Java设计模式之模板方法模式Template Method Pattern详解

概述

模板方法

模板方法定义了一个算法的步骤，并允许子类为一个或多个步骤提供实现。那么什么是模板方法呢？我们看下模板方法的定义。

1. 一个具体方法而非抽象方法，其用作一个算法的模板；
2. 在模板方法中，算法内的大多数步骤都被某个方法代表；
3. 模板方法中某些方法是子类处理
4. 需要由子类提供的方法，必须在超类中声明为抽象方法；
5. 模板方法通常不能被覆盖，也就是使用final修饰；

模板方法模式（Template Method Pattern），又叫模板模式(Template Pattern)，指在一个抽象类公开定义了执行它的方法的模板。它的子类可以按需要重写方法实现，但调用将以抽象类中定义的方式进行简单说，模板方法模式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，使得子类可以不改变一个算法的结构，就可以重定义该算法的某些特定步骤。

这种类型的设计模式属于行为型模式。

如下实例，prepareRecipe就是一个模板方法。

public abstract class CaffeineBeverage {
   final void  prepareRecipe(){
       boilWater();
       brew();
       pourInCup();
       addCondiments();
   }
   protected abstract void addCondiments();
   protected abstract void pourInCup();
   protected abstract void brew();
   protected abstract void boilWater();
}

模板方法模式

在一个方法中定义一个算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。

这个模式是用来创建一个算法的模板。什么是模板？如你所见的，模板就是一个方法。更具体地说，这个方法将算法定义成一组步骤，其中的任何步骤都可以是抽象的，由子类负责实现。这可以确保算法的结构保持不变，同时由子类提供部分实现。

对上面实例进一步扩展，我们看下抽象类内可以有哪些类型的方法。

public abstract class CaffeineBeverage {
   final void  prepareRecipe(){
       boilWater();
       brew();
       pourInCup();
       addCondiments();
       concreteOperation();
       hook();
   }
   protected abstract void addCondiments();
   protected abstract void pourInCup();
   protected abstract void brew();
   protected abstract void boilWater();
      final void concreteOperation(){
	// 这里是实现
   }
	//空方法
   void hook(){};
}

可以看到有一个具体的concreteOperation方法，final表示其不可以被子类覆盖。我们也可以由“默认不做事的方法”，我们称这种方法为“hook”（钩子）。子类可以视情况决定要不要覆盖他们。

钩子是一种被声明在 抽象类中的方法，但只有空的或者默认的实现。钩子的存在，可以让子类有能力对算法的不同点进行挂钩。要不要挂钩，由子类决定。每一个具体的子类都必须定义所有的抽象方法，并为模板方法算法中未定义步骤提供完整的实现。

那么什么时候使用抽象方法什么时候使用钩子呢？

答，当你的子类必须提供算法中某个算法或步骤的实现时，就是用抽象方法。如果算法的这个部分是可选的，就用钩子。如果是钩子的话，子类可以选择实现这个钩子，但并不强制这么做。

使用钩子的真正目的是什么？

钩子有几种用法。如我们之前所说的，钩子可以让子类实现算法中可选的部分，或者在钩子对于子类的实现并不重要的时候，子类可以对此钩子置之不理。钩子的另一个用法，是让子类能够有机会对模板方法中某些即将发生的(或刚刚发生的)步骤作出反应。比方说，名为justReOrderedList()的钩子方法允许子类在内部列表重新组织后执行某些动作(例如在屏幕上重新显示数据)。正如前面提到的，钩子也可以让子类有能力为其抽象类作一些决定。

好莱坞原则

好莱坞原则简单来讲就是：别调用我们，我们会调用你。

好莱坞原则可以给我们一种防止“依赖腐败”的方法。当高层组件依赖低层组件，而低层组件又依赖高层组件，而高层组件又依赖边侧组件，边侧组件又依赖低层组件时，依赖腐败就发生了。在这种情况下，没有人可以轻易地搞懂系统是如何设计的。

在好莱坞原则之下，我们允许低层组件将自己挂钩到系统上，但是高层组件会决定什么时候和怎样使用这些低层组件。换句话说，高层组件对待低层组件的方式就是“别调用我们，我们会调用你”。

模板方法模式就契合该原则。当我们设计模板方法模式时，我们告诉子类，“不要调用我们，我们会调用你”。

那么低层组件完全不可以调用高层组件的方法吗？并不尽然！

事实上，低层组件在结束时，常常调用从超类中继承来的方法。我们所要做的是，避免让高层和低层组件之间有明显的环状依赖。

好莱坞原则与依赖倒置原则

依赖倒置原则教我们尽量避免使用具体类，而多使用抽象类。而好莱坞原则是用在创建框架或组件上的一种技巧，好让低层组件能够被挂钩进计算中，而且又不会让高层组件依赖低层组件。两者的目标都是在于解耦，但是依赖倒置原则更加注重如何在设计中避免依赖。

好莱坞原则教我们一个技巧，创建一个有弹性的设计，允许低层结构能够互相操作，而又防止其他类太过依赖它们。

真实案例

数组类Arrays的mergeSort方法就是一个模板方法。

 private static void mergeSort(Object[] src,
                                  Object[] dest,
                                  int low,
                                  int high,
                                  int off) {
        int length = high - low;
        // Insertion sort on smallest arrays
        if (length < INSERTIONSORT_THRESHOLD) {
            for (int i=low; i<high; i++)
                for (int j=i; j>low &&
                         ((Comparable) dest[j-1]).compareTo(dest[j])>0; j--)
                    swap(dest, j, j-1);
            return;
        }
        // Recursively sort halves of dest into src
        int destLow  = low;
        int destHigh = high;
        low  += off;
        high += off;
        int mid = (low + high) >>> 1;
        mergeSort(dest, src, low, mid, -off);
        mergeSort(dest, src, mid, high, -off);
        // If list is already sorted, just copy from src to dest.  This is an
        // optimization that results in faster sorts for nearly ordered lists.
        if (((Comparable)src[mid-1]).compareTo(src[mid]) <= 0) {
            System.arraycopy(src, low, dest, destLow, length);
            return;
        }
        // Merge sorted halves (now in src) into dest
        for(int i = destLow, p = low, q = mid; i < destHigh; i++) {
            if (q >= high || p < mid && ((Comparable)src[p]).compareTo(src[q])<=0)
                dest[i] = src[p++];
            else
                dest[i] = src[q++];
        }
    }

这里方法中，swap方法是一个具体方法。每一个元素需要实现compareTo方法，“填补”模板方法的缺憾。

可能会有疑问，上面这个案例真的是一个模板方法吗？

答，其符合模板方法的精神。这个模式的重点在于提供一个算法，并让子类实现某些步骤。而数组的排序做法很明显地并非如此！但是，我们都知道。Java api中的模式并非总是如同教科书例子一般地中规中矩，为了符合当前的环境和实现的约束，它们总是要被适当地修改。这个Arrays类sort方法的设计者受到一些约束。通常我们无法设计一个类继承Java数组，而sort()方法希望能够适用于所有的数组（每个数组都是不同的类）。所以它们定义了一个静态方法，而由被排序的对象内的每个元素自行提供比较大小的算法部分。所以，这虽然不是教科书上的模板方法，但它的实现仍然符合模板方法模式的精神。再者，由于不需要基础数组就可以使用这个方法，这样使得排序变得更有弹性、更有用。

另外一个案例是java.io的InputStream类有一个read()方法，是由子类实现的，而这个方法又会被read(byte b[], int off, int len)模板方法使用。

模板方法模式的注意事项和细节

基本思想是：算法只存在于一个地方，也就是在父类中，容易修改。需要修改算法时，只要修改父类的模板方法或者已经实现的某些步骤，子类就会继承这些修改。

实现了最大化代码复用。父类的模板方法和已实现的某些步骤会被子类继承而直接使用。 既统一了算法，也提供了很大的灵活性。父类的模板方法确保了算法的结构保持不变，同时由子类提供部分步骤的实现。

该模式的不足之处：每一个不同的实现都需要一个子类实现，导致类的个数增加，使得系统更加庞大。一般模板方法都加上final 关键字， 防止子类重写模板方法。

模板方法模式使用场景：当要完成在某个过程，该过程要执行一系列步骤，这一系列的步骤基本相同，但其个别步骤在实现时可能不同，通常考虑用模板方法模式来处理。