Java 设计模式 - 模板方法模式

在软件开发过程中，我们常常会遇到一些具有固定流程或算法框架，但其中某些步骤的具体实现可能因情况而异的场景。模板方法模式（Template Method Pattern）正是为了解决这类问题而诞生的一种行为设计模式，它定义了一个操作中的算法骨架，将一些步骤延迟到子类中实现，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。

一、模板方法模式的结构

模板方法模式主要包含以下两个角色：

• 抽象模板类（Abstract Class）：定义了算法的骨架，它包含了一个模板方法（Template Method）以及一些抽象方法和具体方法。模板方法按照特定的顺序调用其他方法来完成整个算法，而抽象方法则由具体子类去实现，具体方法则是在抽象类中已经实现好的通用部分。
• 具体子类（Concrete Class）：继承自抽象模板类，实现了抽象模板类中的抽象方法，从而完成算法中特定于具体场景的步骤。

以下是一个简单的 Java 代码示例来展示其结构：

// 抽象模板类
abstract class AbstractClass {
    // 模板方法，定义算法骨架
    public final void templateMethod() {
        step1();
        step2();
        step3();
    }

    // 抽象方法，由子类实现
    protected abstract void step1();
    protected abstract void step2();

    // 具体方法，已经实现的通用部分
    protected void step3() {
        System.out.println("AbstractClass: 执行通用的步骤 3");
    }
}

// 具体子类 1
class ConcreteClass1 extends AbstractClass {
    @Override
    protected void step1() {
        System.out.println("ConcreteClass1: 实现特定的步骤 1");
    }

    @Override
    protected void step2() {
        System.out.println("ConcreteClass1: 实现特定的步骤 2");
    }
}

// 具体子类 2
class ConcreteClass2 extends AbstractClass {
    @Override
    protected void step1() {
        System.out.println("ConcreteClass2: 实现另一种特定的步骤 1");
    }

    @Override
    protected void step2() {
        System.out.println("ConcreteClass2: 实现另一种特定的步骤 2");
    }
}

在上述代码中，AbstractClass 就是抽象模板类，它的 templateMethod 方法定义了算法的执行顺序，step1 和 step2 是抽象方法留给子类实现，step3 是具体方法。ConcreteClass1 和 ConcreteClass2 是具体子类，分别实现了抽象方法来完成特定的业务逻辑。

二、模板方法模式的优点

1. 提高代码复用性：算法的整体框架在抽象类中定义并实现，子类只需要关注特定步骤的实现，避免了代码的重复编写。例如，在多个数据库操作类中，如果都有连接数据库、执行查询、处理结果、关闭连接这样的固定流程，就可以将这个流程定义在抽象模板类中，不同数据库类型（如 MySQL、Oracle 等）的具体操作类作为子类，只实现与特定数据库相关的查询和结果处理步骤，大大提高了代码的复用程度。
2. 便于维护和扩展：由于算法的结构在抽象类中固定，当需要对整体算法进行修改或扩展时，只需要在抽象类中进行调整，而子类的特定实现基本不受影响。例如，如果要在数据库操作流程中添加日志记录功能，只需要在抽象模板类的模板方法中合适的位置添加记录日志的代码，子类无需做过多改动。
3. 符合开闭原则：可以在不修改抽象模板类和已有子类的基础上，通过创建新的子类来实现新的功能，满足了对扩展开放、对修改关闭的原则。比如要支持新的数据库类型，只需创建一个新的具体子类实现相应的抽象方法即可。

三、模板方法模式的缺点

1. 可能导致类层次结构复杂：随着子类的增加，如果抽象类中的抽象方法过多，可能会使类的层次结构变得复杂，不利于代码的理解和维护。例如，一个复杂的业务流程抽象类可能有多个抽象方法，每个子类都要去实现这些方法，容易造成代码的混乱。
2. 子类对父类的依赖：子类与抽象类之间存在紧密的耦合关系，子类必须实现抽象类中的抽象方法，这在一定程度上限制了子类的灵活性。如果抽象类中的抽象方法定义不合理，可能会对子类的实现造成不必要的负担。

四、模板方法模式的使用场景

1. 框架开发：在各种框架中广泛应用，例如 Spring 框架中的 JdbcTemplate，它定义了数据库操作的通用流程，如获取连接、执行 SQL、处理结果集、关闭连接等，而开发者只需要关注 SQL 的编写和结果的具体处理，通过回调函数（类似于模板方法模式中的抽象方法）来实现特定的业务逻辑。
2. 算法流程固定但部分步骤可变的场景：如在电商系统中，不同的促销活动可能有不同的折扣计算方式，但都遵循下单、计算总价、应用折扣、生成订单这样的固定流程，就可以使用模板方法模式，将固定流程定义在抽象类中，折扣计算作为抽象方法由具体的促销活动子类实现。

总之，模板方法模式是一种非常实用的设计模式，在合适的场景下使用它能够提高代码的质量和开发效率，但也需要注意其可能带来的缺点，合理设计抽象类和子类的结构，以充分发挥其优势。