第十四章 模板模式
模板模式（Template Method Pattern）是一种设计模式，它属于面向对象编程中的行为型设计模式。这个模式的主要目的是定义一个算法的框架，将算法的具体步骤延迟到子类中实现。模板模式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。
以下是模板模式的详细说明：
角色:
抽象类（Abstract Class）：定义算法的框架，包括算法中的各个步骤，通常将这些步骤定义为抽象方法，以便让子类实现。抽象类也可以包含一些具体方法，这些方法通常是模板方法中所需的辅助操作。
具体子类（Concrete Subclasses）：继承抽象类并实现其中的抽象方法，以完成算法的各个步骤。
优点：
代码复用：模板模式允许将共同的算法步骤放在抽象类中，以便多个子类共享，减少了重复代码的编写。
扩展性：子类可以自由扩展或覆盖算法的部分步骤，而不会改变整体算法结构。
高层次的封装：模板模式将算法的实现细节隐藏在子类中，提供了一个高层次的封装，客户端只需关心如何使用模板方法，而不需要了解算法的具体实现。
示例：
假设我们有一个制作咖啡和茶的例子，其中咖啡和茶的制作过程中有一些相同的步骤，如煮水、冲泡、加入调味品等。可以使用模板模式来设计这个例子，将这些共同步骤放在抽象类中，具体的咖啡和茶类分别实现它们的特定步骤。这样，无论是制作咖啡还是茶，都可以使用相同的制作模板。
// 抽象类定义制作饮料的模板
abstract class BeverageTemplate {
// 模板方法，定义制作饮料的步骤
public final void prepareBeverage() {
boilWater();
brew();
pourInCup();
addCondiments();
}
// 具体步骤的抽象方法
abstract void brew();
abstract void addCondiments();
// 共同的步骤
void boilWater() {
System.out.println("煮水");
}
void pourInCup() {
System.out.println("倒入杯子");
}
}
// 具体子类实现咖啡
class Coffee extends BeverageTemplate {
@Override
void brew() {
System.out.println("用沸水冲泡咖啡");
}
@Override
void addCondiments() {
System.out.println("加入糖和牛奶");
}
}
// 具体子类实现茶
class Tea extends BeverageTemplate {
@Override
void brew() {
System.out.println("用沸水浸泡茶叶");
}
@Override
void addCondiments() {
System.out.println("加入柠檬");
}
}
public class TemplatePatternExample {
public static void main(String[] args) {
BeverageTemplate coffee = new Coffee();
BeverageTemplate tea = new Tea();
System.out.println("制作咖啡：");
coffee.prepareBeverage();
System.out.println("\n制作茶：");
tea.prepareBeverage();
}
}
1. 模板模式的原理与实现
模板模式，全称是模板方法设计模式，英文是 Template Method Design Pattern。在GoF 的《设计模式》一书中，它是这么定义的：
Define the skeleton of an algorithm in an operation, deferring some steps to subclasses. Template Method lets subclasses redefine certain steps of an algorithm without changing the algorithm’s structure.
翻译成中文就是：模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。
这里的“算法”，我们可以理解为广义上的“业务逻辑”，并不特指数据结构和算法中的“算法”。这里的算法骨架就是“模板”，包含算法骨架的方法就是“模板方法”，这也是模板方法模式名字的由来。
原理很简单，代码实现就更加简单，我写了一个示例代码，如下所示。templateMethod()函数定义为 final，是为了避免子类重写它。method1() 和 method2() 定义为 abstract，是为了强迫子类去实现。不过，这些都不是必须的，在实际的项目开发中，模板模式的代码实现比较灵活，待会儿讲到应用场景的时候，我们会有具体的体现。
public abstract class AbstractClass {
public final void templateMethod() {
//...
method1();
//...
method2();
//...
}
protected abstract void method1();
protected abstract void method2();
}
public class ConcreteClass1 extends AbstractClass {
@Override
protected void method1() {
//...
}
@Override
protected void method2() {
//...
}
}
public class ConcreteClass2 extends AbstractClass {
@Override
protected void method1() {
//...
}
@Override
protected void method2() {
//...
}
}
AbstractClass demo = new ConcreteClass1();
demo.templateMethod();
2. 模板模式作用一：复用
模板模式把一个算法中不变的流程抽象到父类的模板方法 templateMethod() 中，将可变的部分 method1()、method2() 留给子类 ContreteClass1 和 ContreteClass2 来实现。所有的子类都可以复用父类中模板方法定义的流程代码。我们通过两个小例子来更直观地体会一下。
2.1 Java InputStream
Java IO 类库中，有很多类的设计用到了模板模式，比如 InputStream、OutputStream、Reader、Writer。我们拿 InputStream 来举例说明一下。
我把 InputStream 部分相关代码贴在了下面。在代码中，read() 函数是一个模板方法，定义了读取数据的整个流程，并且暴露了一个可以由子类来定制的抽象方法。不过这个方法也被命名为了 read()，只是参数跟模板方法不同。
public abstract class InputStream implements Closeable {
private static final int MAX_SKIP_BUFFER_SIZE = 2048;
//暴露了一个可以由子类来定制的read()抽象方法
public abstract int read() throws IOException;
public int read(byte b[]) throws IOException {
return read(b, 0, b.length);
}
//模板方法
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
if (b == null) {
throw new NullPointerException();
} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
} else if (len == 0) {
return 0;
}
int c = read();
if (c == -1) {
return -1;
}
b[off] = (byte)c;
int i = 1;
try {
for (; i < len ; i++) {
c = read();
if (c == -1) {
break;
}
b[off + i] = (byte)c;
}
} catch (IOException ee) {
}
return i;
}
//省略其他代码...
}
public class FileInputStream extends InputStream {
public int read(byte b[]) throws IOException {
return readBytes(b, 0, b.length);
}
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
return readBytes(b, off, len);
}
}
2.2 Java AbstractList
在 Java AbstractList 类中，addAll() 函数可以看作模板方法，add() 是子类需要重写的方法，尽管没有声明为 abstract 的，但函数实现直接抛出了UnsupportedOperationException 异常。前提是，如果子类不重写是不能使用的。
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
rangeCheckForAdd(index);
boolean modified = false;
for (E e : c) {
add(index++, e);
modified = true;
}
return modified;
}
public void add(int index, E element) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
3. 模板模式作用二：扩展
模板模式的第二大作用的是扩展。这里所说的扩展，并不是指代码的扩展性，而是指框架的扩展性，有点类似控制反转，你基于这个作用，模板模式常用在框架的开发中，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，定制化框架的功能。我们通过 Junit TestCase、Java Servlet 两个例子来解释一下。
3.1 Java Servlet
对于 Java Web 项目开发来说，常用的开发框架是 SpringMVC。利用它，我们只需要关注业务代码的编写，底层的原理几乎不会涉及。但是，如果我们抛开这些高级框架来开发Web 项目，必然会用到 Servlet。实际上，使用比较底层的 Servlet 来开发 Web 项目也不难。我们只需要定义一个继承 HttpServlet 的类，并且重写其中的 doGet() 或 doPost() 方法，来分别处理 get 和 post 请求。具体的代码示例如下所示：
public class HelloServlet extends HttpServlet {
@Override
protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws
this.doPost(req, resp);
}
@Override
protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throw
resp.getWriter().write("Hello World.");
}
}
除此之外，我们还需要在配置文件 web.xml 中做如下配置。Tomcat、Jetty 等 Servlet 容器在启动的时候，会自动加载这个配置文件中的 URL 和 Servlet 之间的映射关系。
<servlet>
<servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
<servlet-class>com.nxz.cd.HelloServlet</servlet-class>
</servlet>
<servlet-mapping>
<servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
<url-pattern>/hello</url-pattern>
</servlet-mapping>
当我们在浏览器中输入网址（比如， http://127.0.0.1:8080/hello ）的时候，Servlet 容器会接收到相应的请求，并且根据 URL 和 Servlet 之间的映射关系，找到相应的Servlet（HelloServlet），然后执行它的 service() 方法。service() 方法定义在父类HttpServlet 中，它会调用 doGet() 或 doPost() 方法，然后输出数据（“Hello world”）到网页。
我们现在来看，HttpServlet 的 service() 函数长什么样子。
public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws ServletException, IOException {
HttpServletRequest request;
HttpServletResponse response;
if (!(req instanceof HttpServletRequest && res instanceof HttpServletResponse)) {
throw new ServletException("non-HTTP request or response");
}
request = (HttpServletRequest) req;
response = (HttpServletResponse) res;
service(request, response);
}
protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
String method = req.getMethod();
if (method.equals(METHOD_GET)) {
long lastModified = getLastModified(req);
if (lastModified == -1) {
// servlet doesn't support if-modified-since, no reason
// to go through further expensive logic
doGet(req, resp);
} else {
long ifModifiedSince = req.getDateHeader(HEADER_IFMODSINCE);
if (ifModifiedSince < lastModified) {
// If the servlet mod time is later, call doGet()
// Round down to the nearest second for a proper compare
// A ifModifiedSince of -1 will always be less
maybeSetLastModified(resp, lastModified);
doGet(req, resp);
} else {
resp.setStatus(HttpServletResponse.SC_NOT_MODIFIED);
}
}
} else if (method.equals(METHOD_HEAD)) {
long lastModified = getLastModified(req);
maybeSetLastModified(resp, lastModified);
doHead(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_POST)) {
doPost(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_PUT)) {
doPut(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_DELETE)) {
doDelete(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_OPTIONS)) {
doOptions(req,resp);
} else if (method.equals(METHOD_TRACE)) {
doTrace(req,resp);
} else {
String errMsg = lStrings.getString("http.method_not_implemented");
Object[] errArgs = new Object[1];
errArgs[0] = method;
errMsg = MessageFormat.format(errMsg, errArgs);
resp.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_IMPLEMENTED, errMsg);
}
}
从上面的代码中我们可以看出，HttpServlet 的 service() 方法就是一个模板方法，它实现了整个 HTTP 请求的执行流程，doGet()、doPost() 是模板中可以由子类来定制的部分。
实际上，这就相当于 Servlet 框架提供了一个扩展点（doGet()、doPost() 方法），让框架用户在不用修改 Servlet 框架源码的情况下，将业务代码通过扩展点镶嵌到框架中执行。
3.2 JUnit TestCase
跟 Java Servlet 类似，JUnit 框架也通过模板模式提供了一些功能扩展点（setUp()、tearDown() 等），让框架用户可以在这些扩展点上扩展功能。
在使用 JUnit 测试框架来编写单元测试的时候，我们编写的测试类都要继承框架提供的TestCase 类。在 TestCase 类中，runBare() 函数是模板方法，它定义了执行测试用例的整体流程：先执行 setUp() 做些准备工作，然后执行 runTest() 运行真正的测试代码，最后执行 tearDown() 做扫尾工作。
TestCase 类的具体代码如下所示。尽管 setUp()、tearDown() 并不是抽象函数，还提供了默认的实现，不强制子类去重新实现，但这部分也是可以在子类中定制的，所以也符合模板模式的定义。
public abstract class TestCase extends Assert implements Test {
public void runBare() throws Throwable {
Throwable exception = null;
setUp();
try {
runTest();
} catch (Throwable running) {
exception = running;
} finally {
try {
tearDown();
} catch (Throwable tearingDown) {
if (exception == null) exception = tearingDown;
}
}
if (exception != null) throw exception;
}
protected void setUp() throws Exception {
}
protected void tearDown() throws Exception {
}
}
