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模板方法模式是一种行为设计模式#xff0c;它在一个方法中定义算法的骨架#xff0c;将一些步骤延迟到子类中实现。 2. 原理结构图
2.1 图 2.2 角色
抽象类#xff08;Abstract Class#xff09; 定义抽象的基本操作#xff08;Primitive Operations#xff…1. 概念
模板方法模式是一种行为设计模式它在一个方法中定义算法的骨架将一些步骤延迟到子类中实现。 2. 原理结构图
2.1 图 2.2 角色
抽象类Abstract Class 定义抽象的基本操作Primitive Operations这些操作构成了模板方法的骨架。实现模板方法Template Method模板方法是定义算法结构的方法它调用基本操作来执行这个算法的步骤。可以定义一些钩子Hook这些是抽象方法或具体方法提供了默认实现子类可以选择性地覆盖它们。 具体方法Concrete Methods 在抽象类中实现一些不变化的方法即那些构成算法骨架的共同步骤。通常是私有Private或者最终Final的以确保子类不会改变这些方法。 抽象操作Abstract Operations 在抽象类中声明的一些抽象方法它们代表了算法中需要由子类实现的可变部分。通常这些抽象操作对应于算法的某些特定步骤子类将根据具体需求来实现这些步骤。 具体子类Concrete Class 继承自抽象类的具体子类。实现或覆盖抽象操作以提供具体的实现细节。如果有需要也可以覆盖钩子方法来影响算法的某些部分。 客户端Client 调用抽象类中的模板方法通常会通过一个具体子类的实例来进行调用。 3. 代码示例
3.1 示例1–在线购物系统
假设正在开发一个在线购物系统其中有不同的支付方式如信用卡支付、支付宝支付等。每种支付方式可能有一些共通的步骤如验证支付信息、处理支付等但也有一些特定的步骤如与支付网关交互。
abstract class Payment {// 模板方法定义了支付处理的流程public final void processPayment() {validatePaymentInfo();performPrePaymentOperations();handlePayment();performPostPaymentOperations();}// 抽象方法由具体子类实现protected abstract void validatePaymentInfo();protected abstract void handlePayment();// 钩子方法可以有默认实现子类可以选择覆盖protected void performPrePaymentOperations() {System.out.println(Performing pre-payment operations (default implementation).);}// 钩子方法可以有默认实现子类可以选择覆盖protected void performPostPaymentOperations() {System.out.println(Performing post-payment operations (default implementation).);}
}// 信用卡支付子类
class CreditCardPayment extends Payment {Overrideprotected void validatePaymentInfo() {System.out.println(Validating credit card payment info.);// 实现具体的验证逻辑}Overrideprotected void handlePayment() {System.out.println(Handling credit card payment with payment gateway.);// 实现与支付网关交互的逻辑}// 覆盖钩子方法以提供自定义行为Overrideprotected void performPostPaymentOperations() {System.out.println(Updating order status after credit card payment.);// 实现更新订单状态的逻辑}
}// 支付宝支付子类
class AlipayPayment extends Payment {Overrideprotected void validatePaymentInfo() {System.out.println(Validating Alipay payment info.);// 实现具体的验证逻辑}Overrideprotected void handlePayment() {System.out.println(Handling Alipay payment with Alipay gateway.);// 实现与支付宝网关交互的逻辑}// 不需要覆盖钩子方法使用默认实现
}public class PaymentProcessor {public static void main(String[] args) {Payment creditCardPayment new CreditCardPayment();Payment alipayPayment new AlipayPayment();// 处理信用卡支付creditCardPayment.processPayment();// 处理支付宝支付alipayPayment.processPayment();}
}将看到如下输出
Validating credit card payment info.
Performing pre-payment operations (default implementation).
Handling credit card payment with payment gateway.
Updating order status after credit card payment.
Validating Alipay payment info.
Performing pre-payment operations (default implementation).
Handling Alipay payment with Alipay gateway.
Performing post-payment operations (default implementation).在这个例子中Payment 类定义了支付处理的算法骨架CreditCardPayment 和 AlipayPayment 子类则提供了具体实现的细节。processPayment 方法作为模板方法确保每种支付方式都遵循相同的处理流程而子类则负责实现各自特有的验证和支付逻辑。同时钩子方法 performPrePaymentOperations 和 performPostPaymentOperations 提供了额外的扩展点允许子类在需要时插入自定义的行为。 3.2 示例2–文件处理系统
定义一个处理文件的通用流程但具体的文件读取和写入操作可以由不同的子类来实现。
// 抽象类定义文件处理的模板方法
abstract class FileProcessor {// 模板方法定义了文件处理的流程 public final void processFile(String filePath) {System.out.println(Starting file processing...);// 读取文件内容 String content readFile(filePath);// 对读取的内容进行处理 String processedContent processContent(content);// 将处理后的内容写入文件 writeFile(processedContent, filePath);System.out.println(File processing completed.);}// 抽象方法由子类提供具体的实现 protected abstract String readFile(String filePath);// 抽象方法由子类提供具体的实现 protected abstract String processContent(String content);// 抽象方法由子类提供具体的实现 protected abstract void writeFile(String content, String filePath);// 可以提供一个钩子方法允许子类在必要时覆盖 protected void beforeProcessing() {System.out.println(Before processing hook method.);}// 可以提供一个钩子方法允许子类在必要时覆盖 protected void afterProcessing() {System.out.println(After processing hook method.);}
}// 具体类1实现文件处理器用于处理文本文件
class TextFileProcessor extends FileProcessor {Overrideprotected String readFile(String filePath) {// 实现读取文本文件的逻辑 System.out.println(Reading text file: filePath);// 假设这里返回读取到的文件内容 return Content from text file;}Overrideprotected String processContent(String content) {// 实现处理文本文件内容的逻辑 System.out.println(Processing text content...);// 假设这里对内容进行了处理 return Processed text content;}Overrideprotected void writeFile(String content, String filePath) {// 实现写入文本文件的逻辑 System.out.println(Writing to text file: filePath);// 假设这里将内容写入了文件 }// 可以选择覆盖钩子方法 Overrideprotected void beforeProcessing() {System.out.println(Before processing text file.);}
}// 具体类2实现文件处理器用于处理二进制文件
class BinaryFileProcessor extends FileProcessor {Overrideprotected String readFile(String filePath) {// 实现读取二进制文件的逻辑 System.out.println(Reading binary file: filePath);// 假设这里返回读取到的二进制内容转换为字符串表示 return Content from binary file;}Overrideprotected String processContent(String content) {// 实现处理二进制文件内容的逻辑 System.out.println(Processing binary content...);// 假设这里对内容进行了处理 return Processed binary content;}Overrideprotected void writeFile(String content, String filePath) {// 实现写入二进制文件的逻辑 System.out.println(Writing to binary file: filePath);// 假设这里将内容写入了文件 }
}// 主类用于演示模板方法模式的使用
public class FileProcessorDemo {public static void main(String[] args) {// 创建文本文件处理器对象 FileProcessor textFileProcessor new TextFileProcessor();// 使用文本文件处理器处理文件 textFileProcessor.processFile(path/to/text/file.txt);// 创建二进制文件处理器对象 FileProcessor binaryFileProcessor new BinaryFileProcessor();// 使用二进制文件处理器处理文件 binaryFileProcessor.processFile(path/to/binary/file.bin);}
}
将看到如下输出
Starting file processing...
Reading text file: path/to/text/file.txt
Processing text content...
Writing to text file: path/to/text/file.txt
File processing completed.
Starting file processing...
Reading binary file: path/to/binary/file.bin
Processing binary content...
Writing to binary file: path/to/binary/file.bin
File processing completed.在这个例子中FileProcessor 是一个抽象类它定义了一个 processFile 模板方法该方法按照预定的顺序调用了三个抽象方法readFile、processContent 和 writeFile。这些抽象方法必须由子类提供具体的实现。TextFileProcessor 和 BinaryFileProcessor 是 FileProcessor 的具体子类分别用于处理文本文件和二进制文件。每个子类都提供了 readFile、processContent 和 writeFile 方法的具体实现以符合它们各自处理文件类型的特定需求。FileProcessorDemo 类是主类用于演示如何使用这两个具体的文件处理器。通过创建 TextFileProcessor 和 BinaryFileProcessor 的实例并调用它们的 processFile 方法可以执行文件处理流程。 4. 优缺点
主要作用 定义一个操作中的算法骨架并将一些步骤延迟到子类中实现。 优点 代码复用通过定义稳定的操作序列减少了重复代码的编写提高了代码复用性。结构清晰将不变的部分和可变的部分分离使得操作流程更加清晰和易于理解。扩展性好子类可以通过实现抽象方法来定制特定步骤从而在不修改原有结构的情况下进行扩展。易于维护由于操作流程被统一管理当需要修改流程时只需在抽象类或模板方法中修改减少了维护工作量。 缺点 抽象类的数量增加为了使用模板方法可能需要创建新的抽象类。代码的复杂性对于初学者而言理解模板方法的继承和多态特性可能较为复杂。子类的依赖性增加子类需要依赖父类的具体实现这可能导致子类与父类之间的耦合度增加。 5. 应用场景
5.1 主要包括以下几个方面
有固定处理步骤的算法当一个复杂的算法或流程中的某些步骤在各个子类中实现相同而某些步骤需要根据具体子类实现不同功能时可以使用模板方法模式。代码复用和扩展性要求高的场景如果希望在不改变算法结构的前提下通过继承机制来扩展程序的功能模板方法模式可以实现这一点。有多个子类共享相似处理过程的情况当多个子类具有类似的处理流程但部分处理步骤在各子类间有所差异时模板方法可以将这些步骤抽象化并在抽象类中定义共同的处理过程。插件式系统当希望系统能够动态地加载和卸载功能模块时模板方法模式允许将新功能的实现作为插件插入到系统中而不需要修改现有代码。框架开发在设计软件框架时模板方法模式可以用来定义框架的基础结构和默认行为同时允许用户通过继承机制定制特定行为。 5.2 实际应用
文件读取和处理当需要从不同类型的文件中读取数据并进行处理时可以使用模板方法模式。首先定义一个抽象类其中包含读取文件、解析数据和处理数据的步骤。然后为每种文件类型创建一个子类实现具体的读取和解析方法。这样可以确保处理流程的一致性同时根据不同的文件类型提供特定的实现。图形绘制在图形绘制系统中可以使用模板方法模式来定义绘制不同形状的算法骨架。首先定义一个抽象类其中包含绘制形状的步骤如设置画笔颜色、绘制边框等。然后为每种形状创建一个子类实现具体的绘制方法。这样可以确保绘制流程的一致性同时根据不同的形状提供特定的实现。网络请求处理在网络应用程序中可以使用模板方法模式来处理不同类型的网络请求。首先定义一个抽象类其中包含发送请求、接收响应和处理结果的步骤。然后为每种请求类型创建一个子类实现具体的发送和接收方法。这样可以确保请求处理流程的一致性同时根据不同的请求类型提供特定的实现。游戏开发在游戏开发中可以使用模板方法模式来定义游戏的主循环。首先定义一个抽象类其中包含更新游戏状态、渲染画面和处理用户输入的步骤。然后为每种游戏类型创建一个子类实现具体的更新和渲染方法。这样可以确保游戏循环的一致性同时根据不同的游戏类型提供特定的实现。 6. JDK中的使用
集合框架在java.util.Collections类中例如sort()方法就是一个模板方法。它定义了排序的算法骨架具体的比较逻辑则由实现Comparator接口的子类来完成。I/O流java.io.InputStream和java.io.OutputStream等抽象类中使用了模板方法模式。它们定义了读取和写入数据的基本步骤而具体如何读取和写入则由子类如FileInputStream和FileOutputStream来实现。JUnit测试框架在JUnit中TestCase类使用了模板方法模式。setUp()和tearDown()方法定义了测试用例执行前后的准备工作和清理工作而具体的测试逻辑则在继承自TestCase的子类中实现。 7. 注意事项
合理使用模板方法模式适用于有固定算法结构但某些步骤需要在不同子类中具体实现的情况。不是所有的场景都需要使用模板方法模式只有在多个子类中需要重复实现一些通用方法或算法时才考虑使用它。区分钩子方法模板方法模式中的钩子方法是一种可选的扩展点它们可以为子类提供覆盖超类中某些步骤的机会。正确理解和使用钩子方法与模板方法的关系可以帮助更好地实现算法的可定制性。避免滥用尽管模板方法模式可以提高系统的扩展性但过度使用可能导致代码复杂性和维护难度增加。因此应当在确实需要时才使用模板方法模式。关注子类实现在使用模板方法模式时需要确保子类正确地实现了所有抽象方法否则可能导致运行时错误或逻辑不一致。 8. 模板方法模式 VS 建造者模式
模式类型目的模式架构主要角色应用场景模板方法模式行为型定义一个操作中的算法骨架并将一些步骤延迟到子类中实现。抽象类和具体方法类适用于有固定处理步骤的算法但某些步骤需要在不同的子类中实现时使用。建造者模式创建型将一个复杂对象的构建与它的表示分离使得同样的构建过程可以创建不同的表示。Builder、ConcreteBuilder、Director 和 Product适用于创建复杂对象
