软件设计模式—模板方法

模板方法（行为模式）

一、概念解释

模板方法模式就像是制定了一份做事的 “通用模板” 或者 “标准流程”。这个模板里规定好了做事的主要步骤，但是其中某些步骤的具体做法可以根据不同的情况灵活变化。

打个比方，你要制作一份美食，美食的制作有固定的几个大步骤，比如准备食材、烹饪、装盘，但不同的美食在准备食材、烹饪方式等具体操作上会有差异，这个固定的大步骤就是模板，而每个步骤的具体做法就是可以灵活调整的部分。

二、生活场景示例

以制作饮料为例，假设你要制作不同类型的热饮，像咖啡和茶，它们的制作过程有一些通用步骤。

1.通用流程：

• • 1. 烧开水。
    2. 用开水冲泡相应的原料（咖啡粉或茶叶）。
    3. 把泡好的饮品倒入杯子。
    4. 可以根据个人口味添加调料（糖、牛奶等）。

2.具体差异：

在冲泡原料这一步，制作咖啡用的是咖啡粉，而制作茶用的是茶叶；添加调料时，有些人喝咖啡喜欢加牛奶和糖，而有些人喝茶可能什么都不加。

三、主要元素

元素	功能	代码实现
通用模板方法或流程载体	1. 定义了模板方法 2. 作为子步骤的一些抽象方法或具体方法。 3. 钩子方法（可选），用来决定流程中的某步骤是否执行。	抽象父类 注意：在设计时候，确保具体子类不能修改流程部分代码。方法使用关键字final（java）或sealed（C#）
具体模板或流程载体	继承自抽象父类，并实现子步骤的抽象方法	具体子类
使用者	使用抽象父类和具体子类提供的功能，实现其他想要的功能

四、代码示例及解释

1.下面用 Java 代码来实现上述制作饮料的场景。

// 抽象类，定义制作饮料的模板方法

abstract class BeverageMaker {

// 模板方法，定义制作饮料的通用流程

public final void makeBeverage() {

boilWater();

brew();

pourInCup();

if (customerWantsCondiments()) {

addCondiments();

}

}

// 烧开水，具体实现固定

private void boilWater() {

System.out.println("Boiling water");

}

// 冲泡原料，具体实现由子类决定

protected abstract void brew();

// 倒入杯子，具体实现固定

private void pourInCup() {

System.out.println("Pouring into cup");

}

// 添加调料，具体实现由子类决定

protected abstract void addCondiments();

// 钩子方法，判断顾客是否需要调料，默认需要

protected boolean customerWantsCondiments() {

return true;

}

}

// 具体子类，咖啡制作类

class CoffeeMaker extends BeverageMaker {

@Override

protected void brew() {

System.out.println("Dripping coffee through filter");

}

@Override

protected void addCondiments() {

System.out.println("Adding sugar and milk");

}

// 重写钩子方法，根据实际情况决定是否添加调料

@Override

protected boolean customerWantsCondiments() {

return false;

}

}

// 具体子类，茶制作类

class TeaMaker extends BeverageMaker {

@Override

protected void brew() {

System.out.println("Steeping the tea");

}

@Override

protected void addCondiments() {

System.out.println("Adding lemon");

}

}

// 使用者，测试类

public class BeverageTest {

public static void main(String[] args) {

System.out.println("Making coffee...");

BeverageMaker coffeeMaker = new CoffeeMaker();

coffeeMaker.makeBeverage();

System.out.println("\nMaking tea...");

BeverageMaker teaMaker = new TeaMaker();

teaMaker.makeBeverage();

}

}

2.C#实现代码：

using System;

// 抽象类，定义制作饮料的模板方法

abstract class BeverageMaker

{

// 模板方法，定义制作饮料的通用流程

public sealed void MakeBeverage()

{

BoilWater();

Brew();

PourInCup();

if (CustomerWantsCondiments())

{

AddCondiments();

}

}

// 烧开水，具体实现固定

private void BoilWater()

{

Console.WriteLine("Boiling water");

}

// 冲泡原料，具体实现由子类决定

protected abstract void Brew();

// 倒入杯子，具体实现固定

private void PourInCup()

{

Console.WriteLine("Pouring into cup");

}

// 添加调料，具体实现由子类决定

protected abstract void AddCondiments();

// 钩子方法，判断顾客是否需要调料，默认需要

protected virtual bool CustomerWantsCondiments()

{

return true;

}

}

// 具体子类，咖啡制作类

class CoffeeMaker : BeverageMaker

{

protected override void Brew()

{

Console.WriteLine("Dripping coffee through filter");

}

protected override void AddCondiments()

{

Console.WriteLine("Adding sugar and milk");

}

// 重写钩子方法，根据实际情况决定是否添加调料

protected override bool CustomerWantsCondiments()

{

return false;

}

}

// 具体子类，茶制作类

class TeaMaker : BeverageMaker

{

protected override void Brew()

{

Console.WriteLine("Steeping the tea");

}

protected override void AddCondiments()

{

Console.WriteLine("Adding lemon");

}

}

//使用者

class Program

{

static void Main()

{

Console.WriteLine("Making coffee...");

BeverageMaker coffeeMaker = new CoffeeMaker();

coffeeMaker.MakeBeverage();

Console.WriteLine("\nMaking tea...");

BeverageMaker teaMaker = new TeaMaker();

teaMaker.MakeBeverage();

}

}

代码解释：

通过模板方法模式，我们可以在保证整体流程不变的情况下，灵活地改变某些步骤的具体实现。

1. BeverageMaker 抽象类：
   • MakeBeverage 方法是模板方法，它定义了制作饮料的通用步骤，包含了烧开水、冲泡原料、倒入杯子以及根据条件添加调料等步骤。
   • BoilWater 和 PourInCup 方法的实现是固定的，因为烧开水和倒入杯子的操作对于制作咖啡和茶来说是一样的。因而使用 private 访问修饰符，表明这是内部实现细节，不希望子类直接访问或重写。
   • Brew 和 AddCondiments 方法，在不同饮料制作中存在差异。因而被声明为 protected abstract，这意味着它们是抽象方法，具体的实现由子类完成。
   • CustomerWantsCondiments 是一个钩子方法，子类可以根据需要重写它，从而决定是否要执行添加调料这一步骤。使用 protected virtual 修饰，允许子类重写该方法来改变是否添加调料的决策逻辑，默认返回 true。
2. CoffeeMaker 类和 TeaMaker 类：
   • 这两个类继承自 BeverageMaker 抽象类，并实现了抽象方法 Brew 和 AddCondiments，以体现制作咖啡和茶在冲泡原料和添加调料上的不同。
   • CoffeeMaker 类重写了 CustomerWantsCondiments 方法，返回 false，表示制作咖啡时不添加调料。
3. Program 类的 Main 方法：
   • 创建了 CoffeeMaker 和 TeaMaker 的实例，并调用它们的 MakeBeverage 方法来执行制作饮料的流程。

五、使用场景

当存在一些通用的算法或者流程骨架结构不变，而其步骤中某些具体操作不同的时候，可以使用。常见如下场景：

1. 框架开发

框架开发者明确算法整体结构与通用步骤，但具体实现因场景而异。如 Java 的 Servlet 框架，HttpServlet 类定义了处理 HTTP 请求的通用流程，doGet、doPost 等方法供开发者重写实现业务逻辑。

2. 多子类共性场景

多个子类有共同行为和核心算法，但部分步骤实现不同。例如需要将多种类型的文档（如文本文件、电子表格、演示文稿）转换为 PDF 格式。整个转换过程包含从先读取、再解析、后生成的通用步骤，而每种文件的具体读取、解析和生成的处理细节却不同，可在父类定义通用流程，子类实现每一步的细节。

3. 代码重构优化

代码存在大量重复且代表通用算法流程时，可用此模式重构。像数据处理系统，各模块都有数据读取、处理、存储步骤，但方式不同，可将通用流程放父类模板方法，具体实现由子类完成。

4. 控制子类扩展

通过模板方法和钩子方法控制子类对算法流程的扩展。模板方法规定步骤顺序，钩子方法允许子类特定点扩展或修改。如工作流审批系统，父类定义通用审批流程，子类实现各步骤，钩子方法可控制步骤跳过或额外操作。