设计模式-模板方法模式

设计模式专栏

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模式介绍

模板方法模式是一种行为型设计模式，它定义了一个操作中的算法的骨架，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即可重定义该算法的某些特定步骤。它封装了一个固定流程，该流程由几个步骤组成，具体步骤可以由子类进行不同的实现，从而让固定的流程产生不同的结果。

在软件工程中，模板方法模式是一种常用的设计模式，用于解决算法的框架和部分步骤已经确定，而部分步骤需要根据不同情况进行变化的问题。通过使用模板方法模式，可以将不变的算法部分集中到一个公共的父类中，避免代码重复，并且控制子类的扩展，只在特定点进行扩展。

模板方法模式包含抽象类和具体子类两个角色。抽象类定义了算法的骨架和模板方法，它由一个或多个基本方法组成，这些基本方法在抽象类中声明，并在模板方法中被调用。具体子类继承抽象类并实现这些基本方法，从而完成算法的各个步骤。通过这种方式，子类可以在不改变算法结构的情况下重定义算法的特定步骤。

使用模板方法模式需要注意抽象类与具体子类之间的协作，以及虚函数的多态性技术。抽象类中的模板方法调用基本方法时使用虚函数机制，这样在运行时可以根据对象的实际类型来决定调用哪个实现。这种“不用调用我，让我来调用你”的反向控制技术可以减少系统中的直接依赖关系，增加代码的可扩展性和可维护性。

模板方法模式是一种非常有用的设计模式，它可以用来解决许多常见的问题，如算法的复用、代码的解耦和扩展性等。通过使用模板方法模式，可以有效地提高代码的灵活性和可维护性，并降低系统的复杂度。

模式特点

• 模板方法模式的优点主要包括以下几点：

1. 提高代码复用性：通过将算法的骨架和部分步骤抽取出来，定义在抽象类中，避免了子类重复编写相同的代码，提高了代码的复用性。
2. 便于扩展：模板方法模式鼓励在抽象类中定义可扩展的点，子类可以根据需要重定义这些点，从而实现对算法的扩展。通过添加新的子类，可以很容易地实现对算法的扩展。
3. 降低代码耦合度：模板方法模式将算法的实现细节封装在父类中，子类只需要关注自己需要重写的部分，降低了代码的耦合度，有利于系统的维护和扩展。
4. 提高代码的可读性和可维护性：模板方法模式将算法的框架和细节分离开来，使得代码结构更加清晰，易于理解和维护。同时，由于共同的部分在父类中实现，减少了重复代码，使得代码更加简洁。

• 模板方法模式也存在一些缺点：

1. 算法骨架与具体实现耦合度较高：模板方法模式将算法的框架和具体的实现耦合在一起，一旦算法框架发生变化，可能需要修改所有的子类。这样就增加了系统的维护成本。
2. 父类中的部分算法步骤可能无法满足所有子类的需求：父类中定义的算法框架可能无法满足所有子类的需求，而需要子类重写部分算法步骤。这样就增加了子类的实现难度，也增加了系统的复杂度。
3. 限制子类的灵活性：模板方法模式将算法框架和具体实现都封装在父类中，这样一方面提高了代码的复用性和可维护性，但另一方面也限制了子类的灵活性，不能完全根据自己的需要来实现算法。
4. 增加了系统的抽象性：模板方法模式将一部分算法步骤抽象化，在一定程度上增加了系统的抽象性，使得系统更加复杂和庞大。

在使用模板方法模式时，需要根据实际情况权衡利弊，并根据具体需求进行合理的设计和实现。

应用场景

模板方法模式的应用场景包括：

1. 当一个算法有固定的步骤顺序，但是其中的某些步骤的实现可能有所不同时，可以使用模板方法模式。这样可以将算法的框架和具体实现分离，提高代码的复用性。

2. 当需要在不同的子类中重用相同的算法时，可以使用模板方法模式。子类只需要实现自己独特的部分，而公共的部分则由抽象类来实现，这样可以提高代码的复用性。

3. 当需要在不同的情况下使用不同的算法策略时，可以使用模板方法模式。通过将算法的框架和具体实现分离，可以在运行时动态地选择不同的算法实现。

4. 当需要对算法进行测试时，可以使用模板方法模式。通过在抽象类中定义测试方法，可以在子类中重写这些方法以实现特定的测试逻辑。这样可以方便地对算法的不同部分进行测试。

模板方法模式在需要实现固定流程的算法时非常有用，尤其是在需要扩展算法步骤的情况下。但是，它也有一些限制和缺点，需要根据实际情况进行权衡和选择。

模板方法模式和简单工厂模式的区别

模板方法模式和简单工厂模式是两种不同的设计模式，它们在解决的问题和应用场景上存在一些区别。

首先，模板方法模式关注的是算法的复用和流程的控制。它定义了一个算法的骨架，将部分步骤延迟到子类中实现，使得子类可以在不改变算法结构的情况下重定义某些特定步骤。模板方法模式适用于解决算法流程固定但部分步骤可变的情况，通过将算法的框架和具体实现分离，提高了代码的复用性和可维护性。

而简单工厂模式关注的是对象的创建和封装。它提供了一个过渡接口，将创建对象的逻辑隐藏起来，用一个工厂方法来替代。简单工厂模式适用于解决对象的创建问题，特别是当对象的创建逻辑比较简单或者对象较少时。通过使用简单工厂模式，可以降低对象与使用对象的代码之间的耦合度，提高程序的可扩展性和灵活性。

其次，简单工厂模式中的工厂类包含了必要的逻辑，根据客户需要的条件动态实例化相关的类。而模板方法模式则将算法的逻辑和步骤封装在抽象类中，子类通过继承抽象类并实现其中的方法来扩展算法的功能。

最后，简单工厂模式是一种创建型设计模式，它通过工厂类来创建对象，而模板方法模式则是一种行为型设计模式，它通过定义算法的骨架和模板方法来控制子类的行为。

模板方法模式和简单工厂模式在解决的问题和应用场景上存在明显的区别。简单工厂模式关注对象的创建和封装，适用于解决对象的创建问题；而模板方法模式关注算法的复用和流程的控制，适用于解决算法流程固定但部分步骤可变的情况。在实际应用中，可以根据具体的需求选择合适的设计模式。

代码示例

Java实现模板方法模式

下面是一个简单的Java实现模板方法模式的示例：

// 抽象类定义算法骨架和模板方法
public abstract class AbstractClass {
    // 模板方法
    public final void templateMethod() {
        basicOperation1();
        hookPoint();
        basicOperation2();
    }
    
    // 基本操作1
    protected abstract void basicOperation1();
    
    // 基本操作2
    protected abstract void basicOperation2();
    
    // 钩子点，可扩展点
    protected void hookPoint() {
        System.out.println("This is the hook point.");
    }
}

// 具体子类实现基本操作1和基本操作2
public class ConcreteClass1 extends AbstractClass {
    @Override
    protected void basicOperation1() {
        System.out.println("This is the first basic operation.");
    }
    
    @Override
    protected void basicOperation2() {
        System.out.println("This is the second basic operation.");
    }
}

// 具体子类实现基本操作1和基本操作2，并重定义钩子点
public class ConcreteClass2 extends AbstractClass {
    @Override
    protected void basicOperation1() {
        System.out.println("This is another first basic operation.");
    }
    
    @Override
    protected void basicOperation2() {
        System.out.println("This is another second basic operation.");
    }
    
    @Override
    protected void hookPoint() {
        System.out.println("This is another hook point.");
    }
}

在上面的示例中，AbstractClass抽象类定义了算法的骨架和模板方法templateMethod，它包含两个基本操作basicOperation1和basicOperation2和一个钩子点hookPoint。子类ConcreteClass1和ConcreteClass2分别实现了这两个基本操作，并可以重定义钩子点。通过继承抽象类并实现其中的方法，子类可以扩展算法的功能而不改变算法的结构。

Python实现模板方法模式

以下是一个Python实现模板方法模式的示例：

from abc import ABC, abstractmethod

# 抽象类定义算法骨架和模板方法
class AbstractClass(ABC):
    @abstractmethod
    def basic_operation1(self):
        pass

    @abstractmethod
    def basic_operation2(self):
        pass

    def template_method(self):
        self.basic_operation1()
        self.hook_point()
        self.basic_operation2()

    def hook_point(self):
        print("This is the hook point.")

# 具体子类实现基本操作1和基本操作2
class ConcreteClass1(AbstractClass):
    def basic_operation1(self):
        print("This is the first basic operation.")

    def basic_operation2(self):
        print("This is the second basic operation.")

# 具体子类实现基本操作1和基本操作2，并重定义钩子点
class ConcreteClass2(AbstractClass):
    def basic_operation1(self):
        print("This is another first basic operation.")

    def basic_operation2(self):
        print("This is another second basic operation.")

    def hook_point(self):
        print("This is another hook point.")

在上面的示例中，AbstractClass抽象类定义了算法的骨架和模板方法template_method，它包含两个基本操作basic_operation1和basic_operation2和一个钩子点hook_point。子类ConcreteClass1和ConcreteClass2分别实现了这两个基本操作，并可以重定义钩子点。通过继承抽象类并实现其中的方法，子类可以扩展算法的功能而不改变算法的结构。

模板方法模式在spring中的应用

模板方法模式在Spring框架中有广泛的应用，特别是在处理一些通用的流程或操作时。例如，在Spring的AOP（面向切面编程）中，模板方法模式被用来定义一个通用的操作流程，而具体的实现细节可以由子类来完成。

例如，在Spring的声明式事务管理中，使用了模板方法模式来定义一个事务处理的流程。具体的业务逻辑类可以继承这个模板类，只需要关注自己的业务逻辑，事务管理的细节（如开启事务、提交事务、回滚事务等）由模板方法来处理。

模板方法模式在Spring中主要用于定义通用的操作流程，而将一些复杂的、具体的步骤留给子类来实现。这样可以提高代码的复用性，使得代码更加清晰和易于维护。

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