Java模板方法模式

在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)過程中，程序員常常會(huì)遇到這種情況：設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)知道了算法所需的關(guān)鍵步驟，而且確定了這些步驟的執(zhí)行順序，但某些步驟的具體實(shí)現(xiàn)還未知，或者說某些步驟的實(shí)現(xiàn)與具體的環(huán)境相關(guān)。

例如，去銀行辦理業(yè)務(wù)一般要經(jīng)過以下4個(gè)流程：取號(hào)、排隊(duì)、辦理具體業(yè)務(wù)、對(duì)銀行工作人員進(jìn)行評(píng)分等，其中取號(hào)、排隊(duì)和對(duì)銀行工作人員進(jìn)行評(píng)分的業(yè)務(wù)對(duì)每個(gè)客戶是一樣的，可以在父類中實(shí)現(xiàn)，但是辦理具體業(yè)務(wù)卻因人而異，它可能是存款、取款或者轉(zhuǎn)賬等，可以延遲到子類中實(shí)現(xiàn)。

這樣的例子在生活中還有很多，例如，一個(gè)人每天會(huì)起床、吃飯、做事、睡覺等，其中“做事”的內(nèi)容每天可能不同。我們把這些規(guī)定了流程或格式的實(shí)例定義成模板，允許使用者根據(jù)自己的需求去更新它，例如，簡(jiǎn)歷模板、論文模板、Word 中模板文件等。

以下介紹的模板方法模式將解決以上類似的問題。

模式的定義與特點(diǎn)

模板方法(Template Method)模式的定義如下：定義一個(gè)操作中的算法骨架，而將算法的一些步驟延遲到子類中，使得子類可以不改變?cè)撍惴ńY(jié)構(gòu)的情況下重定義該算法的某些特定步驟。它是一種類行為型模式。

該模式的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

① 它封裝了不變部分，擴(kuò)展可變部分。它把認(rèn)為是不變部分的算法封裝到父類中實(shí)現(xiàn)，而把可變部分算法由子類繼承實(shí)現(xiàn)，便于子類繼續(xù)擴(kuò)展。

② 它在父類中提取了公共的部分代碼，便于代碼復(fù)用。

③ 部分方法是由子類實(shí)現(xiàn)的，因此子類可以通過擴(kuò)展方式增加相應(yīng)的功能，符合開閉原則。

該模式的主要缺點(diǎn)如下。

① 對(duì)每個(gè)不同的實(shí)現(xiàn)都需要定義一個(gè)子類，這會(huì)導(dǎo)致類的個(gè)數(shù)增加，系統(tǒng)更加龐大，設(shè)計(jì)也更加抽象。

② 父類中的抽象方法由子類實(shí)現(xiàn)，子類執(zhí)行的結(jié)果會(huì)影響父類的結(jié)果，這導(dǎo)致一種反向的控制結(jié)構(gòu)，它提高了代碼閱讀的難度。

模式的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

模板方法模式需要注意抽象類與具體子類之間的協(xié)作。它用到了虛函數(shù)的多態(tài)性技術(shù)以及“不用調(diào)用我，讓我來調(diào)用你”的反向控制技術(shù)。現(xiàn)在來介紹它們的基本結(jié)構(gòu)。

⒈模式的結(jié)構(gòu)

模板方法模式包含以下主要角色。

(1) 抽象類(Abstract Class)：負(fù)責(zé)給出一個(gè)算法的輪廓和骨架。它由一個(gè)模板方法和若干個(gè)基本方法構(gòu)成。這些方法的定義如下。

① 模板方法：定義了算法的骨架，按某種順序調(diào)用其包含的基本方法。

② 基本方法：是整個(gè)算法中的一個(gè)步驟，包含以下幾種類型。

? 抽象方法：在抽象類中申明，由具體子類實(shí)現(xiàn)。

? 具體方法：在抽象類中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，在具體子類中可以繼承或重寫它。

? 鉤子方法：在抽象類中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，包括用于判斷的邏輯方法和需要子類重寫的空方法兩種。

(2) 具體子類(Concrete Class)：實(shí)現(xiàn)抽象類中所定義的抽象方法和鉤子方法，它們是一個(gè)頂級(jí)邏輯的一個(gè)組成步驟。

模板方法模式的結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

圖1 模板方法模式的結(jié)構(gòu)圖

⒉模式的實(shí)現(xiàn)

模板方法模式的代碼如下：

package templateMethod;
public class TemplateMethodPattern
{
    public static void main(String[] args)
    {
        AbstractClass tm=new ConcreteClass();
        tm.TemplateMethod();
    }
}
//抽象類
abstract class AbstractClass
{
    public void TemplateMethod() //模板方法
    {
        SpecificMethod();
        abstractMethod1();          
         abstractMethod2();
    }  
    public void SpecificMethod() //具體方法
    {
        System.out.println("抽象類中的具體方法被調(diào)用...");
    }   
    public abstract void abstractMethod1(); //抽象方法1
    public abstract void abstractMethod2(); //抽象方法2
}
//具體子類
class ConcreteClass extends AbstractClass
{
    public void abstractMethod1()
    {
        System.out.println("抽象方法1的實(shí)現(xiàn)被調(diào)用...");
    }   
    public void abstractMethod2()
    {
        System.out.println("抽象方法2的實(shí)現(xiàn)被調(diào)用...");
    }
}

程序的運(yùn)行結(jié)果如下：

抽象類中的具體方法被調(diào)用...
抽象方法1的實(shí)現(xiàn)被調(diào)用...
抽象方法2的實(shí)現(xiàn)被調(diào)用...

模式的應(yīng)用實(shí)例

【例1】用模板方法模式實(shí)現(xiàn)出國(guó)留學(xué)手續(xù)設(shè)計(jì)程序。

分析：出國(guó)留學(xué)手續(xù)一般經(jīng)過以下流程：索取學(xué)校資料，提出入學(xué)申請(qǐng)，辦理因私出國(guó)護(hù)照、出境卡和公證，申請(qǐng)簽證，體檢、訂機(jī)票、準(zhǔn)備行裝，抵達(dá)目標(biāo)學(xué)校等，其中有些業(yè)務(wù)對(duì)各個(gè)學(xué)校是一樣的，但有些業(yè)務(wù)因?qū)W校不同而不同，所以比較適合用模板方法模式來實(shí)現(xiàn)。

在本實(shí)例中，我們先定義一個(gè)出國(guó)留學(xué)的抽象類 StudyAbroad，里面包含了一個(gè)模板方法 TemplateMethod()，該方法中包含了辦理出國(guó)留學(xué)手續(xù)流程中的各個(gè)基本方法，其中有些方法的處理由于各國(guó)都一樣，所以在抽象類中就可以實(shí)現(xiàn)，但有些方法的處理各國(guó)是不同的，必須在其具體子類(如美國(guó)留學(xué)類 StudyInAmerica)中實(shí)現(xiàn)。如果再增加一個(gè)國(guó)家，只要增加一個(gè)子類就可以了，圖 2 所示是其結(jié)構(gòu)圖。

圖2 出國(guó)留學(xué)手續(xù)設(shè)計(jì)程序的結(jié)構(gòu)圖

程序代碼如下：

package templateMethod;
public class StudyAbroadProcess
{
    public static void main(String[] args)
    {
        StudyAbroad tm=new StudyInAmerica();
        tm.TemplateMethod();
    }
}
//抽象類: 出國(guó)留學(xué)
abstract class StudyAbroad
{
    public void TemplateMethod() //模板方法
    {
        LookingForSchool(); //索取學(xué)校資料
        ApplyForEnrol();    //入學(xué)申請(qǐng)      
        ApplyForPassport(); //辦理因私出國(guó)護(hù)照、出境卡和公證
        ApplyForVisa();     //申請(qǐng)簽證
        ReadyGoAbroad();    //體檢、訂機(jī)票、準(zhǔn)備行裝
        Arriving();         //抵達(dá)
    }              
    public void ApplyForPassport()
    {
        System.out.println("三.辦理因私出國(guó)護(hù)照、出境卡和公證：");
        System.out.println("  1）持錄取通知書、本人戶口簿或身份證向戶口所在地公安機(jī)關(guān)申請(qǐng)辦理因私出國(guó)護(hù)照和出境卡。");
        System.out.println("  2）辦理出生公證書，學(xué)歷、學(xué)位和成績(jī)公證，經(jīng)歷證書，親屬關(guān)系公證，經(jīng)濟(jì)擔(dān)保公證。");
    }
    public void ApplyForVisa()
    {
        System.out.println("四.申請(qǐng)簽證：");
        System.out.println("  1）準(zhǔn)備申請(qǐng)國(guó)外境簽證所需的各種資料，包括個(gè)人學(xué)歷、成績(jī)單、工作經(jīng)歷的證明；個(gè)人及家庭收入、資金和財(cái)產(chǎn)證明；家庭成員的關(guān)系證明等；");
        System.out.println("  2）向擬留學(xué)國(guó)家駐華使(領(lǐng))館申請(qǐng)入境簽證。申請(qǐng)時(shí)需按要求填寫有關(guān)表格，遞交必需的證明材料，繳納簽證。有的國(guó)家(比如美國(guó)、英國(guó)、加拿大等)在申請(qǐng)簽證時(shí)會(huì)要求申請(qǐng)人前往使(領(lǐng))館進(jìn)行面試。");
    }
    public void ReadyGoAbroad()
    {
        System.out.println("五.體檢、訂機(jī)票、準(zhǔn)備行裝：");
        System.out.println("  1）進(jìn)行身體檢查、免疫檢查和接種傳染病疫苗；");
        System.out.println("  2）確定機(jī)票時(shí)間、航班和轉(zhuǎn)機(jī)地點(diǎn)。");
    }
    public abstract void LookingForSchool();//索取學(xué)校資料
    public abstract void ApplyForEnrol();   //入學(xué)申請(qǐng)
    public abstract void Arriving();        //抵達(dá)
}
//具體子類: 美國(guó)留學(xué)
class StudyInAmerica extends StudyAbroad
{
    @Override
    public void LookingForSchool()
    {
        System.out.println("一.索取學(xué)校以下資料：");
        System.out.println("  1）對(duì)留學(xué)意向國(guó)家的政治、經(jīng)濟(jì)、文化背景和教育體制、學(xué)術(shù)水平進(jìn)行較為全面的了解；");
        System.out.println("  2）全面了解和掌握國(guó)外學(xué)校的情況，包括歷史、學(xué)費(fèi)、學(xué)制、專業(yè)、師資配備、教學(xué)設(shè)施、學(xué)術(shù)地位、學(xué)生人數(shù)等；");
        System.out.println("  3）了解該學(xué)校的住宿、交通、醫(yī)療保險(xiǎn)情況如何；");
        System.out.println("  4）該學(xué)校在中國(guó)是否有授權(quán)代理招生的留學(xué)中介公司？");
        System.out.println("  5）掌握留學(xué)簽證情況；");
        System.out.println("  6）該國(guó)政府是否允許留學(xué)生合法打工？");
        System.out.println("  8）畢業(yè)之后可否移民？");
        System.out.println("  9）文憑是否受到我國(guó)認(rèn)可？");
    }
    @Override
    public void ApplyForEnrol()
    {
        System.out.println("二.入學(xué)申請(qǐng)：");
        System.out.println("  1）填寫報(bào)名表；");
        System.out.println("  2）將報(bào)名表、個(gè)人學(xué)歷證明、最近的學(xué)習(xí)成績(jī)單、推薦信、個(gè)人簡(jiǎn)歷、托福或雅思語言考試成績(jī)單等資料寄往所申請(qǐng)的學(xué)校；");
        System.out.println("  3）為了給簽證辦理留有充裕的時(shí)間，建議越早申請(qǐng)?jiān)胶茫话闾崆?年就比較從容。");       
    }
    @Override
    public void Arriving()
    {
        System.out.println("六.抵達(dá)目標(biāo)學(xué)校：");
        System.out.println("  1）安排住宿；");
        System.out.println("  2）了解校園及周邊環(huán)境。");
    }
}

程序的運(yùn)行結(jié)果如下：

一.索取學(xué)校以下資料：
  1）對(duì)留學(xué)意向國(guó)家的政治、經(jīng)濟(jì)、文化背景和教育體制、學(xué)術(shù)水平進(jìn)行較為全面的了解；
  2）全面了解和掌握國(guó)外學(xué)校的情況，包括歷史、學(xué)費(fèi)、學(xué)制、專業(yè)、師資配備、教學(xué)設(shè)施、學(xué)術(shù)地位、學(xué)生人數(shù)等；
  3）了解該學(xué)校的住宿、交通、醫(yī)療保險(xiǎn)情況如何；
  4）該學(xué)校在中國(guó)是否有授權(quán)代理招生的留學(xué)中介公司？
  5）掌握留學(xué)簽證情況；
  6）該國(guó)政府是否允許留學(xué)生合法打工？
  8）畢業(yè)之后可否移民？
  9）文憑是否受到我國(guó)認(rèn)可？
二.入學(xué)申請(qǐng)：
  1）填寫報(bào)名表；
  2）將報(bào)名表、個(gè)人學(xué)歷證明、最近的學(xué)習(xí)成績(jī)單、推薦信、個(gè)人簡(jiǎn)歷、托福或雅思語言考試成績(jī)單等資料寄往所申請(qǐng)的學(xué)校；
  3）為了給簽證辦理留有充裕的時(shí)間，建議越早申請(qǐng)?jiān)胶茫话闾崆?年就比較從容。
三.辦理因私出國(guó)護(hù)照、出境卡和公證：
  1）持錄取通知書、本人戶口簿或身份證向戶口所在地公安機(jī)關(guān)申請(qǐng)辦理因私出國(guó)護(hù)照和出境卡。
  2）辦理出生公證書，學(xué)歷、學(xué)位和成績(jī)公證，經(jīng)歷證書，親屬關(guān)系公證，經(jīng)濟(jì)擔(dān)保公證。
四.申請(qǐng)簽證：
  1）準(zhǔn)備申請(qǐng)國(guó)外境簽證所需的各種資料，包括個(gè)人學(xué)歷、成績(jī)單、工作經(jīng)歷的證明；個(gè)人及家庭收入、資金和財(cái)產(chǎn)證明；家庭成員的關(guān)系證明等；
  2）向擬留學(xué)國(guó)家駐華使(領(lǐng))館申請(qǐng)入境簽證。申請(qǐng)時(shí)需按要求填寫有關(guān)表格，遞交必需的證明材料，繳納簽證。有的國(guó)家(比如美國(guó)、英國(guó)、加拿大等)在申請(qǐng)簽證時(shí)會(huì)要求申請(qǐng)人前往使(領(lǐng))館進(jìn)行面試。
五.體檢、訂機(jī)票、準(zhǔn)備行裝：
  1）進(jìn)行身體檢查、免疫檢查和接種傳染病疫苗；
  2）確定機(jī)票時(shí)間、航班和轉(zhuǎn)機(jī)地點(diǎn)。
六.抵達(dá)目標(biāo)學(xué)校：
  1）安排住宿；
  2）了解校園及周邊環(huán)境。

模式的應(yīng)用場(chǎng)景

模板方法模式通常適用于以下場(chǎng)景。

1、算法的整體步驟很固定，但其中個(gè)別部分易變時(shí)，這時(shí)候可以使用模板方法模式，將容易變的部分抽象出來，供子類實(shí)現(xiàn)。

2、當(dāng)多個(gè)子類存在公共的行為時(shí)，可以將其提取出來并集中到一個(gè)公共父類中以避免代碼重復(fù)。首先，要識(shí)別現(xiàn)有代碼中的不同之處，并且將不同之處分離為新的操作。最后，用一個(gè)調(diào)用這些新的操作的模板方法來替換這些不同的代碼。

3、當(dāng)需要控制子類的擴(kuò)展時(shí)，模板方法只在特定點(diǎn)調(diào)用鉤子操作，這樣就只允許在這些點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。

模式的擴(kuò)展

在模板方法模式中，基本方法包含：抽象方法、具體方法和鉤子方法，正確使用“鉤子方法”可以使得子類控制父類的行為。如下面例子中，可以通過在具體子類中重寫鉤子方法 HookMethod1() 和 HookMethod2() 來改變抽象父類中的運(yùn)行結(jié)果，其結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。

圖3 含鉤子方法的模板方法模式的結(jié)構(gòu)圖

程序代碼如下：

package templateMethod;
public class HookTemplateMethod
{
    public static void main(String[] args)
    {
        HookAbstractClass tm=new HookConcreteClass();
        tm.TemplateMethod();
    }
}
//含鉤子方法的抽象類
abstract class HookAbstractClass
{
    public void TemplateMethod() //模板方法
    {
        abstractMethod1();
        HookMethod1();
        if(HookMethod2())
        {
            SpecificMethod();   
        }
         abstractMethod2();
    }  
    public void SpecificMethod() //具體方法
    {
        System.out.println("抽象類中的具體方法被調(diào)用...");
    }
    public void HookMethod1(){}  //鉤子方法1
    public boolean HookMethod2() //鉤子方法2
    {
        return true;
    }
    public abstract void abstractMethod1(); //抽象方法1
    public abstract void abstractMethod2(); //抽象方法2
}
//含鉤子方法的具體子類
class HookConcreteClass extends HookAbstractClass
{
    public void abstractMethod1()
    {
        System.out.println("抽象方法1的實(shí)現(xiàn)被調(diào)用...");
    }   
    public void abstractMethod2()
    {
        System.out.println("抽象方法2的實(shí)現(xiàn)被調(diào)用...");
    }   
    public void HookMethod1()
    {
        System.out.println("鉤子方法1被重寫...");
    }
    public boolean HookMethod2()
    {
        return false;
    }
}

程序的運(yùn)行結(jié)果如下：

抽象方法1的實(shí)現(xiàn)被調(diào)用...
鉤子方法1被重寫...
抽象方法2的實(shí)現(xiàn)被調(diào)用...

如果鉤子方法 HookMethod1() 和鉤子方法 HookMethod2() 的代碼改變，則程序的運(yùn)行結(jié)果也會(huì)改變。