一、模板方法模式

1.1 概述

在面向对象程序设计过程中，程序员常常会遇到这种情况：设计一个系统时知道了算法所需的关键步骤，而且确定了这些步骤的执行顺序，但某些步骤的具体实现还未知，或者说某些步骤的实现与具体的环境相关。

例如，去银行办理业务一般要经过以下4个流程：取号、排队、办理具体业务、对银行工作人员进行评分等，其中取号、排队和对银行工作人员进行评分的业务对每个客户是一样的，可以在父类中实现，但是办理具体业务却因人而异，它可能是存款、取款或者转账等，可以延迟到子类中实现。

这样的例子在生活中还有很多，例如，一个人每天会起床、吃饭、做事、睡觉等，其中“做事”的内容每天可能不同。我们把这些规定了流程或格式的实例定义成模板，允许使用者根据自己的需求去更新它，例如，简历模板、论文模板、Word 中模板文件等。

以下介绍的模板方法模式将解决以上类似的问题。

1.2 定义

定义一个操作中的算法骨架，而将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变该算法结构的情况下重定义该算法的某些特定步骤。它是一种类行为型模式。

1.3 结构

1）抽象类/抽象模板（Abstract Class）
抽象模板类，负责给出一个算法的轮廓和骨架。它由一个模板方法和若干个基本方法构成。这些方法的定义如下。
① 模板方法：定义了算法的骨架，按某种顺序调用其包含的基本方法。
② 基本方法：是整个算法中的一个步骤，包含以下几种类型。
抽象方法：在抽象类中声明，由具体子类实现。
具体方法：在抽象类中已经实现，在具体子类中可以继承或重写它。
钩子方法：在抽象类中已经实现，包括用于判断的逻辑方法和需要子类重写的空方法两种。
具体子类/具体实现（Concrete Class）
具体实现类，实现抽象类中所定义的抽象方法和钩子方法，它们是一个顶级逻辑的一个组成步骤。

1.4 案例

炒菜的步骤是固定的，分为倒油、热油、倒蔬菜、倒调料品、翻炒等步骤。现通过模板方法模式来用代码模拟。类图如下：

//抽象模板
public abstract class AbstractClass {
    //模板方法
    public final void cookProcess() {
        //第一步：倒油
        this.pourOil();
        //第二步：热油
        this.heatOil();
        //第三步：倒蔬菜
        this.pourVegetable();
        //第四步：倒调味料
        this.pourSauce();
        //第五步：翻炒
        this.fry();
    }

    public void pourOil() {
        System.out.println("倒油");
    }

    //第二步：热油是一样的，所以直接实现
    public void heatOil() {
        System.out.println("热油");
    }

    //第三步：倒蔬菜是不一样的（一个下包菜，一个是下菜心）
    public abstract void pourVegetable();

    //第四步：倒调味料是不一样
    public abstract void pourSauce();


    //第五步：翻炒是一样的，所以直接实现
    public void fry(){
        System.out.println("炒啊炒啊炒到熟啊");
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37

public class ConcreteClass_BaoCai extends AbstractClass {

    @Override
    public void pourVegetable() {
        System.out.println("下锅的蔬菜是包菜");
    }

    @Override
    public void pourSauce() {
        System.out.println("下锅的酱料是辣椒");
    }
}

public class ConcreteClass_CaiXin extends AbstractClass {
    @Override
    public void pourVegetable() {
        System.out.println("下锅的蔬菜是菜心");
    }

    @Override
    public void pourSauce() {
        System.out.println("下锅的酱料是蒜蓉");
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //炒手撕包菜
        ConcreteClass_BaoCai baoCai = new ConcreteClass_BaoCai();
        baoCai.cookProcess();

        //炒蒜蓉菜心
        ConcreteClass_CaiXin caiXin = new ConcreteClass_CaiXin();
        caiXin.cookProcess();
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36

注意：为防止子类篡改模板方法，一般模板方法都加上 final 关键词。

1.5 优缺点

优点

• 提高代码复用性，它封装了不变部分，扩展可变部分。它把认为是不变部分的算法封装到父类中实现，而把可变部分算法由子类继承实现，便于子类继续扩展。
• 部分方法是由子类实现的，因此子类可以通过扩展方式增加相应的功能，符合开闭原则。

缺点

• 对每个不同的实现都需要定义一个子类，这会导致类的个数增加，系统更加庞大，设计也更加抽象，间接地增加了系统实现的复杂度。
• 父类中的抽象方法由子类实现，子类执行的结果会影响父类的结果，这导致一种反向的控制结构，它提高了代码阅读的难度。
• 由于继承关系自身的缺点，如果父类添加新的抽象方法，则所有子类都要改一遍。

1.6 使用场景

• 算法的整体步骤很固定，但其中个别部分易变时，这时候可以使用模板方法模式，将容易变的部分抽象出来，供子类实现。
• 当多个子类存在公共的行为时，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。首先，要识别现有代码中的不同之处，并且将不同之处分离为新的操作。最后，用一个调用这些新的操作的模板方法来替换这些不同的代码。
• 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，这样就只允许在这些点进行扩展。

1.7 jdk源码解析

InputStream类就使用了模板方法模式。在InputStream类中定义了多个 read() 方法，如下：

public abstract class InputStream implements Closeable {
    //抽象方法，要求子类必须重写
    public abstract int read() throws IOException;

    public int read(byte b[]) throws IOException {
        return read(b, 0, b.length);
    }

	//  模板方法
    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
        if (b == null) {
            throw new NullPointerException();
        } else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
            throw new IndexOutOfBoundsException();
        } else if (len == 0) {
            return 0;
        }

        int c = read(); //调用了无参的read方法，该方法是每次读取一个字节数据
        if (c == -1) {
            return -1;
        }
        b[off] = (byte)c;

        int i = 1;
        try {
            for (; i < len ; i++) {
                c = read();
                if (c == -1) {
                    break;
                }
                b[off + i] = (byte)c;
            }
        } catch (IOException ee) {
        }
        return i;
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38

在InputStream父类中已经定义好了读取一个字节数组数据的方法是每次读取一个字节，并将其存储到数组的第一个索引位置，读取len个字节数据。具体如何读取一个字节数据呢？由子类实现。