在软件开发过程中，我们常常会遇到这样的情况：多个不同的操作遵循相似的基本流程，但在某些具体步骤上存在差异。例如，制作不同类型的咖啡，都需要经过研磨咖啡豆、冲泡等步骤，但在添加配料等细节上有所不同。模板方法模式（Template Method Pattern）为解决这类问题提供了一种优雅的方案。它允许我们定义一个操作的基本框架，将一些步骤的具体实现延迟到子类中，从而实现代码的复用与定制。
模板方法模式概述
模板方法模式是一种行为型设计模式，其核心思想是在一个抽象类中定义一个算法的骨架，而将一些步骤的实现延迟到子类中。这样，子类可以在不改变算法结构的前提下，重新定义算法中的某些步骤。模板方法模式主要包含以下两个角色：
- 抽象类（Abstract Class）：定义了一个模板方法，该方法包含了算法的骨架，由一系列基本方法组成。这些基本方法可以分为三类：抽象方法、具体方法和钩子方法。抽象方法由子类实现；具体方法是已经实现好的方法，子类可以直接使用；钩子方法是一个默认有简单实现的方法，子类可以根据需要选择性地重写。
- 具体子类（Concrete Class）：继承抽象类，实现抽象类中的抽象方法，根据自身需求选择性地重写钩子方法，从而定制算法的具体行为。
模板方法模式代码示例
以下使用 Java 语言展示模板方法模式的实现。以制作咖啡和茶为例，它们的制作过程都包含烧水、冲泡和倒入杯子这几个步骤，但冲泡的具体方式不同。
// 抽象类
abstract class BeverageMaking {
// 模板方法，定义制作饮料的基本流程
final void prepareBeverage() {
boilWater();
brew();
pourInCup();
if (customerWantsCondiments()) {
addCondiments();
}
}
// 具体方法：烧水
void boilWater() {
System.out.println("Boiling water");
}
// 抽象方法：冲泡
abstract void brew();
// 具体方法：倒入杯子
void pourInCup() {
System.out.println("Pouring into cup");
}
// 钩子方法：询问顾客是否需要配料
boolean customerWantsCondiments() {
return true;
}
// 抽象方法：添加配料
abstract void addCondiments();
}
// 具体子类：制作咖啡
class CoffeeMaking extends BeverageMaking {
@Override
void brew() {
System.out.println("Brewing coffee grounds");
}
@Override
void addCondiments() {
System.out.println("Adding sugar and milk");
}
@Override
boolean customerWantsCondiments() {
return false;
}
}
// 具体子类：制作茶
class TeaMaking extends BeverageMaking {
@Override
void brew() {
System.out.println("Steeping the tea");
}
@Override
void addCondiments() {
System.out.println("Adding lemon");
}
}
public class TemplateMethodPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
BeverageMaking coffee = new CoffeeMaking();
coffee.prepareBeverage();
BeverageMaking tea = new TeaMaking();
tea.prepareBeverage();
}
}
在上述代码中，BeverageMaking 是抽象类，其中的 prepareBeverage 方法是模板方法，定义了制作饮料的整体流程。boilWater 和 pourInCup 是具体方法，brew 和 addCondiments 是抽象方法，customerWantsCondiments 是钩子方法。CoffeeMaking 和 TeaMaking 是具体子类，它们继承 BeverageMaking 并实现了抽象方法，同时 CoffeeMaking 还重写了钩子方法。在 main 方法中，我们分别创建了 CoffeeMaking 和 TeaMaking 的实例并调用 prepareBeverage 方法，展示了不同饮料制作过程的定制化实现。
模板方法模式的应用场景
- 算法框架固定，部分步骤不同：当多个算法具有相似的结构，但在某些步骤上有不同的实现方式时，适合使用模板方法模式。例如，不同类型文件的读取和处理，都有打开文件、读取数据、处理数据和关闭文件的基本流程，但具体的读取和处理方式因文件类型而异。
- 复用通用代码：通过将通用的代码放在抽象类的模板方法中，可以避免在子类中重复编写相同的代码，提高代码的复用性。比如在多个业务模块中，都有类似的初始化、数据处理和收尾操作，这些通用部分可以放在模板方法中。
- 控制子类扩展：模板方法模式可以通过钩子方法等机制，控制子类对算法的扩展方式，确保子类的扩展不会破坏算法的整体结构。
模板方法模式的优缺点
- 优点
- 提高代码复用性：将通用的算法框架提取到抽象类中，子类只需关注自己特有的实现部分，减少了代码的重复。
- 实现灵活定制：子类可以在不改变算法整体结构的前提下，自由定制某些步骤的实现，满足不同的业务需求。
- 便于维护和扩展：如果需要修改算法的整体结构，只需在抽象类的模板方法中进行修改，所有子类都会自动应用这些更改；如果需要增加新的具体实现，只需创建新的子类即可。
- 缺点
- 增加代码复杂度：对于简单的业务场景，使用模板方法模式可能会引入过多的抽象类和子类，增加代码的复杂度，使代码结构变得不够直观。
- 违反开闭原则风险：虽然模板方法模式在一定程度上符合开闭原则，但如果算法的骨架发生较大变化，可能需要修改抽象类的模板方法，这就违反了开闭原则。因此在设计时需要充分考虑算法的稳定性。
结语
希望本文能帮助您更好地理解模板方法模式的概念及其实际应用。如果您有任何疑问或建议，请随时留言交流。