Java 中的模板方法模式：使用预定义脚手架简化复杂算法

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模板方法设计模式的意图

在操作中定义算法的骨架，将一些步骤延迟到子类。模板方法允许子类重新定义算法的某些步骤，而不会改变算法的结构。

带现实世界示例的模板方法模式的详细解释

现实世界的例子

现实世界中，模板方法模式的类比可以是制作一杯茶或咖啡。整个过程（算法）是相同的：烧水、冲泡饮料、倒入杯子、添加调味品。然而，冲泡饮料的具体步骤不同。对于茶，你需要将茶叶浸泡在热水中，而对于咖啡，你需要冲泡研磨过的咖啡豆。模板方法模式将过程的不变步骤（烧水、倒入、添加调味品）封装在基类中，同时允许子类定义特定的冲泡步骤，从而确保制作热饮的整体结构保持一致，同时允许在需要的地方进行定制。

通俗地说

Java 模板方法模式概述了父类中的核心步骤，允许子类定制详细的实现，从而增强 Java 编程中的代码可重用性和设计灵活性。

维基百科说

在面向对象编程中，模板方法是 Gamma 等人在《设计模式》一书中识别出的行为设计模式之一。模板方法是超类（通常是抽象超类）中的一个方法，它根据若干高级步骤定义操作的骨架。这些步骤本身由与模板方法位于同一类中的附加辅助方法实现。

Java 中模板方法模式的编程示例

我们的编程示例是关于小偷和偷窃的。偷窃物品的步骤通常是一样的。首先，你选择目标，然后你以某种方式迷惑他，最后，你偷走物品。然而，实现这些步骤的方法有很多。

首先，我们介绍模板方法类 StealingMethod 及其具体的实现 SubtleMethod 和 HitAndRunMethod。为了确保子类不会覆盖模板方法，模板方法（在本例中为方法 steal）应声明为 final，否则基类中定义的骨架可能会在子类中被覆盖。

@Slf4j
public abstract class StealingMethod {

  protected abstract String pickTarget();

  protected abstract void confuseTarget(String target);

  protected abstract void stealTheItem(String target);

  public final void steal() {
    var target = pickTarget();
    LOGGER.info("The target has been chosen as {}.", target);
    confuseTarget(target);
    stealTheItem(target);
  }
}

@Slf4j
public class SubtleMethod extends StealingMethod {

  @Override
  protected String pickTarget() {
    return "shop keeper";
  }

  @Override
  protected void confuseTarget(String target) {
    LOGGER.info("Approach the {} with tears running and hug him!", target);
  }

  @Override
  protected void stealTheItem(String target) {
    LOGGER.info("While in close contact grab the {}'s wallet.", target);
  }
}

@Slf4j
public class HitAndRunMethod extends StealingMethod {

  @Override
  protected String pickTarget() {
    return "old goblin woman";
  }

  @Override
  protected void confuseTarget(String target) {
    LOGGER.info("Approach the {} from behind.", target);
  }

  @Override
  protected void stealTheItem(String target) {
    LOGGER.info("Grab the handbag and run away fast!");
  }
}

以下是包含模板方法的半兽人小偷类。

public class HalflingThief {

  private StealingMethod method;

  public HalflingThief(StealingMethod method) {
    this.method = method;
  }

  public void steal() {
    method.steal();
  }

  public void changeMethod(StealingMethod method) {
    this.method = method;
  }
}

最后，我们展示了半兽人小偷如何使用不同的偷窃方法。

public static void main(String[] args) {
    var thief = new HalflingThief(new HitAndRunMethod());
    thief.steal();
    thief.changeMethod(new SubtleMethod());
    thief.steal();
}

程序输出

11:06:01.721 [main] INFO com.iluwatar.templatemethod.StealingMethod -- The target has been chosen as old goblin woman.
11:06:01.723 [main] INFO com.iluwatar.templatemethod.HitAndRunMethod -- Approach the old goblin woman from behind.
11:06:01.723 [main] INFO com.iluwatar.templatemethod.HitAndRunMethod -- Grab the handbag and run away fast!
11:06:01.723 [main] INFO com.iluwatar.templatemethod.StealingMethod -- The target has been chosen as shop keeper.
11:06:01.723 [main] INFO com.iluwatar.templatemethod.SubtleMethod -- Approach the shop keeper with tears running and hug him!
11:06:01.723 [main] INFO com.iluwatar.templatemethod.SubtleMethod -- While in close contact grab the shop keeper's wallet.

何时在 Java 中使用模板方法模式

模板方法模式应该在以下情况下使用

为了只实现算法的不变部分，并将可变的行为留给子类来实现
当子类之间应有的通用行为应该被提取并定位在公共类中，以避免代码重复。这是一个 "重构以泛化" 的好例子，正如 Opdyke 和 Johnson 所描述的那样。首先，你识别出现有代码中的差异，然后将差异分离到新的操作中。最后，你用一个调用其中一个新操作的模板方法替换不同的代码。
为了控制子类的扩展。你可以定义一个模板方法，它在特定点调用 "钩子" 操作，从而只允许在这些点进行扩展。

模板方法模式 Java 教程

Java 中的模板方法设计模式（DigitalOcean）

Java 中模板方法模式的现实世界应用

Java 的 Collections Framework 中的 AbstractList 和 AbstractSet 类使用模板方法模式来定义列表和集合操作的通用算法。
像 JUnit 这样的框架使用模板方法来定义测试用例中的设置和拆卸过程。

模板方法模式的优缺点

优点

通过在基类中定义算法的不变部分来促进代码重用。
通过将通用行为封装在一个地方来简化代码维护。
通过允许子类覆盖算法的特定步骤来增强灵活性。

权衡

可能会导致类数量增加，使系统更加复杂。
需要仔细设计，以确保暴露给子类的步骤是有用且有意义的。

工厂方法：通常与模板方法一起使用，以创建算法特定步骤所需的對象。
策略：模板方法定义了算法的骨架，并允许子类实现特定的步骤，而策略模式则定义了算法族，并使它们可以互换。
子类沙箱：通过确保子类可以安全地覆盖算法的特定步骤，而不会导致意外的副作用，来补充模板方法。