一文搞懂設(shè)計(jì)模式—模板方法模式
模板方法模式（Template Method Pattern），又叫模板模式（Template Pattern），是一種行為設(shè)計(jì)模式，它定義了一個(gè)操作中的算法框架，將某些步驟的具體實(shí)現(xiàn)留給子類。通過(guò)模板方法模式，我們可以在不改變算法結(jié)構(gòu)的情況下，允許子類重新定義某些步驟，從而實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用和擴(kuò)展。
在軟件開(kāi)發(fā)中，我們經(jīng)常會(huì)遇到需要定義一組相似操作的場(chǎng)景。這些操作可能在整體上有著相同的結(jié)構(gòu)，但在細(xì)節(jié)上有所差異。如果每次都重復(fù)編寫(xiě)這些操作的通用結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致代碼的冗余性，同時(shí)也增加了后期維護(hù)的難度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，模板方法模式應(yīng)運(yùn)而生。
使用場(chǎng)景
模板方法模式適用于以下場(chǎng)景：
- 當(dāng)存在一組相似的操作，它們具有相同的算法結(jié)構(gòu)，但實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)各不相同時(shí)。
- 當(dāng)希望在不改變算法的整體結(jié)構(gòu)的情況下，允許子類自由擴(kuò)展或修改某些步驟時(shí)。
- 當(dāng)希望將算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)封裝起來(lái)，只暴露出高層接口供調(diào)用者使用時(shí)。
JUC 下的 AQS 就使用到了模板方法模式，其中 acquire() 是模板方法。tryAcquire() 方法的具體實(shí)現(xiàn)去交給子類完成。
/**
* Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts. Implemented
* by invoking at least once {@link #tryAcquire},
* returning on success. Otherwise the thread is queued, possibly
* repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
* #tryAcquire} until success. This method can be used
* to implement method {@link Lock#lock}.
*
* @param arg the acquire argument. This value is conveyed to
* {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
* can represent anything you like.
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}實(shí)現(xiàn)方式
結(jié)構(gòu)說(shuō)明
模板方法模式由抽象類和具體子類組成。抽象類定義了算法的框架，其中包含了一個(gè)或多個(gè)抽象方法，用于由具體子類實(shí)現(xiàn)。具體子類繼承抽象類，并根據(jù)需要重寫(xiě)其中的抽象方法，從而實(shí)現(xiàn)具體的細(xì)節(jié)。
在模板方法模式中，通常涉及以下幾個(gè)角色：
- 抽象類（Abstract Class）：抽象類定義了算法的框架，包括一個(gè)或多個(gè)抽象方法和具體方法。其中的抽象方法由子類實(shí)現(xiàn)，具體方法可以被子類直接繼承或重寫(xiě)。
- 具體子類（Concrete Subclass）：具體子類繼承抽象類，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)其中的抽象方法。具體子類提供了算法的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
示例代碼
以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的代碼示例：
// 抽象類，定義模板方法和抽象步驟方法
public abstract class AbstractClass {
// 模板方法，定義算法的整體結(jié)構(gòu)
public final void templateMethod() {
step1();
step2();
step3();
}
// 模板公共方法
protected final void step1(){
System.out.println("ConcreteClass: Step 1");
}
// 抽象步驟方法，由子類實(shí)現(xiàn)具體的步驟邏輯
protected abstract void step2();
// 抽象步驟方法，由子類實(shí)現(xiàn)具體的步驟邏輯
protected abstract void step3();
}
// 具體子類，實(shí)現(xiàn)抽象步驟方法
public class ConcreteClass extends AbstractClass {
protected void step2() {
System.out.println("ConcreteClass: Step 2");
}
protected void step3() {
System.out.println("ConcreteClass: Step 3");
}
}
// 客戶端代碼
public class Client {
public static void main(String[] args) {
AbstractClass abstractClass = new ConcreteClass();
abstractClass.templateMethod();
}
}在上述代碼中，我們首先定義了一個(gè)抽象類 AbstractClass，其中包含了模板方法和抽象方法。然后，我們創(chuàng)建了具體子類 ConcreteClass，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)了抽象方法。
在客戶端代碼 Client 中，我們創(chuàng)建了具體子類的對(duì)象，并調(diào)用了模板方法 templateMethod()，從而執(zhí)行了定義好的算法。
運(yùn)行該代碼將輸出以下結(jié)果：
ConcreteClass: Step 1
ConcreteClass: Step 2
ConcreteClass: Step 3注意：
- 一般模板方法都加上 final 關(guān)鍵字， 防止子類重寫(xiě)模板方法。
- 抽象模板中的基本方法盡量設(shè)計(jì)為 protected 類型，符合迪米特法則，不需要暴露的屬性或方法盡量不要設(shè)置為 protected 類型。實(shí)現(xiàn)類若非必要，盡量不要擴(kuò)大父類中的訪問(wèn)權(quán)限。
鉤子方法
鉤子方法（Hook Method）是模板方法模式中的一種特殊方法，用于在抽象類中提供一個(gè)默認(rèn)的實(shí)現(xiàn)，但允許具體子類選擇性地進(jìn)行重寫(xiě)或擴(kuò)展。鉤子方法允許子類在不改變算法骨架的情況下，對(duì)算法的某些步驟進(jìn)行定制。
以下是一個(gè)包含鉤子方法的 Java 示例代碼：
// 抽象類，定義模板方法和鉤子方法
public abstract class AbstractClass {
// 模板方法，定義算法的整體結(jié)構(gòu)
public final void templateMethod() {
step1();
step2();
// 鉤子方法的調(diào)用
if (hookMethod()) {
step3();
}
}
protected abstract void step1();
protected abstract void step2();
// 鉤子方法，默認(rèn)返回true，子類可以選擇性地重寫(xiě)
protected boolean hookMethod() {
return true;
}
protected abstract void step3();
}
// 具體子類1
public class ConcreteClass1 extends AbstractClass {
protected void step1() {
System.out.println("ConcreteClass1: Step 1");
}
protected void step2() {
System.out.println("ConcreteClass1: Step 2");
}
protected void step3() {
System.out.println("ConcreteClass1: Step 3");
}
}
// 具體子類2
public class ConcreteClass2 extends AbstractClass {
protected void step1() {
System.out.println("ConcreteClass2: Step 1");
}
protected void step2() {
System.out.println("ConcreteClass2: Step 2");
}
protected boolean hookMethod() {
return false; // 重寫(xiě)鉤子方法，返回false
}
protected void step3() {
System.out.println("ConcreteClass2: Step 3");
}
}
// 客戶端代碼
public class Client {
public static void main(String[] args) {
AbstractClass class1 = new ConcreteClass1();
class1.templateMethod();
System.out.println("------------------");
AbstractClass class2 = new ConcreteClass2();
class2.templateMethod();
}
}在上述代碼中，我們定義了一個(gè)抽象類 AbstractClass，其中包含模板方法 templateMethod() 和鉤子方法 hookMethod()。在模板方法中，我們先執(zhí)行了step1() 和 step2() 兩個(gè)基本操作方法，然后通過(guò)調(diào)用鉤子方法決定是否執(zhí)行 step3()。
具體子類 ConcreteClass1 和 ConcreteClass2 繼承了抽象類，并實(shí)現(xiàn)了基本操作方法 step1()、step2() 和鉤子方法 hookMethod()、step3()。
在客戶端代碼 Client 中，我們分別創(chuàng)建了具體子類的對(duì)象，并調(diào)用其模板方法，從而執(zhí)行了定義好的算法。
運(yùn)行該示例代碼將輸出以下結(jié)果：
ConcreteClass1: Step 1
ConcreteClass1: Step 2
ConcreteClass1: Step 3
------------------
ConcreteClass2: Step 1
ConcreteClass2: Step 2通過(guò)重寫(xiě)鉤子方法，具體子類可以選擇性地對(duì)算法進(jìn)行定制化。這就展示了鉤子方法在模板方法模式中的應(yīng)用。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
- 代碼復(fù)用：模板方法模式通過(guò)將算法的通用結(jié)構(gòu)定義在抽象類中，可以使子類直接繼承這些通用部分，從而達(dá)到代碼復(fù)用的目的。
- 擴(kuò)展性：模板方法模式允許子類根據(jù)需要重寫(xiě)父類的某些步驟，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)算法的自由擴(kuò)展和修改，同時(shí)保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
- 封裝性：模板方法模式將算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)封裝在抽象類中，對(duì)調(diào)用者屏蔽了具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只暴露出高層接口。
缺點(diǎn)
- 模板方法模式將算法的執(zhí)行流程固定在抽象類中，可能會(huì)導(dǎo)致代碼的可讀性降低，增加理解和維護(hù)的難度。
- 模板方法中的步驟越多， 其維護(hù)工作就可能會(huì)越困難。
- 通過(guò)子類抑制默認(rèn)步驟實(shí)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致違反里氏替換原則。
總結(jié)
模板方法是一種簡(jiǎn)單但非常實(shí)用的設(shè)計(jì)模式，它通過(guò)定義一個(gè)算法的框架，并將具體實(shí)現(xiàn)延遲到子類中，實(shí)現(xiàn)了代碼復(fù)用和擴(kuò)展的目的。在具體實(shí)現(xiàn)步驟相對(duì)固定、但又存在差異性的情況下，模板方法模式能夠很好地解決代碼重復(fù)和維護(hù)難度的問(wèn)題。
