Java 设计模式系列:模板方法模式

简介

模板方法模式是一种行为型设计模式,它定义一个操作中的算法骨架,将一些步骤推迟到子类中。模板方法模式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。

在模板方法模式中,抽象类中定义了一系列基本操作,这些操作是具体的也可以是抽象的,每一个基本操作对应算法的一个步骤。在子类中可以重定义或实现这些步骤,同时抽象类实现了一个模板方法,定义一个算法的框架。

模板方法模式通过封装不变部分,扩展可变部分,将特定步骤的具体实现与操作流程分离开来,实现了代码的复用和扩展,提高了代码质量和可维护性。同时,由于模板方法模式将具体实现由子类来完成,因此可以方便地扩展新的功能或变更实现方式,同时不影响模板方法本身。

然而,模板方法模式也存在一些缺点。由于每个算法都需要一个抽象类和具体子类来实现,因此在操作流程比较多时可能导致类的数量急剧增加,从而导致代码的复杂性提高。同时,由于模板方法和子类紧密相关,如果该模板方法需要修改,可能会涉及到多个子类的修改。

结构

模板方法(Template Method)模式包含以下主要角色:

  • 抽象类(Abstract Class):负责给出一个算法的轮廓和骨架。它由一个模板方法和若干个基本方法构成。

    • 模板方法:定义了算法的骨架,按某种顺序调用其包含的基本方法。

    • 基本方法:是实现算法各个步骤的方法,是模板方法的组成部分。基本方法又可以分为三种:

      • 抽象方法(Abstract Method) :一个抽象方法由抽象类声明、由其具体子类实现。

      • 具体方法(Concrete Method) :一个具体方法由一个抽象类或具体类声明并实现,其子类可以进行覆盖也可以直接继承。

      • 钩子方法(Hook Method) :在抽象类中已经实现,包括用于判断的逻辑方法和需要子类重写的空方法两种。

        一般钩子方法是用于判断的逻辑方法,这类方法名一般为isXxx,返回值类型为boolean类型。

  • 具体子类(Concrete Class):实现抽象类中所定义的抽象方法和钩子方法,它们是一个顶级逻辑的组成步骤。

案例实现

【例】炒菜

炒菜的步骤是固定的,分为倒油、热油、倒蔬菜、倒调料品、翻炒等步骤。现通过模板方法模式来用代码模拟。类图如下:

在这里插入图片描述

代码如下:

public abstract class AbstractClass {public final void cookProcess() {//第一步:倒油this.pourOil();//第二步:热油this.heatOil();//第三步:倒蔬菜this.pourVegetable();//第四步:倒调味料this.pourSauce();//第五步:翻炒this.fry();}public void pourOil() {System.out.println("倒油");}//第二步:热油是一样的,所以直接实现public void heatOil() {System.out.println("热油");}//第三步:倒蔬菜是不一样的(一个下包菜,一个是下菜心)public abstract void pourVegetable();//第四步:倒调味料是不一样public abstract void pourSauce();//第五步:翻炒是一样的,所以直接实现public void fry(){System.out.println("炒啊炒啊炒到熟啊");}
}public class ConcreteClass_BaoCai extends AbstractClass {@Overridepublic void pourVegetable() {System.out.println("下锅的蔬菜是包菜");}@Overridepublic void pourSauce() {System.out.println("下锅的酱料是辣椒");}
}public class ConcreteClass_CaiXin extends AbstractClass {@Overridepublic void pourVegetable() {System.out.println("下锅的蔬菜是菜心");}@Overridepublic void pourSauce() {System.out.println("下锅的酱料是蒜蓉");}
}public class Client {public static void main(String[] args) {//炒手撕包菜ConcreteClass_BaoCai baoCai = new ConcreteClass_BaoCai();baoCai.cookProcess();//炒蒜蓉菜心ConcreteClass_CaiXin caiXin = new ConcreteClass_CaiXin();caiXin.cookProcess();}
}

注意:为防止恶意操作,一般模板方法都加上 final 关键词。

优缺点

优点:

  • 提高代码复用性

    将相同部分的代码放在抽象的父类中,而将不同的代码放入不同的子类中。

  • 实现了反向控制

    通过一个父类调用其子类的操作,通过对子类的具体实现扩展不同的行为,实现了反向控制 ,并符合“开闭原则”。

缺点:

  • 对每个不同的实现都需要定义一个子类,这会导致类的个数增加,系统更加庞大,设计也更加抽象。
  • 父类中的抽象方法由子类实现,子类执行的结果会影响父类的结果,这导致一种反向的控制结构,它提高了代码阅读的难度。

源码中的应用

JDK中

  1. java.io.InputStream:这是 Java 输入流的抽象类。它定义了一系列读取字节的方法,如read()read(byte[] b, int off, int len)。它的子类,如FileInputStreamByteArrayInputStream等,实现了这些抽象方法以提供不同的输入来源。

    https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/io/InputStream.java

  2. java.util.AbstractList:这是 Java 集合框架中 List 接口的抽象实现。它实现了 List 接口中的大部分方法,例如get(int index)size(),而add(int index, E element)remove(int index)等修改列表的方法则被定义为抽象,留给具体的子类实现。

    https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/util/AbstractList.java

  3. javax.servlet.http.HttpServlet:这是 Java Servlet API 中的一个关键类,用于处理 HTTP 请求。HttpServlet定义了doGet()doPost()等用于处理不同 HTTP 方法的抽象方法,开发人员可以通过扩展HttpServlet并覆盖这些方法来编写自定义的 HTTP 请求处理逻辑。

Spring中

  1. JdbcTemplateJdbcTemplate 是 Spring JDBC 模块中的一个核心类,它简化了 JDBC 编程。JdbcTemplate 使用了模板方法模式,定义了一组模板方法,如execute()query()update()等,这些方法定义了 JDBC 操作的通用流程,但将实际的 SQL 查询、参数设置等操作留给了回调接口或者 Lambda 表达式,使得用户可以根据需要进行定制。
  2. RestTemplate:在 Spring Web 模块中,RestTemplate 是一个用于访问 RESTful 服务的客户端类。它也使用了模板方法模式,定义了一组模板方法,如getForObject()postForObject()等,这些方法封装了 HTTP 请求的通用逻辑,但实际的 HTTP 请求发送和响应处理由具体的 HTTP 消息转换器等组件来实现。
  3. AbstractController:在 Spring MVC 中,AbstractController 是一个抽象控制器类,它定义了一些处理请求的模板方法,如handleRequestInternal()。开发者可以通过扩展AbstractController并实现这些模板方法来创建自定义的控制器,从而实现特定的请求处理逻辑。

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