模板方法模式：封装不变步骤，引导扩展实现灵活多态的算法流程

一、引言

​ 模板方法模式（Template Method Pattern）是一种行为型设计模式，它在父类中定义一个操作中的算法骨架，并允许子类为其中的某些步骤提供具体实现。这种模式使得子类可以在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中某些可变部分的实现。

二、应用场景与技术背景

模板方法模式适用于以下场景：

1. 一个抽象类公开了执行其算法的模板方法，该方法由一系列基本操作步骤组成，其中一些步骤在抽象类中已实现，而另外一些步骤留给子类去实现。
2. 复用相同算法的不同变体，只需要在每个变体中重写特定步骤即可。

例如，在软件开发过程中，可能需要构建一个通用的数据处理流程，如数据读取、预处理、计算和结果输出等步骤。这些步骤中的数据读取和输出方式可能会因项目需求而变化，但处理流程的基本框架保持不变。此时，可以使用模板方法模式来设计这个数据处理框架。

三、模式定义与实现

模板方法模式的核心组成部分包括：

1. AbstractClass（抽象类角色）：定义了一个或多个操作的模板方法，这些方法通常包含了一系列已定义好的步骤，同时也可以定义一些抽象方法供子类实现。
2. ConcreteClass（具体类角色）：是AbstractClass的子类，实现了在抽象类中声明的抽象方法，从而完成算法中可变部分的定制。

四、实例详解

以咖啡制作过程为例，来具体实现模板方法模式：

1. 定义抽象类（AbstractClass）：创建一个名为CoffeeMaker的抽象类，它定义了煮咖啡的基本步骤，其中“煮水”和“添加调料”等步骤是固定的，而“选择咖啡豆”和“研磨咖啡豆”则作为抽象方法留给子类实现。

   public abstract class CoffeeMaker {
       // 模板方法
       public final void makeCoffee() {
           boilWater();
           brewCoffeeGrinds();
           pourInCup();
           addCondiments();
       }
   
       // 固定步骤
       protected void boilWater() {
           System.out.println("开始烧开水...");
       }
       
       protected void pourInCup() {
           System.out.println("将咖啡倒入杯中...");
       }
   
       // 抽象方法，留给子类实现
       protected abstract void chooseCoffeeBeans();
   
       protected abstract void grindCoffeeBeans();
   
       // 其他固定步骤
       protected void brewCoffeeGrinds() {
           System.out.println("开始冲泡咖啡粉...");
       }
   
       protected void addCondiments() {
           System.out.println("加入调料...");
       }
   }
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2. 定义具体类（ConcreteClass）：创建两个具体的咖啡机类EspressoMachine和FrenchPressMachine，它们继承自CoffeeMaker并实现抽象方法。

   public class EspressoMachine extends CoffeeMaker {
       @Override
       protected void chooseCoffeeBeans() {
           System.out.println("选用浓缩咖啡豆...");
       }
   
       @Override
       protected void grindCoffeeBeans() {
           System.out.println("精细研磨浓缩咖啡豆...");
       }
   }
   
   public class FrenchPressMachine extends CoffeeMaker {
       @Override
       protected void chooseCoffeeBeans() {
           System.out.println("选用法式压滤咖啡豆...");
       }
   
       @Override
       protected void grindCoffeeBeans() {
           System.out.println("粗略研磨法式压滤咖啡豆...");
       }
   }
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3. 应用端使用：根据需要选择不同的咖啡机制作咖啡。

   public class TemplateMethodPatternDemo {
       public static void main(String[] args) {
           CoffeeMaker espressoMaker = new EspressoMachine();
           espressoMaker.makeCoffee();
   
           System.out.println("===========================");
   
           CoffeeMaker frenchPressMaker = new FrenchPressMachine();
           frenchPressMaker.makeCoffee();
       }
   }
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测试结果

五、优缺点分析

优点：

1. 提高代码复用性：通过将不变的操作步骤放在抽象类中，子类只需关注差异化的部分，提高了代码的复用性。
2. 结构清晰：模板方法定义了算法的骨架，使得整个流程更加清晰，易于理解和维护。

潜在挑战：

1. 过度约束：如果模板方法过于严格，可能导致子类无法灵活地扩展或修改算法的某些部分。
2. 增强了类之间的耦合：虽然模板方法模式能够提高内部结构的复用性，但也增强了抽象类和具体子类间的耦合。

总结

​ 模板方法模式通过在抽象类中定义一个算法骨架，并将可变步骤交由子类实现，有效地实现了算法结构的复用以及灵活扩展。在实际应用中，合理运用模板方法模式能有效组织复杂流程，降低代码重复度，并促进代码结构的清晰化和模块化。然而，在设计时应注意避免过度限制子类的行为，以及控制好抽象类与子类之间的耦合程度。