浅析设计模式4——模板方法模式

Posted 2023-02-06 阿里巴巴淘系技术团队官网博客

我们在进行软件开发时要想实现可维护、可扩展，就需要尽量复用代码，并且降低代码的耦合度。设计模式就是一种可以提高代码可复用性、可维护性、可扩展性以及可读性的解决方案。大家熟知的23种设计模式，可以分为创建型模式、结构型模式和行为型模式三大类。本专题着眼于实际开发过程中常用的几种设计模式，从理论和实战两个角度进行讨论和分享，力求逻辑清晰、表述简洁，帮助大家在项目中合理运用设计模式，保障代码的可靠性。

本文为此系列第四篇文章，前三篇见——

第一篇：浅析设计模式1 —— 工厂模式

第二篇：浅析设计模式2 —— 策略模式

第三篇：浅析设计模式3 —— 装饰者模式

概述

我们在进行软件开发时要想实现可维护、可扩展，就需要尽量复用代码，并且降低代码的耦合度，而设计模式就是一种可以提高代码可复用性、可维护性、可扩展性以及可读性的解决方案。

大家熟知的23种设计模式，可以分为创建型模式、结构型模式和行为型模式三大类。其中， 行为型模式 可用于描述程序中多个类和多个对象如何协作完成复杂的任务，涉及不同对象间的职责分配、算法的抽象化。模版方法模式是一种应用广泛的行为型模式，本文将着眼于模版方法模式进行学习分享，阐述模板方法模式的核心概念和应用实践。认识和使用模板方法模式，可以帮助我们在设计代码时更好的控制算法流程，避免大量重复代码，从而有效提升编程效率。

基本概念

模版方法模式的核心思想是：首先在抽象类中定义一个任务的算法骨架，将算法的执行细节延迟到子类中个性化实现。注意，子类可以在不改变算法架构的情况下，重新定义特定步骤，甚至干预算法的执行流程，从而起到控制抽象父类行为的作用。

下面从模式结构和使用步骤两个层面，简单阐述模版方法模式的基本概念。

▐  结构

模版方法模式的结构相对简单，主要包含两大类：抽象类、具体类，抽象父类中首先定义好算法流程，具体的步骤细节延迟到具体子类中执行。

角色	关系	作用
抽象类    Abstract Class	具体类的父类	定义一个抽象的模版类，给出算法的骨架，包含一个模版方法和若干个基本方法（抽象方法、具体方法、钩子方法）
具体类    Concrete Class	抽象构件的接口实现类	定义一个具体的实现类，实现抽象类中定义的抽象方法和钩子方法。

▐  使用

有了上述的基本概念，我们将装饰者模式的使用步骤概括为：

step1：创建抽象类，定义一个算法骨架，包含一个模版方法和若干个基本方法：

模版方法：算法流程，定义基本方法的执行顺序；

基本方法 - 具体方法：在抽象类中实现，可被具体类继承或重写；

基本方法 - 抽象方法：在抽象类中声明，由具体类实现；

基本方法 - 钩子方法：在抽象类中实现，包含一种用于判断的方法、一种由具体类重写的空方法。

step2：创建具体类，实现抽象类中定义的抽象方法和钩子方法；

使用示例

这里还是为网购为例，简单阐述如何使用模版方法模式。我们在网购时，基本流程都是先选择一个商品、确定样式或型号、下单支付（也可能会和购物车其它商品一起支付）、收货（如果不满意还可退换货）、终止一单网购交易。当然这个过程可能还会掺杂多种其它情况，我们将购物流程简化为：选择商品、下单支付、收货（退换货）、终止交易，实现如下。

▐  代码实现

// 创建抽象父类，定义算法骨架
public abstract class TMAbstractClass 


    public final void shopOnline() 
        selectItems();
        checkoutItems();
        if(isReturnItemsHook1()) 
            returnItems();
         else if(isExchangeItemsHook2()) 
            exchangeItems();
            //假设一次性换到满意的商品
            confirmTheReceipt();
         else 
            confirmTheReceipt();
        
        terminateTransaction();
    


    protected abstract void selectItems();


    protected void checkoutItems() 
        System.out.println("下单支付");
    


    public boolean isReturnItemsHook1() 
        return false;
    
    protected void returnItems() 
    


    public boolean isExchangeItemsHook2() 
        return false;
    
    protected void exchangeItems() 
    


    protected void confirmTheReceipt() 
        System.out.println("确认收货");
    


    protected void terminateTransaction() 
        System.out.println("终止交易");
    





// 定义具体子类1：购买商品1
public class TMConcreteClass1 extends TMAbstractClass


    @Override
    protected void selectItems() 
        System.out.println("选择商品1");
    


    @Override
    public boolean isReturnItemsHook1() 
        return true;
    


    @Override
    protected void returnItems() 
        System.out.println("退货退款");
    





// 定义具体子类2：购买商品2
public class TMConcreteClass2 extends TMAbstractClass


    @Override
    protected void selectItems() 
        System.out.println("选择商品2");
    


    @Override
    public boolean isExchangeItemsHook2() 
        return true;
    


    @Override
    protected void exchangeItems() 
        System.out.println("换货");
    



//客户端调用
public class userPayForItem() 
    public static void main(String[] args) 
        System.out.println("购物记录1：");
        TMAbstractClass shopRecord1 = new TMConcreteClass1();
        shopRecord1.shopOnline();
        System.out.println();
        System.out.println("购物记录2：");
        TMConcreteClass2 shopRecord2 = new TMConcreteClass2();
        shopRecord2.shopOnline();      
    

▐  结果输出

购物记录1：
选择商品1
下单支付
退货退款
终止交易


购物记录2：
选择商品2
下单支付
换货
确认收货
终止交易

▐  UML图

JDK源码赏析

模板方法模式在框架源码中使用也很广泛，比如：JDK 源码中 AbstractList 抽象类、Mybatis 源码中 BaseExecutor 抽象类。本文以 AbstractList 为例，分析模版方法模式在源码中如何应用。AbstractList 是 ArrayList 的父类，也就是模版类，它包含的方法有很多，这里主要介绍一下 addAll() 方法。

public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> 
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) 
        rangeCheckForAdd(index);
        boolean modified = false;
        for (E e : c) 
            add(index++, e);
            modified = true;
        
        return modified;
    

事实上，AbstractList 中的方法除了一些私有方法不能被子类访问，大多数方法都和 addAll() 一样，可由子类选择是否修改：如果子类需要做个性化的实现就要修改，如果不需要则直接按照父类方法的逻辑执行。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) 
        rangeCheckForAdd(index);


        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount


        int numMoved = size - index;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
                             numMoved);


        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    

另外，AbstractList 中有一个 get() 方法，明确要求子类修改实现，如下所示：

private final AbstractList<E> l;
private final int offset;


abstract public E get(int index);


public E get(int index) 
        rangeCheck(index);
        checkForComodification();
        return l.get(index+offset);

左边是父类AbstractList中的，右边是ArrayList中的方法。在父类中没有直接写出实现代码，而是让子类自己手动去实现。除此之外其实还有一个方法就是AbstractList父类AbstractCollection中的toString方法。在ArrayList中是没有的，但是平常在写代码时候，是可以直接调用的，这就是一个公共的方法。

优缺点及适用场景

▐  优点

1. 封装不变部分， 扩展可变部分。把认为是不变部分的算法封装到父类实现， 而可变部分的则可以通过继承来继续扩展。

2. 提取公共部分代码， 便于维护。

3. 行为由父类控制， 子类实现。基本方法是由子类实现的， 因此子类可以通过扩展的方式增加相应的功能， 符合开闭原则。

▐  缺点

1. 子类执行结果影响父类结果，这违背了我们平时设计代码的习惯，在复杂项目中，很可能会带来阅读上的难度。

2. 可能引起子类泛滥、为了继承而继承的问题。

▐  适用场景

1. 算法的整体步骤相对固定、其中个别方法容易变化时，这时候可以使用模板方法模式，将易变部分抽象出来，供子类实现。

2. 当多个子类存在公共行为时，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。

3. 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，即可进行个性化的功能扩展。

总结

模板方法模式只需要简单的继承关系就可以完成，是一种比较简单易用的设计模式。我们在平常写代码时，很可能也会经常使用模板方法模式。根据上文所述，如果我们希望子类不要修改父类的方法，只需要加上 final 修饰即可；如果希望子类一定重写父类的方法，就将父类的方法用 abstract 修饰；如果子类可以修改也可以不修改，就可以参照 addAll() 方法那样设计。模板方法的重点是要理解模板，这个模板需要尽量使用抽象类。因为抽象类比接口更加灵活，能更好得定义模板。

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