模板方法模式

简介

模板方法模式（Template Method Pattern）是一种行为设计模式，它定义了一个操作中的算法的骨架，将一些步骤延迟到子类中实现。这样，可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。

结构

1. 抽象类（Abstract Class）：定义了一个模板方法，其中包含算法的骨架，以及一系列抽象方法，这些抽象方法由子类实现。

2. 具体子类（Concrete Subclasses）：实现了父类中定义的抽象方法，以完成算法中的具体步骤。

案例

让我们以一个简单的制作蛋糕的例子来说明模板方法模式的应用。在这个例子中，我们将创建一个蛋糕制作器，它可以制作不同种类的蛋糕，但制作的步骤是固定的。

using System;

// 抽象类：蛋糕制作器
abstract class CakeMaker
{
    // 模板方法：制作蛋糕
    public void MakeCake()
    {
        PrepareIngredients();
        MixIngredients();
        BakeCake();
        DecorateCake();
        DisplayResult();
    }

    // 抽象方法：准备食材
    protected abstract void PrepareIngredients();

    // 抽象方法：混合食材
    protected abstract void MixIngredients();

    // 抽象方法：烘焙蛋糕
    protected abstract void BakeCake();

    // 抽象方法：装饰蛋糕
    protected abstract void DecorateCake();

    // 具体方法：显示制作结果
    protected void DisplayResult()
    {
        Console.WriteLine("Cake is ready!");
    }
}

// 具体类：巧克力蛋糕制作器
class ChocolateCakeMaker : CakeMaker
{
    protected override void PrepareIngredients()
    {
        Console.WriteLine("Preparing chocolate cake ingredients.");
    }

    protected override void MixIngredients()
    {
        Console.WriteLine("Mixing chocolate cake ingredients.");
    }

    protected override void BakeCake()
    {
        Console.WriteLine("Baking chocolate cake.");
    }

    protected override void DecorateCake()
    {
        Console.WriteLine("Decorating chocolate cake.");
    }
}

// 具体类：草莓蛋糕制作器
class StrawberryCakeMaker : CakeMaker
{
    protected override void PrepareIngredients()
    {
        Console.WriteLine("Preparing strawberry cake ingredients.");
    }

    protected override void MixIngredients()
    {
        Console.WriteLine("Mixing strawberry cake ingredients.");
    }

    protected override void BakeCake()
    {
        Console.WriteLine("Baking strawberry cake.");
    }

    protected override void DecorateCake()
    {
        Console.WriteLine("Decorating strawberry cake.");
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        CakeMaker chocolateCakeMaker = new ChocolateCakeMaker();
        chocolateCakeMaker.MakeCake();

        Console.WriteLine();

        CakeMaker strawberryCakeMaker = new StrawberryCakeMaker();
        strawberryCakeMaker.MakeCake();
    }
}

在这个示例中，CakeMaker 是抽象类，定义了模板方法 MakeCake()，以及一些抽象方法。ChocolateCakeMaker 和 StrawberryCakeMaker 是具体的子类，分别实现了制作巧克力蛋糕和草莓蛋糕的具体步骤。在 Main 方法中，我们创建了不同类型的蛋糕制作器并调用它们的 MakeCake() 方法来制作蛋糕。

其他案例

1. .NET 内置的设计模式库： .NET Framework 中的许多内置库和框架使用了模板方法模式。例如，System.Windows.Forms.Control 类中的 OnPaint 方法就是一个模板方法，它定义了控件的绘制流程，而具体的绘制操作可以在子类中实现。

2. 数据库访问框架： 在开发数据库访问框架时，可以使用模板方法模式来定义通用的数据库操作流程。例如，在 Entity Framework 中，基类 DbContext 定义了数据操作的模板方法，而具体的数据操作可以在派生类中实现。

3. 单元测试框架： 单元测试框架通常会使用模板方法模式来定义测试用例的执行流程。例如，NUnit 和 MSTest 都提供了一些默认的测试运行流程，开发人员可以根据需要扩展或修改这些流程。

优点

1. 代码复用性高： 模板方法模式将共享的代码放在父类中，子类只需专注于实现特定的步骤，从而提高了代码的复用性。

2. 行为封装： 父类中的模板方法封装了算法的骨架，子类只需实现具体的步骤，降低了算法的变化对客户端的影响，提高了系统的稳定性。

3. 易于扩展： 通过继承和多态的机制，可以很容易地添加新的子类来扩展算法的行为，而无需修改现有的代码。

4. 符合开闭原则： 模板方法模式通过定义抽象的模板方法和具体的实现子类来实现功能扩展，符合开闭原则，即对修改关闭，对扩展开放。

缺点

1. 过度使用可能导致系统复杂性增加： 如果模板方法的逻辑过于复杂，包含大量的具体步骤和复杂的控制逻辑，可能会导致系统难以维护和理解。

2. 违反单一职责原则： 父类中的模板方法可能包含多个子类共享的步骤，这些步骤可能与子类的责任无关，违反了单一职责原则。

3. 不适用于所有情况： 某些情况下，如果算法中的步骤变化频繁，或者步骤之间的关系较为复杂，可能不适合使用模板方法模式。

适用场景

1. 算法骨架固定，但具体步骤可变： 当一个算法的整体流程已经确定，但其中某些步骤的具体实现可能会变化时，可以使用模板方法模式。例如，各种类型的数据结构遍历算法中，遍历的顺序和条件可能不同，但遍历的整体过程是相似的。

2. 共享相同的行为： 当多个类具有相似的行为，并且这些行为都可以被抽象为一个公共的父类，其中的某些步骤可以在子类中实现不同的行为时，可以使用模板方法模式。例如，多个游戏角色都有攻击和防御的行为，但具体的攻击和防御方式可能不同。

3. 代码复用性高： 当系统中存在重复代码，且这些代码具有一定的稳定性时，可以将这些代码抽象到父类的模板方法中，实现代码的复用。

4. 具体子类之间的差异性较小： 当具体子类之间的差异性较小，主要体现在一些具体步骤的实现上时，可以使用模板方法模式。这样可以避免在每个子类中重复编写相似的代码。

5. 框架设计： 在框架和类库的设计中，模板方法模式经常被使用。框架定义了算法的骨架和一些抽象方法，而具体的实现可以由用户继承和扩展。