设计模式之模板方法模式

模板方法模式（Template Method Pattern）是行为型设计模式的一种，它定义了一个算法的骨架，并允许子类为一个或多个步骤提供具体实现。模板方法模式使得子类可以在不改变算法结构的前提下，重新定义算法的某些特定步骤。这种设计模式在软件开发中非常有用，特别是在那些需要固定算法框架但具体实现可能因情况而异的场合。

一、设计原理

模板方法模式的设计原理基于面向对象的多态性和继承机制。通过定义一个抽象类（或接口），模板方法模式将算法的框架抽象出来，并通过抽象方法（或接口方法）将算法中可变的部分延迟到子类中实现。同时，模板方法还定义了一个或多个具体方法，这些方法在算法中扮演固定不变的角色，由抽象类直接实现。
在模板方法中，通常会调用一个或多个抽象方法（或接口方法），这些方法的实现由子类提供。此外，模板方法还可能包含一些钩子方法（Hook Methods），它们是可选的、具有默认实现的方法，子类可以选择性地覆盖这些方法以改变算法的行为。

二、结构

模板方法模式主要包含以下几个部分：

1、抽象类（Abstract Class）

定义了算法的框架，即模板方法。
声明了抽象方法，这些方法是算法中可变的部分，由子类实现。
实现了算法中的固定部分，即具体方法。
可以包含钩子方法，子类可以选择性地覆盖这些方法。

2、具体子类（Concrete Class）

继承自抽象类。
实现抽象类中声明的抽象方法，以完成算法中可变部分的具体实现。
可以选择性地覆盖钩子方法，以改变算法的默认行为。

三、应用场景

模板方法模式适用于以下场景：

1、算法框架固定，但具体实现可变

当算法的整体结构固定，但某些步骤的具体实现可能因情况而异时，可以使用模板方法模式。

2、重复代码需要抽象

在多个类中存在重复的代码片段，且这些代码片段在算法中扮演相似的角色时，可以通过模板方法模式将这些代码抽象到父类中，以减少代码重复。

3、控制子类扩展

当需要控制子类的扩展方式，确保子类按照特定的算法框架进行扩展时，可以使用模板方法模式。

四、优缺点

1、优点

1）封装性

将算法的框架封装在抽象类中，使得算法的结构不会因为子类的改变而改变。

2）灵活性

允许子类在不改变算法结构的前提下，重新定义算法的某些步骤。

3）复用性

通过继承机制，可以复用算法中的公共部分，减少代码重复。

4）扩展性

通过钩子方法，可以轻松地在不改变原有类结构的情况下，增加新的功能或修改现有功能。

2、缺点

1）增加系统复杂性

当子类过多时，可能会导致系统变得复杂，难以理解和维护。

2）过度设计

如果算法的变化不大，或者子类之间的差异很小，使用模板方法模式可能会导致过度设计。

3）对子类的约束

模板方法模式要求子类必须遵循特定的算法框架，这可能会限制子类的灵活性。

五、与其他设计模式的比较

1、与策略模式（Strategy Pattern）的比较

相似之处

两者都用于定义算法族，但策略模式是让算法的变化独立于使用算法的客户。而模板方法模式则是通过定义算法的框架，将算法的一些步骤延迟到子类中实现。

不同之处

策略模式是通过组合的方式来实现算法的替换，而模板方法模式则是通过继承的方式来实现算法的扩展。此外，策略模式中的算法可以独立于使用它们的客户而变化，而模板方法模式中的算法框架是固定的，只有某些步骤的实现可以变化。

2、与工厂方法模式（Factory Method Pattern）的比较

相似之处

两者都涉及到对象的创建。但模板方法模式关注的是算法框架的定义和步骤的实现，而工厂方法模式则关注的是对象的创建过程。

不同之处

工厂方法模式通过定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。而模板方法模式则是通过定义一个算法的框架，让子类实现算法中的某些步骤。

六、代码示例-Java

为了更好地理解模板方法模式，我们将通过几个详细的示例来展示其在不同场景下的应用。

示例一：咖啡冲泡系统

在这个示例中，我们将模拟一个咖啡冲泡系统，该系统可以冲泡不同类型的咖啡（如美式咖啡、拿铁咖啡等）。不同类型的咖啡冲泡过程可能有所不同，但大致可以分为烧水、冲泡、倒入杯中、添加调料等几个步骤。我们可以使用模板方法模式来定义冲泡咖啡的算法框架，并让不同类型的咖啡实现具体的冲泡和添加调料步骤。

// 抽象模板 - Beverage  
abstract class Beverage {  
    // 模板方法，定义了冲泡饮料的基本流程  
    final void prepareBeverage() {  
        boilWater();  
        brew();  
        pourInCup();  
        if (customerWantsCondiments()) {  
            addCondiments();  
        }  
    }  
  
    // 抽象方法，由子类实现  
    abstract void brew();  
  
    // 抽象方法，由子类实现  
    abstract void addCondiments();  
  
    // 具体方法，由抽象类直接实现  
    void boilWater() {  
        System.out.println("Boiling water");  
    }  
  
    // 具体方法，由抽象类直接实现  
    void pourInCup() {  
        System.out.println("Pouring into cup");  
    }  
  
    // 钩子方法，子类可以选择性地覆盖  
    boolean customerWantsCondiments() {  
        return true;  
    }  
}  
  
// 具体模板 - Espresso  
class Espresso extends Beverage {  
    // 实现抽象方法  
    void brew() {  
        System.out.println("Dripping espresso through filter");  
    }  
  
    // 实现抽象方法  
    void addCondiments() {  
        System.out.println("Adding a sprinkle of cinnamon");  
    }  
  
    // 覆盖钩子方法，表示不需要添加其他调料  
    boolean customerWantsCondiments() {  
        return false;  
    }  
}  
  
// 具体模板 - HouseBlend  
class HouseBlend extends Beverage {  
    // 实现抽象方法  
    void brew() {  
        System.out.println("Steeping the House Blend coffee");  
    }  
  
    // 实现抽象方法  
    void addCondiments() {  
        System.out.println("Adding milk and sugar");  
    }  
}  
  
// 客户端代码  
public class CoffeeShop {  
    public static void main(String[] args) {  
        Beverage espresso = new Espresso();  
        espresso.prepareBeverage();  
  
        Beverage houseBlend = new HouseBlend();  
        houseBlend.prepareBeverage();  
    }  
}

示例二：游戏角色创建

在这个示例中，我们将模拟一个游戏中的角色创建过程。不同的角色（如战士、法师、盗贼）在创建时可能需要执行不同的初始化步骤（如设置属性、装备武器、学习技能等）。我们可以使用模板方法模式来定义角色创建的算法框架，并让不同类型的角色实现具体的初始化步骤。

// 抽象模板 - Character  
abstract class Character {  
    // 模板方法，定义了角色创建的流程  
    final void createCharacter() {  
        initializeAttributes();  
        equipWeapons();  
        learnSkills();  
    }  
  
    // 抽象方法，由子类实现  
    abstract void initializeAttributes();  
  
    // 抽象方法，由子类实现  
    abstract void equipWeapons();  
  
    // 抽象方法，由子类实现  
    abstract void learnSkills();  
}  
  
// 具体模板 - Warrior  
class Warrior extends Character {  
    // 实现抽象方法  
    void initializeAttributes() {  
        System.out.println("Setting warrior attributes: Strength, Endurance");  
    }  
  
    // 实现抽象方法  
    void equipWeapons() {  
        System.out.println("Equipping warrior with sword and shield");  
    }  
  
    // 实现抽象方法  
    void learnSkills() {  
        System.out.println("Learning warrior skills: Battle Cry, Shield Bash");  
    }  
}  
  
// 具体模板 - Mage  
class Mage extends Character {  
    // 实现抽象方法  
    void initializeAttributes() {  
        System.out.println("Setting mage attributes: Intelligence, Willpower");  
    }  
  
    // 实现抽象方法  
    void equipWeapons() {  
        System.out.println("Equipping mage with staff and spellbook");  
    }  
  
    // 实现抽象方法  
    void learnSkills() {  
        System.out.println("Learning mage skills: Fireball, Ice Shield");  
    }  
}  
  
// 客户端代码  
public class GameCreator {  
    public static void main(String[] args) {  
        Character warrior = new Warrior();  
        warrior.createCharacter();  
  
        Character mage = new Mage();  
        mage.createCharacter();

七、总结

模板方法模式是一种非常有用的设计模式，它通过定义算法的框架，将算法中的一些步骤延迟到子类中实现，从而在不改变算法结构的前提下，允许子类灵活地定义算法的具体步骤。这种模式在软件开发中广泛应用于需要固定算法结构但某些步骤实现可能变化的场合，如框架和库的设计、业务流程的处理等。通过模板方法模式，我们可以提高代码的复用性、灵活性和可扩展性，同时保持算法结构的稳定性。