设计模式系列 — 模板方法模式

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前言

23种设计模式快速记忆的请看上面第一篇，本篇和大家一起来学习模板方法模式相关内容。

模式定义

定义一个操作的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中。Template Method 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。

在不改变模板结构的前提下在子类中重新定义模板中的内容。
模板方法模式是基于”继承“的；

模式实现如下：

package com.niuh.designpattern.templatemethod.v1;

/**
 * 模板方法模式
 */
public class TemplateMethodPattern {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractClass tm = new ConcreteClass();
        tm.templateMethod();
    }
}

//抽象类
abstract class AbstractClass {

    //模板方法
    public void templateMethod() {
        specificMethod();
        abstractMethod1();
        abstractMethod2();
    }

    //具体方法
    public void specificMethod() {
        System.out.println("抽象类中的具体方法被调用...");
    }

    //抽象方法1
    public abstract void abstractMethod1();

    //抽象方法2
    public abstract void abstractMethod2();
}

//具体子类
class ConcreteClass extends AbstractClass {

    public void abstractMethod1() {
        System.out.println("抽象方法1的实现被调用...");
    }

    public void abstractMethod2() {
        System.out.println("抽象方法2的实现被调用...");
    }
}

输出结果如下：

抽象类中的具体方法被调用...
抽象方法1的实现被调用...
抽象方法2的实现被调用...

解决的问题

  • 提高代码复用性

将相同部分的代码放在抽象的父类中，而将不同的代码放入不同的子类中

  • 实现了反向控制

通过一个父类调用其子类的操作，通过对子类的具体实现扩展不同的行为，实现了反向控制 & 符合“开闭原则”

在面向对象程序设计过程中，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。

模式组成

模板方法模式需要注意抽象类与具体子类之间的协作。它用到了虚函数的多态性技术以及“不用调用我，让我来调用你”的反向控制技术。现在来介绍它们的基本结构。

实例说明

实例概况

用模板方法模式实现出国留学手续设计程序。

分析：出国留学手续一般经过以下流程：索取学校资料，提出入学申请，办理因私出国护照、出境卡和公证，申请签证，体检、订机票、准备行装，抵达目标学校等，其中有些业务对各个学校是一样的，但有些业务因学校不同而不同，所以比较适合用模板方法模式来实现。

在本实例中，我们先定义一个出国留学的抽象类 StudyAbroad，里面包含了一个模板方法 TemplateMethod()，该方法中包含了办理出国留学手续流程中的各个基本方法，其中有些方法的处理由于各国都一样，所以在抽象类中就可以实现，但有些方法的处理各国是不同的，必须在其具体子类（如美国留学类 StudyInAmerica）中实现。如果再增加一个国家，只要增加一个子类就可以了，图 2 所示是其结构图。

使用步骤

步骤1：定义一个出国留学的抽象类 StudyAbroad

abstract class StudyAbroad {
    //模板方法
    public void templateMethod() {
        lookingForSchool(); //索取学校资料
        applyForEnrol();    //入学申请
        applyForPassport(); //办理因私出国护照、出境卡和公证
        applyForVisa();     //申请签证
        readyGoAbroad();    //体检、订机票、准备行装
        arriving();         //抵达
    }

    public void applyForPassport() {
        System.out.println("三.办理因私出国护照、出境卡和公证：");
        System.out.println("  1）持录取通知书、本人户口簿或身份证向户口所在地公安机关申请办理因私出国护照和出境卡。");
        System.out.println("  2）办理出生公证书，学历、学位和成绩公证，经历证书，亲属关系公证，经济担保公证。");
    }

    public void applyForVisa() {
        System.out.println("四.申请签证：");
        System.out.println("  1）准备申请国外境签证所需的各种资料，包括个人学历、成绩单、工作经历的证明；个人及家庭收入、资金和财产证明；家庭成员的关系证明等；");
        System.out.println("  2）向拟留学国家驻华使(领)馆申请入境签证。申请时需按要求填写有关表格，递交必需的证明材料，缴纳签证。有的国家(比如美国、英国、加拿大等)在申请签证时会要求申请人前往使(领)馆进行面试。");
    }

    public void readyGoAbroad() {
        System.out.println("五.体检、订机票、准备行装：");
        System.out.println("  1）进行身体检查、免疫检查和接种传染病疫苗；");
        System.out.println("  2）确定机票时间、航班和转机地点。");
    }

    //索取学校资料
    public abstract void lookingForSchool();

    //入学申请
    public abstract void applyForEnrol();

    //抵达
    public abstract void arriving();
}

步骤2：定义具体子类: 美国留学

class StudyInAmerica extends StudyAbroad {
    
    @Override
    public void lookingForSchool() {
        System.out.println("一.索取学校以下资料：");
        System.out.println("  1）对留学意向国家的政治、经济、文化背景和教育体制、学术水平进行较为全面的了解；");
        System.out.println("  2）全面了解和掌握国外学校的情况，包括历史、学费、学制、专业、师资配备、教学设施、学术地位、学生人数等；");
        System.out.println("  3）了解该学校的住宿、交通、医疗保险情况如何；");
        System.out.println("  4）该学校在中国是否有授权代理招生的留学中介公司？");
        System.out.println("  5）掌握留学签证情况；");
        System.out.println("  6）该国政府是否允许留学生合法打工？");
        System.out.println("  8）毕业之后可否移民？");
        System.out.println("  9）文凭是否受到我国认可？");
    }

    @Override
    public void applyForEnrol() {
        System.out.println("二.入学申请：");
        System.out.println("  1）填写报名表；");
        System.out.println("  2）将报名表、个人学历证明、最近的学习成绩单、推荐信、个人简历、托福或雅思语言考试成绩单等资料寄往所申请的学校；");
        System.out.println("  3）为了给签证办理留有充裕的时间，建议越早申请越好，一般提前1年就比较从容。");
    }

    @Override
    public void arriving() {
        System.out.println("六.抵达目标学校：");
        System.out.println("  1）安排住宿；");
        System.out.println("  2）了解校园及周边环境。");
    }
}

步骤3：测试结果

/**
 * 模板方法模式案例
 * <p>
 * 用模板方法模式实现出国留学手续设计程序
 */
public class TemplateMethodPattern {

    public static void main(String[] args) {
        StudyAbroad tm=new StudyInAmerica();
        tm.templateMethod();
    }
}

输出结果

一.索取学校以下资料：
  1）对留学意向国家的政治、经济、文化背景和教育体制、学术水平进行较为全面的了解；
  2）全面了解和掌握国外学校的情况，包括历史、学费、学制、专业、师资配备、教学设施、学术地位、学生人数等；
  3）了解该学校的住宿、交通、医疗保险情况如何；
  4）该学校在中国是否有授权代理招生的留学中介公司？
  5）掌握留学签证情况；
  6）该国政府是否允许留学生合法打工？
  8）毕业之后可否移民？
  9）文凭是否受到我国认可？
二.入学申请：
  1）填写报名表；
  2）将报名表、个人学历证明、最近的学习成绩单、推荐信、个人简历、托福或雅思语言考试成绩单等资料寄往所申请的学校；
  3）为了给签证办理留有充裕的时间，建议越早申请越好，一般提前1年就比较从容。
三.办理因私出国护照、出境卡和公证：
  1）持录取通知书、本人户口簿或身份证向户口所在地公安机关申请办理因私出国护照和出境卡。
  2）办理出生公证书，学历、学位和成绩公证，经历证书，亲属关系公证，经济担保公证。
四.申请签证：
  1）准备申请国外境签证所需的各种资料，包括个人学历、成绩单、工作经历的证明；个人及家庭收入、资金和财产证明；家庭成员的关系证明等；
  2）向拟留学国家驻华使(领)馆申请入境签证。申请时需按要求填写有关表格，递交必需的证明材料，缴纳签证。有的国家(比如美国、英国、加拿大等)在申请签证时会要求申请人前往使(领)馆进行面试。
五.体检、订机票、准备行装：
  1）进行身体检查、免疫检查和接种传染病疫苗；
  2）确定机票时间、航班和转机地点。
六.抵达目标学校：
  1）安排住宿；
  2）了解校园及周边环境。

优点

  1. 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。
  2. 它在父类中提取了公共的部分代码，便于代码复用。
  3. 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

  1. 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。
  2. 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。

应用场景

  1. 当你想让客户端只扩展算法的特定步骤，而不是整个算法或其结构时，请使用Template Method模式；
  2. 当你有几个类包含几乎相同的算法，但有一些细微的差异时，请使用此模式。

模式的扩展

在模板方法模式中，基本方法包含：抽象方法、具体方法和钩子方法，正确使用“钩子方法”可以使得子类控制父类的行为。如下面例子中，可以通过在具体子类中重写钩子方法 HookMethod1() 和 HookMethod2() 来改变抽象父类中的运行结果，其结构图如下图所示：


代码如下：

package com.niuh.designpattern.templatemethod.v3;

/**
 * 含钩子方法的模板方法模式
 */
public class HookTemplateMethod {
    public static void main(String[] args) {
        HookAbstractClass tm = new HookConcreteClass();
        tm.TemplateMethod();
    }
}

//含钩子方法的抽象类
abstract class HookAbstractClass {
    //模板方法
    public void TemplateMethod() {
        abstractMethod1();
        HookMethod1();
        if (HookMethod2()) {
            SpecificMethod();
        }
        abstractMethod2();
    }

    //具体方法
    public void SpecificMethod() {
        System.out.println("抽象类中的具体方法被调用...");
    }

    //钩子方法1
    public void HookMethod1() {
    }

    //钩子方法2
    public boolean HookMethod2() {
        return true;
    }

    public abstract void abstractMethod1(); //抽象方法1

    public abstract void abstractMethod2(); //抽象方法2
}

//含钩子方法的具体子类
class HookConcreteClass extends HookAbstractClass {
    public void abstractMethod1() {
        System.out.println("抽象方法1的实现被调用...");
    }

    public void abstractMethod2() {
        System.out.println("抽象方法2的实现被调用...");
    }

    public void HookMethod1() {
        System.out.println("钩子方法1被重写...");
    }

    public boolean HookMethod2() {
        return false;
    }
}

输出结果如下：

抽象方法1的实现被调用...
钩子方法1被重写...
抽象方法2的实现被调用...

源码中的应用

#Servlet Api
javax.servlet.http.HttpServlet

#Spring
org.springframework.web.servlet.mvc.AbstractController
......

模板方法模式在Servlet中的应用

Servle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);
    }
        
}

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：

image.png

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()。

PS：以上代码提交在 Github ：https://github.com/Niuh-Study/niuh-designpatterns.git

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