深入解析Java的设计模式编程中的模板方法模式

模板方法模式是一种行为设计模式，在Java程序中被广泛地使用，它将一个算法的步骤定义为一组抽象方法，具体实现则由子类来完成。这种模式提供了在框架方法级别上的灵活性，并且允许不同的算法使用相同的框架。

什么是模板方法模式

模板方法模式是一种行为设计模式，它允许我们为实现算法的关键步骤定义一个模板骨架，并允许子类通过提供特定实现来重写这些步骤，从而得到完整算法的执行。

模板方法模式通过定义具体实现的方法来实现算法主要的骨架，这些方法可能是抽象的或具体的。在使用时，我们可以从算法的骨架中继承，并根据需要实现抽象方法，这使得我们可以在实现算法时保持一定的灵活性。

UML图示

以下是模板方法模式的UML图示：

        +---------+
        |  Class  |
        +---------+
        | template|
        | method  |
        |---------|
        |  steps  |
        +---------+
             / \
            /   \
           /     \
          /       \
         /         \
+---------+   +---------+
| ClassA  |   | ClassB  |
+---------+   +---------+
|override1|   |override1|
|override2|   |override2|
+---------+   +---------+

在这个UML示例中，Class定义了一个模板方法和一组抽象或具体的步骤，ClassA和ClassB是两个子类，它们继承了类方法，并重写了其中的一些步骤。

模板方法模式的优缺点

模板方法模式的优点有：

• 算法的框架是固定不变的，从而使得程序更加稳定；
• 算法的骨架可以在不改变具体实现的情况下随时扩展；
• 可以通过继承来实现代码重用，减少了代码冗余。

模板方法模式的缺点包括：

• 模板方法的框架可能过于复杂，增加了程序的维护成本；
• 模板方法可能会导致代码量增加，因为需要在子类中实现多个抽象方法。

模板方法模式的应用场景

模板方法模式主要用于以下几个场景：

• 当我们必须在子类中实现一个算法的某些步骤时，可以使用模板方法模式；
• 当我们需要在代码的不同部分使用相同的算法时，可以使用模板方法模式；
• 当我们需要使用一组彼此相似但不同的算法时，可以使用模板方法模式。

示例一: 制作茶和咖啡

以下示例展示了如何使用模板方法模式来制作一杯咖啡或茶：

abstract class CaffeineBeverage {

    // 模板方法，定义了整个算法的骨架
    final void prepareRecipe() {
        boilWater();
        brew();
        pourInCup();
        addCondiments();
    }

    // 抽象方法
    abstract void brew();

    // 抽象方法
    abstract void addCondiments();

    // 具体方法
    void boilWater() {
        System.out.println("Boiling water");
    }

    // 具体方法
    void pourInCup() {
        System.out.println("Pouring into cup");
    }
}

class Tea extends CaffeineBeverage {

    void brew() {
        System.out.println("Steeping the tea");
    }

    void addCondiments() {
        System.out.println("Adding lemon");
    }
}

class Coffee extends CaffeineBeverage {

    void brew() {
        System.out.println("Dripping Coffee through filter");
    }

    void addCondiments() {
        System.out.println("Adding Sugar and Milk");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        CaffeineBeverage tea = new Tea();
        tea.prepareRecipe();

        CaffeineBeverage coffee = new Coffee();
        coffee.prepareRecipe();
    }
}

在这个示例中，CaffeineBeverage是一个抽象类，它定义了模板方法prepareRecipe、具体方法boilWater和pourInCup，以及抽象方法brew和addCondiments。而Tea和Coffee是两个具体的类，它们继承了CaffeineBeverage类，并实现了抽象方法。

示例二: 制作披萨

以下示例展示了如何使用模板方法模式来制作一个披萨：

abstract class Pizza {
    void prepare() {
        System.out.println("Preparing " + getName());
        System.out.println("Tossing dough...");
        System.out.println("Adding sauce...");
        System.out.println("Adding toppings:");
        for (String topping : getToppings()) {
            System.out.println("\t" + topping);
        }
    }

    void bake() {
        System.out.println("Bake for 25 minutes at 350");
    }

    void cut() {
        System.out.println("Cutting the pizza into diagonal slices");
    }

    void box() {
        System.out.println("Place pizza in official PizzaStore box");
    }

    abstract String getName();

    abstract String[] getToppings();
}

class NYStyleCheesePizza extends Pizza {
    String getName() {
        return "NY Style Sauce and Cheese Pizza";
    }

    String[] getToppings() {
        String[] toppings = {"Grated Reggiano Cheese"};
        return toppings;
    }
}

class ChicagoStyleCheesePizza extends Pizza {
    String getName() {
        return "Chicago Style Deep Dish Cheese Pizza";
    }

    String[] getToppings() {
        String[] toppings = {"Shredded Mozzarella Cheese"};
        return toppings;
    }

    void cut() {
        System.out.println("Cutting the pizza into square slices");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Pizza nyCheesePizza = new NYStyleCheesePizza();
        nyCheesePizza.prepare();
        nyCheesePizza.bake();
        nyCheesePizza.cut();
        nyCheesePizza.box();

        Pizza chicagoCheesePizza = new ChicagoStyleCheesePizza();
        chicagoCheesePizza.prepare();
        chicagoCheesePizza.bake();
        chicagoCheesePizza.cut();
        chicagoCheesePizza.box();
    }
}

在这个示例中，Pizza是一个抽象类，它定义了模板方法prepare、bake、cut和box，以及抽象方法getName和getToppings。而NYStyleCheesePizza和ChicagoStyleCheesePizza是两个具体的类，它们继承了Pizza类，并实现了抽象方法。在实现中，ChicagoStyleCheesePizza重写了cut方法，因为在芝加哥，披萨通常是切成方形的。

总结

模板方法模式是一种行为设计模式，它定义了一个算法的通用骨架，并允许子类提供特定实现。这种模式有助于提高程序的模块化程度，并同时支持代码的重用。在实现过程中，我们需要根据具体情况来评估模板方法模式的适用性，并决定是否使用。