Java设计模式：模板方法模式

模板方法模式（Template Method Pattern） 是一种行为设计模式，它定义了一个算法的骨架，将一些步骤的具体实现延迟到子类中。这种模式让子类在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。

核心概念

1. 抽象类（Abstract Class）

   • 定义算法的骨架（模板方法），包含多个步骤的方法调用。
   • 部分步骤方法可以是抽象的（由子类实现），也可以有默认实现。

2. 具体子类（Concrete Subclass）

   • 实现抽象类中的抽象方法，完成算法的特定步骤。

适用场景

• 多个子类有共同的算法结构，但部分步骤实现不同。
• 避免代码重复，将通用部分提取到父类，特殊部分由子类实现。
• 控制子类扩展点，只允许在特定步骤进行修改。

示例代码

假设我们要实现一个冲泡饮品的流程，包含烧水、冲泡、倒入杯子、添加配料四个步骤。其中“冲泡”和“添加配料”因饮品而异。

// 抽象类：定义冲泡饮品的模板
abstract class BeverageMaker {
    // 模板方法：定义算法骨架，不可被重写
    public final void prepareBeverage() {
        boilWater();
        brew();
        pourInCup();
        if (customerWantsCondiments()) {
            addCondiments();
        }
    }

    // 通用步骤：默认实现
    private void boilWater() {
        System.out.println("烧开水");
    }

    // 抽象步骤：由子类实现
    protected abstract void brew();

    // 通用步骤：默认实现
    private void pourInCup() {
        System.out.println("倒入杯子");
    }

    // 抽象步骤：由子类实现
    protected abstract void addCondiments();

    // 钩子方法：子类可选择性覆盖
    protected boolean customerWantsCondiments() {
        return true;
    }
}

// 具体子类：咖啡
class CoffeeMaker extends BeverageMaker {
    @Override
    protected void brew() {
        System.out.println("用沸水冲泡咖啡");
    }

    @Override
    protected void addCondiments() {
        System.out.println("添加糖和牛奶");
    }
}

// 具体子类：茶
class TeaMaker extends BeverageMaker {
    @Override
    protected void brew() {
        System.out.println("用沸水浸泡茶叶");
    }

    @Override
    protected void addCondiments() {
        System.out.println("添加柠檬");
    }

    // 覆盖钩子方法，控制是否添加配料
    @Override
    protected boolean customerWantsCondiments() {
        return false;
    }
}

// 客户端代码
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        BeverageMaker coffee = new CoffeeMaker();
        coffee.prepareBeverage();

        System.out.println("\n=====\n");

        BeverageMaker tea = new TeaMaker();
        tea.prepareBeverage();
    }
}

代码解释

1. 抽象类 BeverageMaker

   • prepareBeverage()：模板方法，定义了冲泡饮品的完整流程。
   • brew() 和 addCondiments()：抽象方法，由子类实现。
   • customerWantsCondiments()：钩子方法（Hook Method），允许子类控制算法的某个步骤是否执行。

2. 具体子类 CoffeeMaker 和 TeaMaker

   • 实现了 brew() 和 addCondiments() 方法，定制饮品的冲泡和配料方式。
   • TeaMaker 覆盖了钩子方法，决定不添加配料。

优点

• 代码复用：将通用代码放在父类，避免子类重复实现。
• 算法统一控制：模板方法确保算法结构不变，子类只能修改特定步骤。
• 扩展性：子类可以灵活扩展或修改算法的特定部分。

缺点

• 子类数量可能过多：如果每个变体都需要一个子类，会导致类爆炸。
• 维护成本：如果模板方法过于复杂，修改父类可能影响所有子类。

实际应用

• JDK中的应用：java.util.Collections 中的 sort() 方法使用了模板方法模式，通过 Comparator 接口让用户自定义排序规则。
• Servlet中的应用：HttpServlet 中的 doGet()、doPost() 方法就是模板方法的扩展点。
• Spring框架：JdbcTemplate、HibernateTemplate 等模板类都使用了此模式。

注意事项

• 模板方法应声明为 final：防止子类修改算法结构。
• 合理使用钩子方法：钩子方法可以让子类控制算法的某些步骤，增加灵活性。

通过模板方法模式，可以在父类中定义通用的算法框架，让子类专注于实现差异化的部分，从而提高代码的复用性和可维护性。