目錄

前言

一、模板方法模式的核心思想

二、模板方法模式的結構組成

1. 抽象類（Abstract Class）

2. 具體子類（Concrete Class）

三、C++ 實現示例：咖啡與茶的制作流程

步驟 1：定義抽象類（飲料基類）

步驟 2：實現具體子類（咖啡和茶）

步驟 3：測試代碼

四、模板方法模式的優缺點（C++ 視角）

優點

缺點

五、C++ 中模板方法模式的應用場景

六、C++ 中模板方法模式的注意事項

七、總結

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前言

在面向對象設計中，我們經常會遇到這樣的場景：多個類實現相似的流程，但部分步驟存在差異。如果為每個類重復編寫相同的流程代碼，不僅會導致冗余，還會增加維護成本。模板方法模式正是為解決這類問題而生的 —— 它通過定義統一的流程骨架，將可變步驟延遲到子類實現，完美平衡了流程標準化與細節差異化。

本文將結合 C++ 代碼，深入解析模板方法模式的原理、實現與應用。

一、模板方法模式的核心思想

模板方法模式是一種經典的行為型設計模式，其核心可以概括為：“定義算法骨架，延遲具體實現”。

想象一個場景：制作咖啡和茶的流程高度相似（煮水→沖泡→裝杯→加調料），但 “沖泡” 和 “加調料” 的具體操作不同。模板方法模式會將這些相同的流程步驟抽象到父類，而將不同的步驟聲明為抽象方法，由子類（咖啡、茶）各自實現。

用 C++ 的視角來看，這種模式通過抽象類 + 繼承實現：

• 抽象類負責定義 “流程骨架”（模板方法）；
• 子類負責實現 “可變細節”（抽象方法）。

二、模板方法模式的結構組成

模板方法模式主要包含兩個角色，在 C++ 中通常通過類層次結構實現：

1. 抽象類（Abstract Class）

• 模板方法（Template Method）：一個非虛成員函數（通常用final修飾，防止子類重寫），定義算法的步驟順序，調用其他方法（包括抽象方法和具體方法）。
• 抽象方法（Primitive Operations）：純虛函數，由子類實現的可變步驟。
• 具體方法（Concrete Methods）：普通成員函數，算法中固定不變的步驟（子類無需修改）。
• 鉤子方法（Hook Methods）：虛函數（有默認實現），子類可選擇性重寫，用于控制模板流程的分支（可選）。

2. 具體子類（Concrete Class）

• 繼承抽象類，實現所有純虛的抽象方法；
• 可選重寫鉤子方法，調整流程的執行邏輯。

三、C++ 實現示例：咖啡與茶的制作流程

下面我們用 C++ 實現一個經典案例：咖啡和茶的制作。兩者的流程相似，但 “沖泡” 和 “加調料” 的步驟不同，適合用模板方法模式封裝。

步驟 1：定義抽象類（飲料基類）

首先創建抽象類Beverage，它包含制作飲料的流程骨架和相關方法：

// Beverage.h
#ifndef BEVERAGE_H
#define BEVERAGE_H#include <iostream>
using namespace std;class Beverage {
public:// 模板方法：定義制作流程的骨架，用final防止子類修改（C++11及以上支持）void prepareRecipe() final {boilWater();       // 固定步驟：煮水brew();            // 抽象方法：沖泡（子類實現）pourInCup();       // 固定步驟：倒入杯子addCondiments();   // 抽象方法：加調料（子類實現）if (customerWantsCondiments()) {  // 鉤子方法：判斷是否加額外調料addExtraCondiments();         // 可選步驟：加額外調料}}protected:// 抽象方法：沖泡（純虛函數，子類必須實現）virtual void brew() = 0;// 抽象方法：加調料（純虛函數，子類必須實現）virtual void addCondiments() = 0;// 鉤子方法：默認返回true（加額外調料），子類可重寫virtual bool customerWantsCondiments() {return true;}private:// 具體方法：固定步驟——煮水（子類無需修改）void boilWater() {cout << "煮水至沸騰" << endl;}// 具體方法：固定步驟——倒入杯子（子類無需修改）void pourInCup() {cout << "倒入杯中" << endl;}// 具體方法：可選步驟——加額外調料（固定邏輯）void addExtraCondiments() {cout << "添加額外糖/奶" << endl;}
};#endif // BEVERAGE_H

代碼說明：

• prepareRecipe()是模板方法，用final確保子類無法修改流程順序；
• brew()和addCondiments()是純虛函數（抽象方法），必須由子類實現；
• customerWantsCondiments()是鉤子方法，提供默認實現，子類可重寫以改變流程分支；
• boilWater()、pourInCup()等是具體方法，封裝固定步驟，子類無需關心。

步驟 2：實現具體子類（咖啡和茶）

接下來創建Coffee和Tea類，繼承Beverage并實現抽象方法：

Coffee

// Coffee.h
#ifndef COFFEE_H
#define COFFEE_H#include "Beverage.h"class Coffee : public Beverage {
protected:// 實現抽象方法：咖啡的沖泡邏輯void brew() override {cout << "用沸水沖泡咖啡粉" << endl;}// 實現抽象方法：咖啡的加調料邏輯void addCondiments() override {cout << "加牛奶和糖" << endl;}// 重寫鉤子方法：咖啡默認不加額外調料bool customerWantsCondiments() override {return false; // 不執行addExtraCondiments()}
};#endif // COFFEE_H

Tea

// Tea.h
#ifndef TEA_H
#define TEA_H#include "Beverage.h"class Tea : public Beverage {
protected:// 實現抽象方法：茶的沖泡邏輯void brew() override {cout << "用沸水浸泡茶葉" << endl;}// 實現抽象方法：茶的加調料邏輯void addCondiments() override {cout << "加檸檬" << endl;}// 不重寫鉤子方法，使用父類默認邏輯（加額外調料）
};#endif // TEA_H

代碼說明：

• Coffee和Tea分別實現了brew()和addCondiments()，定義各自的差異化步驟；
• Coffee重寫了鉤子方法customerWantsCondiments()，返回false以跳過 “加額外調料” 步驟；
• Tea未重寫鉤子方法，使用父類默認實現（返回true），因此會執行 “加額外調料”。

步驟 3：測試代碼

最后編寫測試代碼，驗證模板方法的執行效果：

// main.cpp
#include "Coffee.h"
#include "Tea.h"int main() {// 制作咖啡Beverage* coffee = new Coffee();cout << "制作咖啡：" << endl;coffee->prepareRecipe();// 制作茶Beverage* tea = new Tea();cout << "\n制作茶：" << endl;tea->prepareRecipe();// 釋放資源delete coffee;delete tea;return 0;
}

輸出結果：

制作咖啡：
煮水至沸騰
用沸水沖泡咖啡粉
倒入杯中
加牛奶和糖制作茶：
煮水至沸騰
用沸水浸泡茶葉
倒入杯中
加檸檬
添加額外糖/奶

結果分析：

• 咖啡和茶都遵循了prepareRecipe()定義的流程骨架；
• 差異化步驟（brew()、addCondiments()）按子類實現執行；
• 鉤子方法控制了流程分支：咖啡跳過 “加額外調料”，茶則執行了該步驟。

四、模板方法模式的優缺點（C++ 視角）

優點

1. 代碼復用：將公共流程（如boilWater()）抽取到抽象類，減少重復代碼；
2. 符合開閉原則：新增飲料（如奶茶）只需繼承Beverage并實現抽象方法，無需修改父類；
3. 流程可控：父類通過final修飾模板方法，避免子類破壞流程邏輯；
4. 邏輯清晰：算法的核心步驟在父類中集中體現，便于維護。

缺點

1. 類數量膨脹：每增加一個具體實現就需要一個子類，可能導致類數量過多；
2. 繼承局限性：C++ 不支持多繼承，子類若需復用多個模板流程會受限制；
3. 耦合性：子類與父類的依賴較強，父類的修改可能影響所有子類。

五、C++ 中模板方法模式的應用場景

1. 框架設計
   C++ 框架常通過模板方法模式定義核心流程，讓用戶通過子類定制細節。例如：

   • MFC 框架的Run()方法：定義了消息循環的骨架，用戶重寫OnDraw()等方法處理具體消息；
   • 測試框架（如 Google Test）：Test類定義了測試用例的執行流程，用戶實現SetUp()和TearDown()定制前后置操作。

2. 業務流程標準化
   當多個業務場景共享相似流程但細節不同時，例如：

   • 支付流程（創建訂單→驗證→扣款→回調）：不同支付方式（微信 / 支付寶）的 “扣款” 步驟不同；
   • 數據處理流程（讀取→解析→過濾→存儲）：不同數據格式（JSON/XML）的 “解析” 步驟不同。

3. 鉤子方法的靈活使用
   需要根據子類特性動態調整流程時，例如：

   • 日志框架：通過鉤子方法控制是否輸出調試日志；
   • 游戲 AI：通過鉤子方法決定角色在特定條件下的行為分支。

六、C++ 中模板方法模式的注意事項

1. 模板方法用final修飾
   C++11 及以上支持final關鍵字，修飾模板方法可防止子類意外修改流程順序，例如：

   void prepareRecipe() final { ... } // 禁止子類重寫
   

2. 抽象方法與鉤子方法的區分

   • 必須實現的步驟用純虛函數（virtual void func() = 0）；
   • 可選重寫的步驟用虛函數（提供默認實現），即鉤子方法。

3. 避免過度設計
   若流程差異較小，不必強行使用模板方法模式，否則可能增加代碼復雜度。

七、總結

模板方法模式是 C++ 中實現 “流程復用 + 細節定制” 的經典模式，它通過抽象類定義算法骨架，用子類填充可變細節，既保證了流程的一致性，又保留了靈活性。

在 C++ 開發中，合理使用模板方法模式可以顯著減少重復代碼，提高系統的可維護性。但需注意平衡繼承帶來的耦合性，必要時可結合策略模式（通過組合實現）彌補繼承的局限性。

掌握模板方法模式，不僅能寫出更優雅的 C++ 代碼，更能理解許多 C++ 框架的設計思想 ——“骨架由框架定，細節由開發者填”。