设计模式系列22—模版方法模式

1 模版方法模式的定义与特点

在面向对象程序设计过程中,程序员常常会遇到这种情况:设计一个系统时知道了算法所需的关键步骤,而且确定了这些步骤的执行顺序,但某些步骤的具体实现还未知,或者说某些步骤的实现与具体的环境相关。

例如,去银行办理业务一般要经过以下4个流程:取号、排队、办理具体业务、对银行工作人员进行评分等,其中取号、排队和对银行工作人员进行评分的业务对每个客户是一样的,可以在父类中实现,但是办理具体业务却因人而异,它可能是存款、取款或者转账等,可以延迟到子类中实现。

这样的例子在生活中还有很多,例如,一个人每天会起床、吃饭、做事、睡觉等,其中“做事”的内容每天可能不同。我们把这些规定了流程或格式的实例定义成模板,允许使用者根据自己的需求去更新它,例如,简历模板、论文模板、Word 中模板文件等。

以下介绍的模板方法模式将解决以上类似的问题。

1.1 定义

模板方法(Template Method)模式的定义如下:定义一个操作中的算法骨架,而将算法的一些步骤延迟到子类中,使得子类可以不改变该算法结构的情况下重定义该算法的某些特定步骤。它是一种类行为型模式。

1.2 结构

模板方法模式需要注意抽象类与具体子类之间的协作。它用到了虚函数的多态性技术以及“不用调用我,让我来调用你”的反向控制技术。现在来介绍它们的基本结构。

模板方法模式包含以下主要角色。

  • (1) 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。这些方法的定义如下:
    a. 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。
    b. 基本方法:是整个算法中的一个步骤,包含以下几种类型。
    c. 抽象方法:在抽象类中申明,由具体子类实现。
    d. 具体方法:在抽象类中已经实现,在具体子类中可以继承或重写它。
    e. 钩子方法: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。

  • (2) 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一个组成步骤。

模板方法模式的结构图如图所示。
image.png

2 模版方法模式的优缺点

2.1 优点

该模式的主要优点如下。

  • 它封装了不变部分,扩展可变部分。它把认为是不变部分的算法封装到父类中实现,而把可变部分算法由子类继承实现,便于子类继续扩展。
  • 它在父类中提取了公共的部分代码,便于代码复用。
  • 部分方法是由子类实现的,因此子类可以通过扩展方式增加相应的功能,符合开闭原则。

2.2 缺点

该模式的主要缺点如下。

  • 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。

3 模版方法模式的使用场景

模板方法模式通常适用于以下场景。

  • 算法的整体步骤很固定,但其中个别部分易变时,这时候可以使用模板方法模式,将容易变的部分抽象出来,供子类实现。
  • 当多个子类存在公共的行为时,可以将其提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。首先,要识别现有代码中的不同之处,并且将不同之处分离为新的操作。最后,用一个调用这些新的操作的模板方法来替换这些不同的代码。
  • 当需要控制子类的扩展时,模板方法只在特定点调用钩子操作,这样就只允许在这些点进行扩展。

4 模版方法模式的实现

看一个例子,某日,程序员A拿到一个任务:给定一个整数数组,把数组中的数由小到大排序,然后把排序之后的结果打印出来。经过分析之后,这个任务大体上可分为两部分,排序和打印,打印功能好实现,排序就有点麻烦了。但是A有办法,先把打印功能完成,排序功能另找人做。

abstract class AbstractSort {  
     
   /**
    * 将数组array由小到大排序
    * @param array
    */  
   protected abstract void sort(int[] array);  
     
   public void showSortResult(int[] array){  
       this.sort(array);  
       System.out.print("排序结果:");  
       for (int i = 0; i < array.length; i++){  
           System.out.printf("%3s", array[i]);  
       }  
   }  
}

写完后,A找到刚毕业入职不久的同事B说:有个任务,主要逻辑我已经写好了,你把剩下的逻辑实现一下吧。于是把AbstractSort类给B,让B写实现。B拿过来一看,太简单了,10分钟搞定,代码如下:

class ConcreteSort extends AbstractSort {  
     
       @Override  
       protected void sort(int[] array){  
           for(int i=0; i<array.length-1; i++){  
               selectSort(array, i);  
           }  
       }  
         
       private void selectSort(int[] array, int index) {  
           int MinValue = 32767; // 最小值变量  
           int indexMin = 0; // 最小值索引变量  
           int Temp; // 暂存变量  
           for (int i = index; i < array.length; i++) {  
               if (array[i] < MinValue){ // 找到最小值  
                   MinValue = array[i]; // 储存最小值  
                   indexMin = i;  
               }  
           }  
           Temp = array[index]; // 交换两数值  
           array[index] = array[indexMin];  
           array[indexMin] = Temp;  
       }  
   }

写好后交给A,A拿来一运行:

public class Client {  
   public static int[] a = { 10, 32, 1, 9, 5, 7, 12, 0, 4, 3 };
   // 预设数据数组  
   public static void main(String[] args){  
       AbstractSort s = new ConcreteSort();  
       s.showSortResult(a);  
   }  
}

运行结果:

排序结果:  0  1  3  4  5  7  9 10 12 32

运行正常。行了,任务完成。没错,这就是模版方法模式。大部分刚步入职场的毕业生应该都有类似B的经历。一个复杂的任务,由公司中的牛人们将主要的逻辑写好,然后把那些看上去比较简单的方法写成抽象的,交给其他的同事去开发。这种分工方式在编程人员水平层次比较明显的公司中经常用到。比如一个项目组,有架构师,高级工程师,初级工程师,则一般由架构师使用大量的接口、抽象类将整个系统的逻辑串起来,实现的编码则根据难度的不同分别交给高级工程师和初级工程师来完成。怎么样,是不是用到过模版方法模式?

5 模版方法模式常见问题

5.1 模式的扩展

在模板方法模式中,基本方法包含:抽象方法、具体方法和钩子方法,正确使用“钩子方法”可以使得子类控制父类的行为。如下面例子中,可以通过在具体子类中重写钩子方法 HookMethod1() 和 HookMethod2() 来改变抽象父类中的运行结果,其结构图如图所示。
image.png

程序代码如下:

public class HookTemplateMethod
{
    public static void main(String[] args)
    {
        HookAbstractClass tm=new HookConcreteClass();
        tm.TemplateMethod();
    }
}
//含钩子方法的抽象类
abstract class HookAbstractClass
{
    public void TemplateMethod() //模板方法
    {
        abstractMethod1();
        HookMethod1();
        if(HookMethod2())
        {
            SpecificMethod();   
        }
         abstractMethod2();
    }  
    public void SpecificMethod() //具体方法
    {
        System.out.println("抽象类中的具体方法被调用...");
    }
    public void HookMethod1(){}  //钩子方法1
    public boolean HookMethod2() //钩子方法2
    {
        return true;
    }
    public abstract void abstractMethod1(); //抽象方法1
    public abstract void abstractMethod2(); //抽象方法2
}
//含钩子方法的具体子类
class HookConcreteClass extends HookAbstractClass
{
    public void abstractMethod1()
    {
        System.out.println("抽象方法1的实现被调用...");
    }   
    public void abstractMethod2()
    {
        System.out.println("抽象方法2的实现被调用...");
    }   
    public void HookMethod1()
    {
        System.out.println("钩子方法1被重写...");
    }
    public boolean HookMethod2()
    {
        return false;
    }
}

程序的运行结果如下:

抽象方法1的实现被调用...
钩子方法1被重写...
抽象方法2的实现被调用...

如果钩子方法 HookMethod1() 和钩子方法 HookMethod2() 的代码改变,则程序的运行结果也会改变。

更新时间:2020-09-04 11:42:03

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最后更新:2020-09-04 11:42:03

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