【愚公系列】2023年10月 二十三种设计模式(二十二)-模板方法模式(Template Method Pattern)
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🚀前言
设计模式（Design Pattern）是软件开发领域的宝贵经验，是多人反复借鉴和广泛应用的代码设计指导。它们是一系列经过分类和归纳的代码组织方法，旨在实现可重用性、可维护性和可理解性。使用设计模式，我们能够编写高质量的代码，使其更易于他人理解，并提供了代码可靠性的保证。
毫无疑问，设计模式对个人、团队和整个系统都带来了显著的益处。它们将代码开发提升到工程化水平，为软件工程构建提供了坚实的基础，就如同大厦的一块块精巧的砖石一样。在项目中明智地应用设计模式可以完美地解决各种复杂问题。每种设计模式都有相应的原理和最佳实践，它们描述了我们日常开发中不断遇到的问题，以及这些问题的核心解决方法。正是因为这种实用性和通用性，设计模式才能在软件开发中广泛地得以应用。设计模式是构建稳健、可扩展和可维护软件的关键工具，为开发者们提供了解决问题的智慧和指导。
🚀一、模板方法模式(Template Method Pattern)
模板方法模式（Template Method Pattern）是一种行为设计模式，它定义了一个算法的框架，并将某些步骤延迟到子类中实现，以便子类可以重新定义算法的某些步骤而不改变算法的结构。
模板方法模式主要解决的问题是在不改变算法框架的情况下，允许子类重新定义算法的某些步骤。模板方法模式通常由一个抽象类和多个具体子类组成。抽象类中定义算法的框架，具体子类实现算法的具体步骤。
模板方法模式有以下几个角色：
抽象类（Abstract Class）：定义了算法的框架，其中某些步骤由具体子类实现。
具体子类（Concrete Class）：实现抽象类中定义的某些步骤，以便重新定义算法的行为。
模板方法模式的优点：
提高代码复用性。将通用代码放在抽象类中实现，具体子类只需实现自己的特殊代码，从而减少了重复代码。
提高代码可扩展性。由于具体子类可以重新定义算法的某些步骤，从而增加算法的灵活性和可扩展性。
提高代码的安全性。把重要的逻辑放在抽象类中实现，避免了具体子类乱改重要逻辑的风险。
模板方法模式的缺点：
由于在抽象类中定义了算法框架，因此增加了系统的抽象性和理解难度。
如果算法框架需要频繁变动，则模板方法模式不太适用。
在实际开发中，模板方法模式常用于框架设计中，例如在Spring框架中，JdbcTemplate就是模板方法模式的典型应用。同时，模板方法模式也可以用于日志框架、数据库访问框架、网络通信框架等领域。
🚀二、使用步骤
🔎1.角色
🦋1.1 抽象类（Abstract Class）
模板方法模式（Template Method Pattern）是一种常见的行为型设计模式，它在面向对象编程中使用抽象类（Abstract Class）的概念来实现。
抽象类的概念和作用在模板方法模式中是非常关键的：
抽象类概念：抽象类是一种不能被实例化的类，它定义了一组抽象方法和具体方法。抽象方法是在抽象类中声明但没有具体实现的方法，而具体方法则有默认实现。抽象类通常用于定义一个通用的算法框架，其中的某些步骤由子类来实现。
作用：
- 定义算法框架：抽象类用于定义一个算法或操作的框架，其中包含了一系列步骤，这些步骤可以是抽象的，由子类来实现。
- 强制子类实现：抽象类中的抽象方法要求子类必须提供具体的实现，从而确保了特定步骤的定制化。
- 代码复用：抽象类中的具体方法可以被多个子类共享，从而提高了代码的复用性。
- 封装不变部分：抽象类将算法框架中不变的部分封装在具体方法中，保持了一致性，而将可变的部分留给子类实现，以满足不同需求。
在模板方法模式中，抽象类通常包含一个模板方法，该方法定义了算法的结构，包括一系列的步骤调用，其中的某些步骤由抽象方法或子类实现。这样，子类可以继承抽象类，并根据具体需求实现特定的步骤，同时保持了整体算法的一致性和可维护性。这种方式有助于降低代码的耦合度，提高了代码的可扩展
🦋1.2 具体类（Concrete Class)
模板方法模式（Template Method Pattern）中，具体类（Concrete Class）是指实际用于实现模板方法的子类。具体类扮演着重要的角色，具体化了抽象模板中的抽象方法，从而实现了特定的行为。
具体类的概念和作用如下：
概念：具体类是继承自抽象类的子类，它们提供了对抽象方法的具体实现，以适应特定的需求。在模板方法模式中，可以有多个具体类，每个具体类代表了不同的实现方式。
作用：
- 实现抽象方法：具体类必须实现在抽象类中声明的所有抽象方法。这些方法代表了在模板方法中特定步骤的实际行为。
- 定制化行为：每个具体类可以根据自身的需求，为抽象方法提供具体的实现，从而定制化算法的某些部分。
- 提供具体内容：具体类中的方法实现具体的功能，将抽象方法具体化，从而在整个模板方法中完成具体的业务逻辑。
- 多态性：使用具体类实现多态性，允许不同的具体类在相同的抽象模板下执行不同的操作，而客户端代码可以通过抽象类来操作这些具体类，实现松耦合。
具体类的作用在于充实了模板方法的具体细节，使得模板方法模式能够灵活应对不同情境下的需求，同时保持了共同的模板结构。这种模式有助于降低代码的重复性，增加了代码的可维护性和可扩展性，因为可以轻松地添加新的具体类以扩展功能。
🔎2.示例
命名空间TemplateMethod中包含DataSource数据源抽象类，其中有一些实例方法、抽象方法和钩子方法（IsNotJson），ShowChart方法使用数据源显示一个图表。本示例使用这个案例来向大家讲解模板方法模式的实现要领。
public abstract class DataSource {
protected abstract void FetchSource();
protected virtual bool IsNotJson() {
return true;
}
protected abstract void Convert2Json();
protected abstract void ShowData();
public void ShowChart() {
FetchSource();
if (IsNotJson()) {
Convert2Json();
}
ShowData();
Console.WriteLine("----------------------------------");
}
}
数据源抽象基类DataSouce，包含取数据FetchSource方法，是否是Json数据IsNotJson方法，转化成Json格式Convert2Json方法，最后是显示数据图表ShowChart方法。
public class TextData : DataSource {
protected override void FetchSource() {
Console.WriteLine($"Fetch data from {this.ToString()}!");
}
protected override void Convert2Json() {
Console.WriteLine($"Convert {this.ToString()} to Json!");
}
protected override void ShowData() {
Console.WriteLine($"Show data in chart control!");
}
}
文本数据源TextData类。
public class BinaryData : DataSource {
protected override void FetchSource() {
Console.WriteLine($"Fetch data from {this.ToString()}!");
}
protected override void Convert2Json() {
Console.WriteLine($"Convert {this.ToString()} to Json!");
}
protected override void ShowData() {
Console.WriteLine($"Show data in chart control!");
}
}
二进制数据源BinaryData类。
public class JsonData : DataSource {
protected override void FetchSource() {
Console.WriteLine($"Fetch data from {this.ToString()}!");
}
protected override bool IsNotJson() {
return false;
}
protected override void Convert2Json() {
Console.WriteLine("This line can not be reached!");
Console.WriteLine("There's no need to convert data!");
}
protected override void ShowData() {
Console.WriteLine($"Show data in chart control!");
}
}
Json数据源JsonData类。
public class CloudData : DataSource {
protected override void FetchSource() {
Console.WriteLine($"Fetch data from {this.ToString()}!");
}
protected override void Convert2Json() {
Console.WriteLine($"Convert {this.ToString()} to Json!");
}
protected override void ShowData() {
Console.WriteLine($"Show data in chart control!");
}
}
云数据源CloudData类。
public class Program {
private static DataSource _dataSource = null;
public static void Main(string[] args) {
_dataSource = new TextData();
_dataSource.ShowChart();
_dataSource = new BinaryData();
_dataSource.ShowChart();
_dataSource = new JsonData();
_dataSource.ShowChart();
_dataSource = new CloudData();
_dataSource.ShowChart();
Console.ReadKey();
}
}
以上是调用方的代码，以下是这个案例的输出结果：
Fetch data from TemplateMethod.TextData!
Convert TemplateMethod.TextData to Json!
Show data in chart control!
----------------------------------
Fetch data from TemplateMethod.BinaryData!
Convert TemplateMethod.BinaryData to Json!
Show data in chart control!
----------------------------------
Fetch data from TemplateMethod.JsonData!
Show data in chart control!
----------------------------------
Fetch data from TemplateMethod.CloudData!
Convert TemplateMethod.CloudData to Json!
Show data in chart control!
----------------------------------
🚀总结
🔎1.优点
模板方法模式（Template Method Pattern）有许多优点，使其成为一种常用的设计模式之一。以下是模板方法模式的一些主要优点：
代码复用：模板方法模式通过将共同的行为移到抽象父类中，可以在不同的具体子类中重复使用这些代码。这降低了代码的重复性，提高了代码的复用性。
封装不变部分：抽象父类中的模板方法定义了算法的骨架，其中包含了不变的部分。这些不变的部分被封装在抽象父类中，确保了一致性，减少了代码的冗余。
可扩展性：模板方法模式通过具体子类来实现特定的步骤，允许系统在不修改整体算法结构的情况下，添加新的子类以扩展功能。这增强了系统的可扩展性。
高内聚低耦合：抽象父类中的模板方法将相似的操作聚合在一起，减少了不必要的耦合，提高了代码的内聚性。具体子类之间的耦合性也较低，因为它们独立实现自己的具体行为。
提高了代码的可维护性：将具体实现从抽象方法中分离出来，使得每个子类都相对简单，易于理解和维护。这有助于降低系统的维护成本。
促进了代码的一致性：模板方法模式确保了在不同的子类中，相同的步骤以相同的方式执行，从而提高了代码的一致性和可预测性。
支持反向控制：模板方法模式允许子类对抽象父类中的模板方法进行反向控制，通过实现不同的具体方法来改变父类中的行为。
易于理解：模板方法模式使整个算法的结构更加清晰，因为它将算法的关键步骤抽象出来，使得代码的逻辑更易于理解。
模板方法模式提供了一种有效的方式来实现代码重用、提高可维护性和可扩展性，并在系统中建立了一种有组织的算法框架。这使得它在许多领域和场景中都非常有
🔎2.缺点
尽管模板方法模式（Template Method Pattern）具有许多优点，但也存在一些缺点和限制，需要在使用时考虑：
限制了部分灵活性：模板方法模式在一定程度上限制了子类的自由度。因为它规定了算法的框架，子类必须按照这个框架来实现具体的步骤，这可能不适用于所有情况。
不适合复杂算法变种：如果算法的变种非常复杂，模板方法模式可能会导致类的层次结构变得复杂和难以维护。在这种情况下，可能需要考虑其他设计模式来更灵活地处理不同的变种。
困难的子类维护：当存在多个具体子类时，维护这些子类可能会变得复杂，尤其是在添加新的具体子类或修改现有的子类时。这可能导致类的数量增加，增加了系统的复杂性。
可能违反单一责任原则：如果不小心，模板方法模式可能导致将太多的责任放在抽象父类中，使其变得过于庞大，违反了单一责任原则。这可能导致难以理解和维护的代码。
不容易适应变化：如果算法中的某个步骤需要在不同的情况下具有不同的行为，模板方法模式可能不够灵活，需要修改抽象父类或引入条件语句来处理这种情况。
可能引入性能开销：在模板方法中，每个步骤都是一个方法调用，这可能会引入一定的性能开销，尤其是在算法非常复杂的情况下。
不适合所有情况：模板方法模式并不适用于所有类型的问题。它更适用于那些具有相似算法结构但具体实现不同的情况。
模板方法模式是一种有用的设计模式，但它不是解决所有问题的银弹。在使用时，需要仔细权衡其优点和缺点，确保它适合特定的情境和需求。有时候，其他设计模式可能更适合处理复杂的算法变种或更灵活的情况。
🔎3.使用场景
模板方法模式（Template Method Pattern）适用于以下一些常见场景和情况：
算法框架固定，但具体步骤可变：当一个算法的基本框架在不同情况下保持不变，但其中一些具体步骤的实现可能有所不同时，模板方法模式非常有用。它允许将不变部分抽象到父类中，而将可变部分延迟到子类中实现。
避免代码重复：如果多个类中存在相似的代码，可以使用模板方法模式来避免重复实现这些代码。将共同的行为移到抽象父类中，减少了冗余代码。
定义算法的骨架：模板方法模式帮助你定义一个算法的基本骨架，使得整个算法结构更清晰。这对于其他开发人员理解和维护代码非常有帮助。
在框架设计中使用：在框架或库的设计中，模板方法模式常用于定义一组标准接口和抽象类，以供开发者进行扩展和自定义。这种情况下，具体的扩展点留给了开发者，而框架提供了整体结构。
实现不同层次的抽象：模板方法模式可以用于多层次的抽象，其中一个抽象父类定义了算法的高级骨架，而具体子类可以进一步细化这个算法。
支持代码的一致性和可维护性：当需要确保在不同子类中相同的步骤以相同的方式执行时，模板方法模式非常有用。它提供了一种方式来强制一致性，并提高了代码的可维护性。
扩展性：模板方法模式允许轻松地添加新的具体子类，以扩展功能。这在需要不断增加新功能的系统中非常有用。
模板方法模式适用于那些需要定义算法框架，但允许不同部分有不同实现的情况。它有助于提高代码的可重用性、可维护性和可扩展性，并确保一致性的代码执行。因此，在需要满足这些需求的软件设计中，模板方法模式是一个有力的工具。
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