模板方法模式 - Design Patterns 学习平台

模式定义

模板方法模式是一种行为型设计模式，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。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特定步骤。模板方法模式通过把不变行为搬移到父类，去除子类中的重复代码来体现其优势。

模式结构

graph TD A[AbstractClass] --> B[ConcreteClass] A --> C[ConcreteClass]

实现方式

基础实现

定义抽象类，实现具体子类。

// 抽象类
public abstract class Beverage {
    // 模板方法，定义算法骨架
    final void prepareRecipe() {
        boilWater();
        brew();
        pourInCup();
        addCondiments();
    }
    
    // 共同方法
    void boilWater() {
        System.out.println("煮沸水");
    }
    
    // 抽象方法，由子类实现
    abstract void brew();
    
    void pourInCup() {
        System.out.println("倒入杯中");
    }
    
    // 抽象方法，由子类实现
    abstract void addCondiments();
}

// 具体子类 - 咖啡
class Coffee extends Beverage {
    @Override
    void brew() {
        System.out.println("用沸水冲泡咖啡粉");
    }
    
    @Override
    void addCondiments() {
        System.out.println("加糖和牛奶");
    }
}

// 具体子类 - 茶
class Tea extends Beverage {
    @Override
    void brew() {
        System.out.println("用沸水浸泡茶叶");
    }
    
    @Override
    void addCondiments() {
        System.out.println("加柠檬");
    }
}

使用示例

public class TemplateMethodPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("制作咖啡:");
        Beverage coffee = new Coffee();
        coffee.prepareRecipe();
        
        System.out.println("\n制作茶:");
        Beverage tea = new Tea();
        tea.prepareRecipe();
    }
}

经典案例

1. Java Servlet API

Java Servlet中的doGet和 doPost方法是模板方法模式的经典应用：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 模板方法模式：service方法定义了处理请求的算法骨架
    // doGet和doPost是具体步骤的实现
    
    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
            throws ServletException, IOException {
        // 处理GET请求的具体实现
        response.getWriter().println("处理GET请求");
    }
    
    @Override
    protected void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
            throws ServletException, IOException {
        // 处理POST请求的具体实现
        response.getWriter().println("处理POST请求");
    }
    
    // 父类HttpServlet中的service方法（模板方法）类似于：
    // protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse res) {
    //     String method = req.getMethod();
    //     if ("GET".equals(method)) {
    //         doGet(req, res);
    //     } else if ("POST".equals(method)) {
    //         doPost(req, res);
    //     }
    // }
}

2. Android Activity生命周期

Android开发中Activity的生命周期方法也是模板方法模式的应用：

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        // onCreate是模板方法中的一部分
    }
    
    @Override
    protected void onStart() {
        super.onStart();
        // onStart是模板方法中的一部分
    }
    
    @Override
    protected void onResume() {
        super.onResume();
        // onResume是模板方法中的一部分
    }
    
    // Android框架定义了Activity的生命周期算法骨架
    // 开发者只需重写相应的生命周期方法
}

3. Spring框架中的JdbcTemplate

Spring框架中的JdbcTemplate使用模板方法模式简化数据库操作：

public class UserService {
    private JdbcTemplate jdbcTemplate;
    
    public User getUserById(int id) {
        String sql = "SELECT * FROM users WHERE id = ?";
        // query方法是模板方法，定义了数据库查询的算法骨架
        // RowMapper是回调接口，由用户实现具体的映射逻辑
        return jdbcTemplate.queryForObject(sql, new Object[]{id}, 
            new RowMapper() {
                @Override
                public User mapRow(ResultSet rs, int rowNum) throws SQLException {
                    User user = new User();
                    user.setId(rs.getInt("id"));
                    user.setName(rs.getString("name"));
                    // 具体的映射逻辑由用户实现
                    return user;
                }
            });
    }
}

应用场景

框架设计：框架定义算法骨架，具体实现由用户自定义
数据库操作：连接、执行、关闭等步骤的模板化
游戏开发：游戏回合的固定流程（初始化、执行、清理）
Web应用：请求处理流程（解析、验证、处理、响应）
测试框架：测试执行流程（初始化、执行测试、清理）
构建工具：编译流程（预处理、编译、链接、打包）

优缺点

优点

封装不变部分，扩展可变部分：将不变的行为封装在父类中，可变部分由子类实现
提取公共代码，便于维护：避免代码重复，提高代码复用性
行为由父类控制，子类实现：通过父类调用子类实现，反向控制结构
符合开闭原则：增加新的具体实现无需修改现有代码

缺点

算法骨架固定：模板方法定义了算法骨架，不易修改
可能违反里氏替换原则：子类可能无法完全替换父类
增加了代码理解难度：需要在父类和子类之间跳转理解代码

模板方法模式 (Template Method Pattern)