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设计模式——模板模式

article 2024/11/25 7:30:00

定义与基本概念

模板模式（Template Pattern）是一种行为设计模式。它在一个抽象类中定义了一个操作的算法骨架，将一些步骤的实现延迟到具体子类中。这个抽象类就像是一个模板，定义了执行某个流程的基本框架，而具体的细节可以由不同的子类根据自身的需求来填充。
例如，在制作饮品的过程中，制作饮品的流程（如准备材料、混合材料、添加调料、包装等）可以看作是一个模板。不同的饮品（如咖啡、茶）在这个流程的某些具体步骤（如混合材料、添加调料）上会有不同的做法，但整体的流程框架是相似的。

结构组成

抽象模板（Abstract Template）类：
它定义了一个或多个抽象方法，这些方法代表了算法中的某些步骤，其具体实现将由具体子类完成。同时，抽象模板类还定义了一个模板方法（Template Method），这个方法规定了算法的骨架，它按照一定的顺序调用其他方法（包括抽象方法和具体方法）。以饮品制作的例子来说，抽象模板类可能定义了prepare()（抽象方法，准备材料）、mix()（抽象方法，混合材料）、addSeasoning()（抽象方法，添加调料）、package()（具体方法，包装）和makeDrink()（模板方法）。makeDrink()方法的实现可能是按照准备材料、混合材料、添加调料、包装的顺序调用其他方法。
具体模板（Concrete Template）类：
继承自抽象模板类，实现了抽象模板类中的抽象方法。每个具体模板类代表了一种具体的实现方式，根据不同的业务需求来填充抽象方法的具体内容。在饮品制作的例子中，Coffee类和Tea类是具体模板类，Coffee类的prepare()方法可能是准备咖啡豆和水，mix()方法可能是研磨咖啡豆后煮咖啡，addSeasoning()方法可能是加糖和奶；而Tea类的prepare()方法可能是准备茶叶和水，mix()方法可能是泡茶，addSeasoning()方法可能是加柠檬片。

工作原理

客户端代码创建具体模板类的对象，然后调用抽象模板类中定义的模板方法。模板方法在执行过程中，会按照预先定义的顺序调用其他方法，其中抽象方法的具体实现由具体模板类提供。这样，不同的具体模板类就可以在遵循相同算法骨架的基础上，实现不同的具体行为。
例如，在一个数据处理系统中，有一个抽象的数据处理模板类，它定义了loadData()（抽象方法）、processData()（抽象方法）、saveData()（具体方法）和execute()（模板方法）。execute()方法按照先loadData()，再processData()，最后saveData()的顺序调用其他方法。具体的数据处理子类（如TextDataProcessor和ImageDataProcessor）实现了loadData()和processData()方法，以适应不同类型数据的处理方式。当客户端代码调用TextDataProcessor对象的execute()方法时，就会按照TextDataProcessor类实现的loadData()和processData()方法以及DataProcessor类（抽象模板类）定义的saveData()方法来完成文本数据的处理流程。

代码示例

以下是一个简单的 C++ 模板模式示例，以文件处理为例。

首先是抽象模板类：

class FileHandler {
public:
    void processFile() {
        openFile();
        readFile();
        processContents();
        closeFile();
    }
    virtual void openFile() = 0;
    virtual void readFile() = 0;
    virtual void processContents() = 0;
    void closeFile() {
        std::cout << "文件已关闭。" << std::endl;
    }
};

然后是具体模板类，以文本文件处理为例：

class TextFileHandler : public FileHandler {
public:
    void openFile() override {
        std::cout << "打开文本文件。" << std::endl;
    }
    void readFile() override {
        std::cout << "读取文本文件内容。" << std::endl;
    }
    void processContents() override {
        std::cout << "处理文本文件内容。" << std::endl;
    }
};

另一个具体模板类，以二进制文件处理为例：

class BinaryFileHandler : public FileHandler {
public:
    void openFile() override {
        std::cout << "打开二进制文件。" << std::endl;
    }
    void readFile() override {
        std::cout << "读取二进制文件内容。" << std::endl;
    }
    void processContents() override {
        std::cout << "处理二进制文件内容。" << std::endl;
    }
};

使用示例：

int main() {
    TextFileHandler textHandler;
    textHandler.processFile();
    std::cout << "------------------------" << std::endl;
    BinaryFileHandler binaryHandler;
    binaryHandler.processFile();
    return 0;
}

优点

代码复用性高：
抽象模板类定义的算法骨架可以被多个具体子类复用。在上述文件处理的例子中，processFile()方法的流程（打开文件、读取文件、处理内容、关闭文件）在文本文件处理和二进制文件处理中都可以使用，减少了代码的重复编写。
可维护性好：
由于算法的骨架和具体步骤的实现分离，当需要修改算法的整体流程时，只需要在抽象模板类中修改模板方法；当需要修改某个具体步骤的实现时，只需要在相应的具体子类中进行修改。例如，在一个软件系统的用户注册流程中，如果需要修改注册的整体流程（如增加验证步骤），可以在抽象的注册模板类中修改模板方法；如果需要修改某个验证方式（如密码验证），可以在具体的注册子类中修改相应的抽象方法的实现。
符合开闭原则：
可以很容易地通过创建新的具体子类来扩展系统的功能，而不需要修改已有的代码。比如，在文件处理系统中，如果要增加一种新的文件类型（如 XML 文件）的处理，只需要创建一个新的XMLFileHandler类，实现抽象模板类中的抽象方法即可。

缺点

可能导致类层次复杂：
如果有多个抽象方法需要具体子类实现，并且具体子类的数量较多，会导致类层次结构变得复杂。例如，在一个复杂的工作流系统中，每个工作流步骤都可能有多个抽象方法需要具体子类实现，随着工作流类型的增加，类的数量和层次结构会变得难以管理。
子类的灵活性有限：
具体子类必须遵循抽象模板类定义的算法骨架，这在一定程度上限制了子类的灵活性。如果某个具体子类需要对算法骨架进行较大的修改，可能需要重新设计整个类结构，或者采用其他设计模式来解决。

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