义了算法的框架,在模板方法中调用基本方法以实现完整的算法。每一个基本方法如 primitiveOperation1()primitiveOperation2() 等均实现了算法的一部分,对于所有子类都相同的基本方法可由父类提供具体实现,例如 primitiveOperation1()。否则在父类中声明为抽象方法或钩子方法,由不同的子类提供不同的实现,例如

primitiveOperation2()primitiveOperation3()

在模板方法模式中,由于面向对象的多态性,子类对象在运行时将覆盖父类对象,子类中定义的方法也将覆盖父类中定义的方法。因此程序在运行时,具体子类的基本方法将覆盖父类中定义的基本方法,子类的钩子方法也将覆盖父类的钩子方法,从而可以通过在子类中实现的钩子方法对父类方法的执行进行约束,实现子类对父类行为的反向控制。

总结

模板方法模式是一种基于继承的代码复用技术,它体现了面向对象的诸多重要思想,是一种使用频率较高的模式。模板方法模式广泛应用于框架设计(例如Spring、JUnit等)中,以确保通过父类来控制处理流程的逻辑顺序(例如框架的初始化、测试流程的设置等)。

主要优点

模板方法模式的主要优点如下:

(1)模板方法模式在父类中形式化地定义一个算法,而由它的子类来实现细节的处理。在子类实现详细的处理算法时并不会改变算法中步骤的执行次序。

(2)模板方法模式是一种代码复用技术,它在类库设计中尤为重要。它提取了类库中的公共行为,将公共行为放在父类中,而通过其子类来实现不同的行为。它鼓励恰当使用继承来实现代码复用。

(3)模板方法模式可实现一种反向控制结构。通过子类覆盖父类的钩子方法来决定某一特定步骤是否需要执行。

(4)在模板方法模式中可以通过子类来覆盖父类的基本方法,不同的子类可以提供基本方法的不同实现,更换和增加新的子类很方便,符合单一职责原则和开闭原则。

主要缺点

模板方法模式的主要缺点是:需要为每一个基本方法的不同实现提供一个子类。如果父类中可变的基本方法太多,将会导致类的个数增加,系统更加庞大,设计也更加抽象。此时,可结合桥接模式来进行设计。

适用场景

在以下情况下可以考虑使用模板方法模式:

(1)对一些复杂的算法进行分割,将其算法中固定不变的部分设计为模板方法和父类具体方法,而一些可以改变的细节由其子类来实现。即一次性地实现一个算法的不变部分,并将可变的行为留给子类来实现。

(2)各子类中公共的行为应被提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。

(3)需要通过子类来决定父类算法中某个步骤是否执行,实现子类对父类的反向控制。


🚀 作者简介:作为某云服务提供商的后端开发人员,我将在这里与大家简要分享一些实用的开发小技巧。在我的职业生涯中积累了丰富的经验,希望能通过这个博客与大家交流、学习和成长。技术栈:Java、Golang、PHP、Python、Vue、React

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