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C++设计模式 - 模板模式

article 2025/2/13 16:59:41

一：概述

模板方法（Template Method）是一种行为型设计模式。它定义了一个算法的基本框架，并且可能是《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中最常用的设计模式之一。

模板方法的核心思想很容易理解。我们需要定义一个包含多个固定步骤的算法框架。具体的实现类只能重写这些步骤，但不能改变整体框架。这些步骤通常被称为钩子方法（hook methods）。

二：设计思想

定义一个包含多个典型步骤的算法框架。
子类可以调整这些步骤，但不能改变整体框架。

三：使用场景

需要使用算法的不同版本。
这些算法版本由相似的步骤组成。

四：模式结构

AbstractClass（抽象类）

定义算法的结构，由多个步骤组成。
算法的步骤可以是虚函数或纯虚函数。

ConcreteClass（具体类）

根据需要重写算法的特定步骤。

五：代码示例

#include <iostream>

// 抽象基类，定义模板方法
class Meal {
public:
    // 模板方法，final 关键字确保子类不能重写该方法
    void prepareMeal() {  
        boilWater();              // 步骤 1：烧水
        cook();                   // 步骤 2：烹饪，子类需要实现
        serve();                  // 步骤 3：上菜
    }

    virtual ~Meal() = default;

private:
    void boilWater() {                // 步骤 1：烧水，所有餐食共享的步骤
        std::cout << "Boiling water\n";
    }

    virtual void cook() = 0;          // 步骤 2：烹饪，子类必须实现
    virtual void serve() = 0;         // 步骤 3：上菜，子类必须实现
};

// 具体子类：制作汤
class Soup : public Meal {
private:
    void cook() override {            // 实现具体的烹饪步骤
        std::cout << "Cooking soup\n";
    }

    void serve() override {           // 实现具体的上菜步骤
        std::cout << "Serving soup\n";
    }
};

// 具体子类：制作沙拉
class Salad : public Meal {
private:
    void cook() override {            // 实现具体的烹饪步骤
        std::cout << "Preparing salad\n";
    }

    void serve() override {           // 实现具体的上菜步骤
        std::cout << "Serving salad\n";
    }
};

int main() {
    std::cout << "Preparing meal of Soup:\n";
    Meal* meal = new Soup();
    meal->prepareMeal();              // 调用模板方法，自动完成一系列步骤
    delete meal;

    std::cout << "\nPreparing meal of Salad:\n";
    meal = new Salad();
    meal->prepareMeal();              // 调用模板方法，自动完成一系列步骤
    delete meal;

    return 0;
}

六：相关模式

模板方法模式和策略模式的使用场景非常相似。两者都允许提供算法的不同变体。模板方法模式通过子类化在类级别上实现，而策略模式通过对象组合在对象级别上实现。策略模式将不同的策略作为对象提供，因此可以在运行时交换策略。模板方法模式倒置了控制流，遵循好莱坞原则：“别找我们，我们来找你”。策略模式通常是一个黑盒，它允许你在不需要了解其细节的情况下替换策略。