模板方法(Template Method)

1.概述

在面向对象开发过程中，通常我们会遇到这样的一个问题：我们知道一个算法所需的关键步骤，并确定了这些步骤的执行顺序。但是某些步骤的具体实现是未知的，或者说某些步骤的实现与具体的环境相关。

例子1：银行业务办理流程

在银行办理业务时，一般都包含几个基本固定步骤:

取号排队->办理具体业务->对银行工作人员进行评分。

取号取号排队和对银行工作人员进行评分业务逻辑是一样的。但是办理具体业务是个不相同的，具体业务可能取款、存款或者转账。

2.问题

如何保证架构逻辑的正常执行，而不被子类破坏 ？

3.解决方案

模板方法：定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。 模板方法使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。（Template Method Pattern:Definethe skeleton of an algorithm in an operation,deferring some steps tosubclasses.Template Methodletssubclasses redefine certain steps of an algorithmwithoutchanging the algorithm's structure. ）

1）模板方法模式是基于继承的代码复用基本技术，模板方法模式的结构和用法也是面向对象设计的核心之一。在模板方法模式中，可以将相同的代码放在父类中，而将不同的方法实现放在不同的子类中。

2） 在模板方法模式中，我们需要准备一个抽象类，将部分逻辑以具体方法以及具体构造函数的形式实现，然后声明一些抽象方法来让子类实现剩余的逻辑。不同的子类可以以不同的方式实现这些抽象方法，从而对剩余的逻辑有不同的实现，这就是模板方法模式的用意。 模板方法模式体现了面向对象的诸多重要思想，是一种使用频率较高的模式。

4.适用性

模板方法应用于下列情况：

1） 一次性实现一个算法的不变的部分，并将可变的行为留给子类来实现。

2）各子类中公共的行为应被提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。首先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。

3）控制子类扩展。模板方法只在特定点调用“ hook”操作 ，这样就只允许在这些点进行扩展。

5.结构图

这里涉及到两个角色：

　　抽象模板(Abstract Template)角色有如下责任：

　　■　　定义了一个或多个抽象操作，以便让子类实现。这些抽象操作叫做基本操作，它们是一个顶级逻辑的组成步骤。

　　■　　定义并实现了一个模板方法。这个模板方法一般是一个具体方法，它给出了一个顶级逻辑的骨架，而逻辑的组成步骤在相应的抽象操作中，推迟到子类实现。顶级逻辑也有可能调用一些具体方法。

　　具体模板(Concrete Template)角色又如下责任：

　　■　　实现父类所定义的一个或多个抽象方法，它们是一个顶级逻辑的组成步骤。

　　■　　每一个抽象模板角色都可以有任意多个具体模板角色与之对应，而每一个具体模板角色都可以给出这些抽象方法（也就是顶级逻辑的组成步骤）的不同实现，从而使得顶级逻辑的实现各不相同。

6.源代码

抽象模板角色类， abstractMethod()、hookMethod()等基本方法是顶级逻辑的组成步骤，这个顶级逻辑由templateMethod()方法代表。

public abstract class AbstractTemplate{

/**

* 模板方法

*/

public void templateMethod(){

//调用基本方法

abstractMethod();

hookMethod();

concreteMethod();

}

/**

* 基本方法的声明（由子类实现） 强制子类实现

*/

protected abstract void abstractMethod();

/**

* 基本方法(空方法) 子类选择实现

*/

protected void hookMethod(){}

/**

* 基本方法（已经实现） 子类不可实现

*/

private final void concreteMethod(){

//业务相关的代码

}

}

具体模板角色类，实现了父类所声明的基本方法， abstractMethod()方法所代表的就是强制子类实现的剩余逻辑，而hookMethod()方法是可选择实现的逻辑，不是必须实现的。

public class ConcreteTemplateextends AbstractTemplate{

//基本方法的实现

@Override

public void abstractMethod() {

//业务相关的代码

}

//重写父类的方法

@Override

public void hookMethod() {

//业务相关的代码

}

}

模板模式的关键是： 子类可以置换掉父类的可变部分，但是子类却不可以改变模板方法所代表的顶级逻辑。

模板方法中的方法可以分为两大类： 模板方法和 基本方法。

　　 模板方法

　　一个模板方法是定义在抽象类中的，把基本操作方法组合在一起形成一个总算法或一个总行为的方法。

　　 一个抽象类可以有任意多个模板方法，而不限于一个。每一个模板方法都可以调用任意多个具体方法。

　　 基本方法

　　基本方法又可以分为三种：抽象方法(Abstract Method)、具体方法(Concrete Method)和钩子方法(Hook Method)。

　　●　　抽象方法：一个抽象方法由抽象类声明，由具体子类实现。在Java语言里抽象方法以abstract关键字标示。

　　●　　具体方法：一个具体方法由抽象类声明并实现，而子类并不实现或置换。

　　●　　钩子方法： 一个钩子方法由抽象类声明并实现，而子类会加以扩展。通常抽象类给出的实现是一个空实现，作为方法的默认实现。

　　在上面的例子中，AbstractTemplate是一个抽象类，它带有三个方法。其中abstractMethod()是一个抽象方法，它由抽象类声明为抽象方法，并由子类实现；hookMethod()是一个钩子方法，它由抽象类声明并提供默认实现，并且由子类置换掉。concreteMethod()是一个具体方法，它由抽象类声明并实现。

　　 默认钩子方法

　　一个钩子方法常常由抽象类给出一个空实现作为此方法的默认实现。这种空的钩子方法叫做“Do Nothing Hook”。显然，这种默认钩子方法在缺省适配模式里面已经见过了， 一个缺省适配模式讲的是一个类为一个接口提供一个默认的空实现，从而使得缺省适配类的子类不必像实现接口那样必须给出所有方法的实现，因为通常一个具体类并不需要所有的方法。

命名规则

　　命名规则是设计师之间赖以沟通的管道之一，使用恰当的命名规则可以帮助不同设计师之间的沟通。

　　 钩子方法的名字应当以do开始，这是熟悉设计模式的Java开发人员的标准做法。在上面的例子中，钩子方法hookMethod()应当以do开头；在HttpServlet类中，也遵从这一命名规则，如doGet()、doPost()等方法。

7.使用场景

　　考虑一个计算存款利息的例子。假设系统需要支持两种存款账号，即货币市场(Money Market)账号和定期存款(Certificate of Deposite)账号。这两种账号的存款利息是不同的，因此，在计算一个存户的存款利息额时，必须区分两种不同的账号类型。

　　这个系统的总行为应当是计算出利息，这也就决定了作为一个模板方法模式的顶级逻辑应当是利息计算。由于利息计算涉及到两个步骤：一个基本方法给出账号种类，另一个基本方法给出利息百分比。这两个基本方法构成具体逻辑，因为账号的类型不同，所以具体逻辑会有所不同。

　　显然，系统需要一个抽象角色给出顶级行为的实现，而将两个作为细节步骤的基本方法留给具体子类实现。由于需要考虑的账号有两种：一是货币市场账号，二是定期存款账号。系统的类结构如下图所示。

抽象模板角色类

public abstract class Account{

/**

* 模板方法，计算利息数额

* @return 返回利息数额

*/

public final double calculateInterest(){

double interestRate = doCalculateInterestRate();

String accountType = doCalculateAccountType();

double amount = calculateAmount(accountType);

return amount * interestRate;

}

/**

* 基本方法留给子类实现

*/

protected abstract String doCalculateAccountType();

/**

* 基本方法留给子类实现

*/

protected abstract double doCalculateInterestRate();

/**

* 基本方法，已经实现

*/

private double calculateAmount(String accountType){

/**

* 省略相关的业务逻辑

*/

return 7243.00;

}

}

具体模板角色类

public class MoneyMarketAccount extends Account {

    @Override
    protected String doCalculateAccountType() {
        
        return "Money Market";
    }

    @Override
    protected double doCalculateInterestRate() {
        
        return 0.045;
    }

}

public class CDAccount extends Account {

    @Override
    protected String doCalculateAccountType() {
        return "Certificate of Deposite";
    }

    @Override
    protected double doCalculateInterestRate() {
        return 0.06;
    }

}

客户端类

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        Account account = new MoneyMarketAccount();
        System.out.println("货币市场账号的利息数额为：" + account.calculateInterest());
        account = new CDAccount();
        System.out.println("定期账号的利息数额为：" + account.calculateInterest());
    }

}

模板方法模式在Servlet中的应用

　　使用过Servlet的人都清楚，除了要在web.xml做相应的配置外，还需继承一个叫HttpServlet的抽象类。HttpService类提供了一个service()方法，这个方法调用七个do方法中的一个或几个，完成对客户端调用的响应。这些do方法需要由HttpServlet的具体子类提供，因此这是典型的模板方法模式。下面是service()方法的源代码：

 protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
        throws ServletException, IOException {

        String method = req.getMethod();

        if (method.equals(METHOD_GET)) {
            long lastModified = getLastModified(req);
            if (lastModified == -1) {
                // servlet doesn't support if-modified-since, no reason
                // to go through further expensive logic
                doGet(req, resp);
            } else {
                long ifModifiedSince = req.getDateHeader(HEADER_IFMODSINCE);
                if (ifModifiedSince < (lastModified / 1000 * 1000)) {
                    // If the servlet mod time is later, call doGet()
                    // Round down to the nearest second for a proper compare
                    // A ifModifiedSince of -1 will always be less
                    maybeSetLastModified(resp, lastModified);
                    doGet(req, resp);
                } else {
                    resp.setStatus(HttpServletResponse.SC_NOT_MODIFIED);
                }
            }

        } else if (method.equals(METHOD_HEAD)) {
            long lastModified = getLastModified(req);
            maybeSetLastModified(resp, lastModified);
            doHead(req, resp);

        } else if (method.equals(METHOD_POST)) {
            doPost(req, resp);
            
        } else if (method.equals(METHOD_PUT)) {
            doPut(req, resp);        
            
        } else if (method.equals(METHOD_DELETE)) {
            doDelete(req, resp);
            
        } else if (method.equals(METHOD_OPTIONS)) {
            doOptions(req,resp);
            
        } else if (method.equals(METHOD_TRACE)) {
            doTrace(req,resp);
            
        } else {
            //
            // Note that this means NO servlet supports whatever
            // method was requested, anywhere on this server.
            //

            String errMsg = lStrings.getString("http.method_not_implemented");
            Object[] errArgs = new Object[1];
            errArgs[0] = method;
            errMsg = MessageFormat.format(errMsg, errArgs);
            
            resp.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_IMPLEMENTED, errMsg);
        }
    }

当然，这个service()方法也可以被子类置换掉。

　　下面给出一个简单的Servlet例子：

从上面的类图可以看出，TestServlet类是HttpServlet类的子类，并且置换掉了父类的两个方法：doGet()和doPost()。

public class TestServlet extends HttpServlet {

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
            throws ServletException, IOException {
        
        System.out.println("using the GET method");

    }

    public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
            throws ServletException, IOException {
            
        System.out.println("using the POST method");
    }

}

从上面的例子可以看出这是一个典型的模板方法模式。

　　HttpServlet担任抽象模板角色

　　　　模板方法：由service()方法担任。

　　　　基本方法：由doPost()、doGet()等方法担任。

　　TestServlet担任具体模板角色

　　　　TestServlet置换掉了父类HttpServlet中七个基本方法中的其中两个，分别是doGet()和doPost()。