设计模式 22 模板方法模式

设计模式 22

• 创建型模式（5）：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式
• 结构型模式（7）：适配器模式、桥接模式、组合模式、装饰者模式、外观模式、享元模式、代理模式
• 行为型模式（11）：责任链模式、命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、模板方法模式、访问者模式

模板方法模式（Template Method Pattern）

1 定义

模板方法模式通过在基类中定义一个模板方法，该方法封装了一个算法的固定步骤，然后允许子类实现或重写这些步骤。这样，子类可以定制算法的具体行为，而无需改变算法的整体结构。

2 结构

模板方法模式包含以下角色：

• 抽象类（AbstractClass）: 定义模板方法和算法的骨架。模板方法按照固定的步骤调用抽象方法或具体方法。
• 具体类（ConcreteClass）: 继承自抽象类，实现或重写抽象方法，定义算法的具体步骤。

UML 类图

+---------------------------+     
|  AbstractClass            |     
+---------------------------+     
| + TemplateMethod(): void  |     
| + Step1(): void           |     
| + Step2(): void           |     
| - Step3(): void           |     
+---------------------------+     
        ^     
        |     
+-------------------+     
|  ConcreteClass    |     
+-------------------+     
| - Step3(): void   |     
+-------------------+

3 示例代码

假设我们要制作一杯饮料，制作的过程包括煮水、冲泡、倒入杯中、添加配料等步骤。咖啡和茶是两种不同的饮料，它们在制作过程中的步骤基本相同，但在某些步骤上有所不同。我们可以使用模板方法模式来实现这个场景。

抽象类

// 抽象类 - 饮料制作过程
public abstract class Beverage
{
    // 模板方法
    public void PrepareRecipe()
    {
        BoilWater();
        Brew();
        PourInCup();
        AddCondiments();
    }

    // 具体方法 - 煮水
    private void BoilWater()
    {
        Console.WriteLine("Boiling water");
    }

    // 抽象方法 - 冲泡
    protected abstract void Brew();

    // 具体方法 - 倒入杯中
    private void PourInCup()
    {
        Console.WriteLine("Pouring into cup");
    }

    // 抽象方法 - 添加配料
    protected abstract void AddCondiments();
}

具体类

// 具体类 - 茶
public class Tea : Beverage
{
    protected override void Brew()
    {
        Console.WriteLine("Steeping the tea");
    }

    protected override void AddCondiments()
    {
        Console.WriteLine("Adding lemon");
    }
}

// 具体类 - 咖啡
public class Coffee : Beverage
{
    protected override void Brew()
    {
        Console.WriteLine("Dripping coffee through filter");
    }

    protected override void AddCondiments()
    {
        Console.WriteLine("Adding sugar and milk");
    }
}

客户端代码

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Beverage tea = new Tea();
        tea.PrepareRecipe();  // 制作茶

        Console.WriteLine();

        Beverage coffee = new Coffee();
        coffee.PrepareRecipe();  // 制作咖啡
    }
}

运行结果

Boiling water
Steeping the tea
Pouring into cup
Adding lemon

Boiling water
Dripping coffee through filter
Pouring into cup
Adding sugar and milk

在这个例子中，Beverage 是抽象类，定义了一个模板方法 PrepareRecipe()，它包含了制作饮料的固定步骤。这些步骤中，有些是具体实现的（如 BoilWater() 和 PourInCup()），而有些是抽象方法，由子类 Tea 和 Coffee 来实现（如 Brew() 和 AddCondiments()）。客户端代码可以使用不同的具体类来制作不同的饮料，而不需要关心具体的实现细节。

4 特点

• 优点:

  • 代码复用: 将通用的算法步骤封装到基类中，子类只需要实现差异化的部分，减少了重复代码。

  • 扩展性强: 子类可以根据需要重写或扩展某些步骤，增加算法的灵活性。

  • 控制算法结构: 父类定义了算法的骨架，确保了算法的整体结构不被子类破坏。

• 缺点:

  • 增加代码复杂性: 由于引入了继承关系和抽象方法，可能会使代码结构变得复杂。

  • 对子类的依赖: 父类依赖子类来实现某些步骤，可能导致子类必须实现某些方法，即使这些方法在特定情况下并不需要。

5 适用场景

• 多个类有相似的操作步骤: 当多个类的操作步骤大致相同时，可以使用模板方法模式将相同的部分提取到抽象类中。
• 算法需要多个步骤: 当算法需要分解为多个步骤，并且这些步骤中有些是固定的，有些是可变的，可以使用模板方法模式。
• 控制算法的流程: 当需要确保算法的某些步骤必须按照一定的顺序执行时，可以使用模板方法模式。

6 总结

模板方法模式通过将通用的算法步骤封装到抽象类中，允许子类重写或扩展特定的步骤，实现了算法的复用和扩展。它确保了算法的整体结构不被破坏，同时为子类提供了灵活性。在多个类具有相似的操作步骤时，模板方法模式是一种非常有效的设计模式。