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模板模式

1、基本介绍

2、模板模式解决豆浆制作问题

3、钩子方法

4、Spring 框架AbstractApplicationContext抽象类

5、JUC包下的AQS抽象队列同步器

6、应用场景：AQS

模板模式

1、基本介绍

1）模板方法模式（Template Method Pattern），又叫模板模式（Template Pattern），在一个抽象类公开定义了执行它的方法的模板。它的子类可以按需要重写方法实现，但调用将以抽象类中定义的方式进行

2）简单说，模板方法模式定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变一个算法的结构，就可以重定义该算法的某些特定步骤

3）这种类型的设计模式属于行为型模式（用于描述对象之间的通信和责任分配）。

实现方式：抽象类有一个模板方法和其他行为方法，模板方法按流程调用各行为方法（抽象或非抽象）；具体子类重写抽象的行为方法。

对原理类图的说明——即模板方法模式的角色和职责

AbstractClass抽象类中实现了模板方法，定义了算法的骨架，具体子类需要去实现其抽象方法或重写其中方法

ConcreteClass实现了抽象方法，已完成算法中特定子类的步骤

注意事项和细节

1）基本思想：算法只存在于一个地方，也就是在父类中，容易修改。需要修改算法时，只要修改父类的模板方法或者已经实现的某些步骤，子类就会继承这些修改

2）实现了最大化代码复用。父类的模板方法和已实现的某些步骤会被子类继承而直接使用

3）既统一了算法，也提供了很大的灵活性。父类的模板方法确保了算法的结构保持不变，同时由子类提供部分步骤的实现

4）不足之处：每一个不同的实现都需要一个子类实现，导致类的个数增加，使得系统更加庞大

5）一般模板方法都加上final关键字，防止子类重写模板方法

6）使用场景：当要完成在某个过程，该过程要执行一系列步骤，这一系列的步骤基本相同，但其个别步骤在实现时可能不同，通常考虑用模板方法模式来处理

2、模板模式解决豆浆制作问题

编写制作豆浆的程序，说明如下：

1）制作豆浆的流程选材 ----> 添加配料 ----> 浸泡 ----> 放到豆浆机打碎

2）通过添加不同的配料，可以制作出不同口味的豆浆

3）选材、浸泡和放到豆浆机打碎这几个步骤是一个模板方法，对于制作每种口味的豆浆都是一样的

4）请使用模板方法模式完成

说明：因为模板方法模式比较简单，很容易就想到这个方案，因此就直接使用，不再使用传统的方案来引出模板方法模式

核心代码

/**
 * 抽象方法
 */
public abstract class SoyaMilk {
    /**
     * 模板方法，定义为final禁止覆写
     */
    public final void make() {
        System.out.println(">>>>>>豆浆制作开始<<<<<<");
        useSoyBean();
        addIngredients();
        soak();
        mash();
        System.out.println(">>>>>>豆浆制作结束<<<<<<");
    }
// 同包可见、对其他包下的子类可见。
    protected void useSoyBean() {
        System.out.println("Step1. 选用上好的黄豆.");
    }
//添加原材料是抽象方法，因为不同豆浆原材料不一样
    protected abstract void addIngredients();
    protected void soak() {
        System.out.println("Step3. 对黄豆和配料进行水洗浸泡.");
    }
    protected void mash() {
        System.out.println("Step4. 将充分浸泡过的黄豆和配料放入豆浆机中，开始打豆浆.");
    }
}
/**
 * 花生豆浆
 */
public class PeanutSoyaMilk extends SoyaMilk {
    public PeanutSoyaMilk() {
        System.out.println("============花生豆浆============");
    }
    @Override
    protected void addIngredients() {
        System.out.println("Step2. 加入上好的花生.");
    }
}
/**
 * 红豆豆浆
 */
public class RedBeanSoyaMilk extends SoyaMilk {
    public RedBeanSoyaMilk() {
        System.out.println("============红豆豆浆============");
    }
    @Override
    protected void addIngredients() {
        System.out.println("Step2. 加入上好的红豆.");
    }
}
/**
 * 芝麻豆浆
 */
public class SesameSoyaMilk extends SoyaMilk {
        public SesameSoyaMilk() {
        System.out.println("============芝麻豆浆============");
    }
    @Override
    protected void addIngredients() {
        System.out.println("Step2. 加入上好的芝麻.");
    }
}

客户端调用模板方法

SoyaMilk peanutSoyaMilk = new PeanutSoyaMilk();
peanutSoyaMilk.make();
SoyaMilk redBeanSoyaMilk = new RedBeanSoyaMilk();
redBeanSoyaMilk.make();
SoyaMilk sesameSoyaMilk = new SesameSoyaMilk();
sesameSoyaMilk.make();
/*
============花生豆浆============
>>>>>>豆浆制作开始<<<<<<
Step1. 选用上好的黄豆.
Step2. 加入上好的花生.
Step3. 对黄豆和配料进行水洗浸泡.
Step4. 将充分浸泡过的黄豆和配料放入豆浆机中，开始打豆浆.
>>>>>>豆浆制作结束<<<<<<
============红豆豆浆============
>>>>>>豆浆制作开始<<<<<<
Step1. 选用上好的黄豆.
Step2. 加入上好的红豆.
Step3. 对黄豆和配料进行水洗浸泡.
Step4. 将充分浸泡过的黄豆和配料放入豆浆机中，开始打豆浆.
>>>>>>豆浆制作结束<<<<<<
============芝麻豆浆============
>>>>>>豆浆制作开始<<<<<<
Step1. 选用上好的黄豆.
Step2. 加入上好的芝麻.
Step3. 对黄豆和配料进行水洗浸泡.
Step4. 将充分浸泡过的黄豆和配料放入豆浆机中，开始打豆浆.
>>>>>>豆浆制作结束<<<<<<
*/

3、钩子方法

在模板方法模式的父类中，我们可以定义一个方法，它默认不做任何事，子类可以视情况要不要覆盖它，该方法称为“钩子”

还是用上面做豆浆的例子来讲解，比如，我们还希望制作纯豆浆，不添加任何的配料，请使用钩子方法对前面的模板方法进行改造

抽象类和具体类

//抽象模板类
public abstract class SoyaMilk {
//模板方法
    public final void make() {
        // ...
//如果钩子方法决定加配料，就加配料；否则不执行加配料操作。
        if (customAddIngredients()) {
            addIngredients();
        }
        // ...
    }
//钩子方法，决定是否需要添加配料。默认情况是加配料。
    boolean customAddIngredients() {
        return true;
    }
    // ...
}
/**
 * 纯豆浆
 */
public class PureSoyaMilk extends SoyaMilk {
    public PureSoyaMilk() {
        System.out.println("============纯豆浆============");
    }
    @Override
    protected void addIngredients() {
        // 空实现即可
    }
    @Override
    protected Boolean customAddIngredients() {
        return false;
    }
}

客户端，测试钩子方法

SoyaMilk pureSoyaMilk = new PureSoyaMilk();
pureSoyaMilk.make();
/*
============纯豆浆============
>>>>>>豆浆制作开始<<<<<<
Step1. 选用上好的黄豆.
Step3. 对黄豆和配料进行水洗浸泡.
Step4. 将充分浸泡过的黄豆和配料放入豆浆机中，开始打豆浆.
>>>>>>豆浆制作结束<<<<<<
*/

4、Spring 框架AbstractApplicationContext抽象类

AbstractApplicationContext.java中有一个refresh()方法就是模板方法，它用于根据流程调用aop代理创建、bean生命周期初始化、属性注入等启动并初始化Spring应用上下文的方法。

AbstractApplicationContext抽象类是ApplicationContext接口的一种默认实现，提供了一些通用的应用上下文功能，同时也为其他具体的应用上下文实现类提供了一些可扩展的方法。

应用上下文：负责管理各种bean以及它们之间的关系，并对它们进行生命周期的管理。

// 模板方法
public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
    synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
        prepareRefresh();
        ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
        prepareBeanFactory(beanFactory);
        try {
            postProcessBeanFactory(beanFactory); // 钩子方法
            invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
            registerBeanPostProcessors(beanFactory);
            initMessageSource();
            initApplicationEventMulticaster();
            onRefresh(); // 钩子方法
            registerListeners();
            finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
            finishRefresh();
        }
        catch (BeansException ex) {
            if (logger.isWarnEnabled()) {
                logger.warn("Exception encountered during context initialization - " +
                            "cancelling refresh attempt: " + ex);
            }
            destroyBeans();
            cancelRefresh(ex);
            throw ex;
        }
        finally {
            resetCommonCaches();
        }
    }
}
protected ConfigurableListableBeanFactory obtainFreshBeanFactory() {
    refreshBeanFactory(); // 抽象方法
    ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = getBeanFactory(); // 抽象方法
    if (logger.isDebugEnabled()) {
        logger.debug("Bean factory for " + getDisplayName() + ": " + beanFactory);
    }
    return beanFactory;
}
protected void postProcessBeanFactory(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory) {
}
protected void onRefresh() throws BeansException {
    // For subclasses: do nothing by default.
}

5、JUC包下的AQS抽象队列同步器

AQS是基于模板方法模式进行设计的。锁的实现类需要继承AQS并重写它指定的方法。

AQS的模板方法将“管理同步状态的逻辑”提炼出来形成标准流程，这些方法主要包括：独占式获取同步状态、独占式释放同步状态、共享式获取同步状态、共享式释放同步状态。

AQS（AbstractQueuedSynchronizer抽象队列同步器）：

AQS是实现锁或者其他同步器（用于协调线程之间对共享资源的访问）的核心框架，通过内部的状态变量和队列来实现线程的同步。ReentrantLock，ThreadPoolExecutor，CountDownLatch等都是基于AQS实现。

同步状态：在AQS中，volatile类型的state变量表示锁的状态，通过CAS原子操作这个状态变量来保证线程安全。

同步队列：在AQS中，FIFO（先入先出）队列用来管理等待锁的线程，队列每个节点记录等待线程的状态以及等待锁的条件。先入先出确保同步器的公平性，也就是先等待的线程先获得锁。

实现线程同步的原理：线程通过CAS原子性修改state变量，修改成功则获得锁，失败则插入队尾等待。

基于模板方法：AQS是基于模板方法模式进行设计的。锁的实现类需要继承AQS并重写它指定的方法。

AQS的模板方法将“管理同步状态的逻辑”提炼出来形成标准流程，这些方法主要包括：独占式获取同步状态、独占式释放同步状态、共享式获取同步状态、共享式释放同步状态。

6、应用场景：AQS

AQS是基于模板方法模式进行设计的。锁的实现类需要继承AQS并重写它指定的方法。

AQS（AbstractQueuedSynchronizer抽象队列同步器）：

AQS是一个抽象类，在JUC.locks包下，它通过内部的状态变量和同步队列来实现线程的同步（允许多个线程协作共享访问共享资源）。很多锁和同步器都是基于AQS实现的。ReentrantLock，ThreadPoolExecutor，CountDownLatch等都是基于AQS实现。

ReentrantLock：可重入锁，同一个线程在持有锁的情况下，可以重复地获取该锁，无需等待，只需记录重入次数。能防止死锁，因为不用线程自己等待自己释放锁。是Lock接口的实现类。可以通过构造参数true或false指定公平锁或非公平锁，可以通过newCondition()方法创建多个Condition对象分组唤醒等待线程。

公平锁：按加锁顺序获取锁。线程竞争锁时判断AQS队列里有没有等待线程，有就加入队尾。

非公平锁（默认）：可能某个线程会不断获取锁，牺牲公平的情况下提高了效率。不管AQS队列里有没有等待线程，都会先尝试获取锁；如果抢占不到，再加入队尾。如果线程刚好在上个线程释放时拿到锁，就不用像公平锁那样还要阻塞等待、放队尾、唤醒，这些操作涉及到对内核的切换，对性能有影响。

Condition对象：用于线程间通信，通过await()和signal(),signalAll()让线程等待或唤醒。通常用lock锁创建Condition对象，即lock.newCondition();

CountDownLatch：计数器，它允许一个或多个线程等待其他线程完成操作后再执行。countDown()方法让计数器减一，await()方法阻塞当前线程直到计数器减为0。

ThreadPoolExecutor。

state变量和等待队列：

state变量：在AQS中，volatile类型的state变量表示锁的状态，通过CAS原子操作这个状态变量来保证线程安全。初始是0，代表没拿到锁，1代表拿到锁。

同步队列：在AQS中，FIFO（先入先出）队列用来管理等待锁的线程，队列每个节点记录等待锁的线程的地址、状态、等待锁的条件。先入先出确保同步器的公平性，也就是先等待的线程先获得锁。队列底层是双向链表。

实现线程同步的原理：线程通过CAS原子性修改state变量，修改成功则获得锁，失败则插入队尾等待。

基于模板方法：AQS是基于模板方法模式进行设计的。锁的实现类需要继承AQS并重写它指定的方法。

AQS的模板方法将“管理同步状态的逻辑”提炼出来形成标准流程，这些方法主要包括：独占式获取同步状态、独占式释放同步状态、共享式获取同步状态、共享式释放同步状态。

模板方法：抽象类有一个模板方法和其他行为方法，模板方法按流程调用各行为方法（抽象或非抽象）；具体子类重写抽象的行为方法。

设计模式——模板模式

模板模式

1、基本介绍

2、模板模式解决豆浆制作问题

3、钩子方法

4、Spring 框架AbstractApplicationContext抽象类

5、JUC包下的AQS抽象队列同步器

6、应用场景：AQS

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