java设计模式学习之【模板方法模式】

引言

设想你正在准备一顿晚餐，无论你想做意大利面、披萨还是沙拉，制作过程中都有一些共同的步骤：准备原料、加工食物、摆盘。这里，整个烹饪流程就像一个模板，而具体的菜肴则在这个模板的基础上添加了特有的步骤。在软件开发中，我们经常遇到类似的情况，某些过程的结构相同，但某些步骤的具体实现不同。模板方法模式正是用于解决这类问题的一种设计模式，它在定义算法骨架的同时，将一些步骤的实现延迟到子类。

模板方法模式简介

定义与用途

模板方法模式（Template Method Pattern）是一种行为型设计模式，它在父类中定义了一个操作的算法骨架，而将一些步骤的具体实现延迟到子类中。通过这种方式，可以重新定义算法的某些步骤而不改变算法的结构。

实现方式

实现模板方法模式通常涉及以下几个关键组件：

• 抽象类（Abstract Class）：定义了模板方法和算法的骨架。模板方法设置为 final，这样它就不能被重写。它调用一系列的操作，其中一些操作由子类实现。
• 具体类（Concrete Class）：实现抽象类中的抽象方法，定义了算法中与特定主题相关的步骤。

使用场景

模板方法模式适用于以下场景：

• 当有多个算法具有相同的算法结构，但算法的某些步骤在不同的情况下有不同的实现时。
• 当需要控制子类扩展的点时，可以在一些操作中定义钩子（hook）。

例如：

• 数据解析框架： 定义一个解析数据的模板方法，具体的解析步骤如读取数据、分析数据和处理数据可以在子类中实现。
• 软件构建过程： 软件构建工具可以定义一系列构建步骤的模板，如清理、编译、测试和打包，具体的步骤根据不同的项目而定制。
• 游戏设计： 游戏可以定义一个游戏流程模板，如开始游戏、进行游戏和结束游戏，具体的游戏逻辑在不同的游戏子类中实现。

优势与劣势

• 优势
  • 提供了代码复用的平台，通过模板方法，公共代码移动到单一位置，减少代码冗余。
  • 提供了一种扩展部分算法的方法，子类可以在不改变算法结构的情况下重新定义算法的某些特定步骤。
• 劣势
  • 对于每个不同的实现，都需要一个新的子类，可能会导致系统中类的数量增加。
  • 有时候可能违背了里氏替换原则，因为子类改变了父类的预期行为。

在Spring框架中的应用

1. JdbcTemplate
JdbcTemplate 是Spring提供的一个优秀的数据库操作工具，它实现了模板方法模式。Spring定义了一个抽象的 JdbcOperations 接口，提供了执行数据库操作的模板方法。JdbcTemplate 类实现了这些方法，管理数据库连接、声明语句的创建和执行、结果集的遍历处理等。用户只需要提供SQL语句和定义如何映射结果集到对象，其他的数据库操作细节（如异常处理、事务管理等）都由模板方法处理。

2. TransactionTemplate
Spring的 TransactionTemplate 也是模板方法模式的一个应用实例。它提供了一个模板，用于执行带有事务管理的代码块。用户只需要提供需要在事务环境中执行的代码，而事务的管理（开始、提交、回滚等）则是在模板内部处理的。这使得用户不需要直接与底层的事务API打交道，简化了事务管理的代码。

3. Spring Web MVC
在Spring Web MVC框架中，DispatcherServlet 提供了一个模板方法来处理HTTP请求。它定义了处理请求的整体流程：解析请求、寻找对应的处理器、渲染视图等。在这个流程中，可以插入各种预处理器、后处理器和视图解析器来定制请求处理的行为。开发者通过扩展特定的方法，提供自己的处理逻辑。

4. Spring Security
Spring Security中的过滤器链也是一个模板方法模式的实例。它定义了一系列的安全检查过程，每一个过滤器都是一个检查的实现。开发者可以通过添加或移除过滤器，或者自定义过滤器来定制安全检查的流程。

游戏设计示例

步骤 1：创建一个带有模板方法的抽象类

public abstract class Game {
   abstract void initialize();
   abstract void startPlay();
   abstract void endPlay();

   // 模板方法
   public final void play(){

      // 初始化游戏
      initialize();

      // 开始游戏
      startPlay();

      // 结束游戏
      endPlay();
   }
}

Game 是一个抽象类，定义了三个抽象方法：initialize、startPlay 和 endPlay，用于子类实现具体的游戏初始化、开始和结束的行为。它还定义了一个模板方法 play，该方法按顺序调用这三个方法，设置为 final 以防止子类覆盖。

步骤 2：创建扩展上述类的具体类

public class Cricket extends Game {

   @Override
   void endPlay() {
      System.out.println("板球游戏结束了！");
   }

   @Override
   void initialize() {
      System.out.println("板球游戏初始化了！开始玩吧。");
   }

   @Override
   void startPlay() {
      System.out.println("板球游戏开始了。享受游戏！");
   }
}

Cricket 是 Game 的一个具体子类，它实现了板球游戏的具体行为。

public class Football extends Game {

   @Override
   void endPlay() {
      System.out.println("足球游戏结束了！");
   }

   @Override
   void initialize() {
      System.out.println("足球游戏初始化了！开始玩吧。");
   }

   @Override
   void startPlay() {
      System.out.println("足球游戏开始了。享受游戏！");
   }
}

Football 是另一个具体的 Game 子类，实现了足球游戏的具体行为。

步骤 3：使用游戏的模板方法 play() 来演示游戏的定义方式

public class TemplatePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {

      Game game = new Cricket();
      game.play();
      System.out.println();
      game = new Football();
      game.play();      
   }
}

在这个演示类中，先创建了一个 Cricket 对象，并调用其 play 方法来执行整个板球游戏流程。然后，创建了一个 Football 对象，并再次调用 play 方法来执行足球游戏流程。

这个示例演示了模板方法模式如何定义算法的骨架，同时将一些步骤的具体实现延迟到子类中。通过这种方式，Cricket 和 Football 可以有自己独特的游戏流程，同时共享游戏流程的结构。这使得算法的结构定义一次，可以被多次复用，而且更容易进行扩展。

代码地址

23种设计模式相关代码后续会逐步提交到github上，方便学习，欢迎指点：
代码地址
https://github.com/RuofeiSun/lf-23Pattern