「聊设计模式」之模板方法模式（Template Method）
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前言
在软件开发中，设计模式是经典的解决方案，它们被广泛应用于面向对象的程序设计中。其中，模板方法模式（Template Method）是一种常用的行为型设计模式，它定义一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中实现。本文将从原理、实现以及应用场景三个方面来介绍模板方法模式。
摘要
模板方法模式是一种基于继承的设计模式，它通过抽象父类定义一系列的抽象方法和模板方法，而由具体的子类来实现这些抽象方法，从而完成对算法的具体实现。模板方法模式遵循“开闭原则”，能够很好地解决代码复用、扩展性和屏蔽细节等问题。
模板方法模式
模式概念
模板方法模式是一种行为型设计模式，它定义一个算法的骨架，将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法的某些步骤。它通过将相同的代码抽象到父类中来避免代码重复和复杂性，而通过子类的扩展来实现算法的不同变化。模板方法模式是一种可扩展性很强的模式，因为它使用了多态性和继承来实现不同的算法变化。模板方法模式在软件开发中广泛应用于框架开发、算法设计和复杂业务逻辑的实现。
模式结构
模板方法模式的结构包括以下几个角色：
-
抽象类（Abstract Class）：定义了一系列抽象方法和模板方法。其中模板方法定义了算法的骨架，而抽象方法则需要子类去实现。
-
具体类（Concrete Class）：实现了抽象类中定义的抽象方法，完成算法中具体的步骤。同时，它还可以重写模板方法中的某些步骤，来实现算法的变化。
通过这种方式，模板方法模式将算法的具体实现推迟到具体子类中，从而实现了算法的复用和扩展。
如下是模板方法模式的UML类图：
模式优缺点
优点
1.模板方法模式提供了一种代码复用的方式，将实现相同或类似的方法抽象到父类中，减少了代码的重复性。
2.模板方法模式提供了一种易于维护的方式，由于具体实现都在父类中，所以在需要修改时只需要在父类中修改即可，不需要修改每个子类。
3.模板方法模式提高了代码的灵活性，通过抽象出一些方法，可以方便地扩展子类功能。
缺点
1.在父类中定义了抽象方法，要求子类实现，如果父类的AbstractClass在设计时不够完善，或者需要修改时，会对所有的子类造成影响。
2.模板方法模式降低了程序的灵活性，当父类增加新的抽象方法时，所有子类都必须进行修改，否则编译会出错。
应用场景
模板方法模式适用于以下场景：
- 在多个类中存在相似的算法，但具体实现不同的情况下，可以使用模板方法模式将算法的公共部分抽象出来，由子类实现不同的具体实现。
- 当需要控制子类的扩展时，可以使用模板方法模式。模板方法模式通过定义抽象类来规范子类的方法实现，子类必须遵从抽象类中定义的方法的规范，这样可以控制子类的扩展。
- 如果需要一次性编写出框架的核心代码，而将具体实现留给子类来实现，可以使用模板方法模式。
模式代码实现
下面通过一个简单的示例来说明模板方法模式的实现。
假设我们需要开发一个系统，实现计算机基准测试的功能。我们可以定义一个Benchmark类来表示基准测试，其中包括start()、run()和stop()三个抽象方法，分别用于启动测试、执行测试和结束测试。具体的测试算法可以由子类来实现。
package com.example.javaDesignPattern.templateMethod;
/**
* @author bug菌
* @version 1.0
* @date 2023/9/20 15:44
*/
public abstract class Benchmark {
public void runBenchmark() {
start();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
run();
}
stop();
}
public abstract void start();
public abstract void run();
public abstract void stop();
}
我们可以定义一个具体的子类来实现具体的测试算法，如下所示：
package com.example.javaDesignPattern.templateMethod;
/**
* @author bug菌
* @version 1.0
* @date 2023/9/20 15:44
*/
public class ConcreteBenchmark extends Benchmark {
@Override
public void start() {
System.out.println("启动基准测试");
}
@Override
public void run() {
System.out.println("执行基准测试");
}
@Override
public void stop() {
System.out.println("结束基准测试");
}
}
其中定义了一个基准测试的抽象类Benchmark，其中包含了一个模板方法，模板方法定义了基本操作的顺序和流程，具体的操作由子类实现。
具体的子类ConcreteBenchmark重写了三个抽象方法start、run和stop，其中start方法启动了基准测试，run方法执行了基准测试，stop方法结束了基准测试。
在具体的子类中，可以实现具体的基准测试，而模板方法中定义的流程保证了基准测试的正确性和可维护性。这种设计模式可以减少代码重复，提高代码的可读性和可维护性。
然后你在使用时，我们可以先创建一个Benchmark对象，然后调用它的runBenchmark()方法，即可执行具体的测试算法。
package com.example.javaDesignPattern.templateMethod;
/**
* @author bug菌
* @version 1.0
* @date 2023/9/20 15:45
*/
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Benchmark benchmark = new ConcreteBenchmark();
benchmark.runBenchmark();
}
}
执行结果如下：
代码解读：
如上代码，定义了一个名为Client的类，其中包含一个名为main的公共静态方法。当程序运行时，将创建一个ConcreteBenchmark对象，该对象实现了Benchmark接口，并将其赋值给类型为Benchmark的benchmark变量。接下来，runBenchmark方法将被调用来执行基准测试。
附录源码
如上涉及代码均已上传同步在GitHub，提供给同学们参考性学习。
总结
模板方法模式是一种基于继承的设计模式，它通过一系列抽象方法和模板方法来定义算法骨架，而由具体的子类来实现这些抽象方法，从而完成对算法的具体实现。模板方法模式可以很好地解决代码复用、扩展性和屏蔽细节等问题。在实际应用中，模板方法模式比较常用，比如在框架设计、算法设计等方面都有广泛的应用。
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