一、基本介紹

模板方法模式（Template Method Pattern）是行為型設計模式，其核心思想是定義算法骨架，將具體步驟延遲到子類實現。如同烹飪菜譜的標準化流程：所有廚師遵循相同的操作流程（備料→烹飪→裝盤），但不同菜系的具體實現步驟存在差異。
模式三要素

• 抽象類（AbstractClass）：定義算法框架（如文件處理流程）；
• 具體子類（ConcreteClass）：實現具體步驟（如PDF解析、Excel解析）；
• 鉤子方法（Hook）：可選擴展點（如數據校驗開關）；

與策略模式對比

維度	模板方法模式	策略模式
控制方向	父類控制流程，子類實現細節	客戶端自主選擇算法
代碼復用率	高（復用算法結構）	低（策略間獨立）
擴展方式	通過繼承擴展	通過組合擴展

二、內部原理剖析

1. 算法骨架固化
抽象類通過非虛函數定義不可變的算法流程，以下載文件為例：

class FileDownloader {
public:void download() {  // 模板方法 checkNetwork();createConnection();transferData();if(needVerify()) verifyHash(); // 鉤子方法 releaseConnection();}
protected:virtual void createConnection() = 0;virtual void transferData() = 0;virtual bool needVerify() { return true; } // 默認開啟校驗 
};

2. 多態擴展機制
子類通過重寫protected方法實現差異邏輯，以下展示HTTP/FTP兩種下載方式：

class HttpDownloader : public FileDownloader {
protected:void createConnection() override {cout << "建立HTTP長連接" << endl;}void transferData() override {cout << "分塊傳輸HTTP數據" << endl;}
};class FtpDownloader : public FileDownloader {
protected:void createConnection() override {cout << "建立FTP被動模式連接" << endl;}void transferData() override {cout << "斷點續傳FTP文件" << endl;}bool needVerify() override { return false; // 關閉校驗 }
};

3. 好萊塢原則
遵循"Don’t call us, we’ll call you"原則，子類不會直接調用父類方法，而是通過父類算法框架被動觸發。

三、應用場景詳解

1. 框架設計
軟件開發框架通常采用模板方法模式定義執行流程。例如測試框架的TestCase基類：

class TestCase {
public:void runTest() {setup();executeTest();teardown();}
protected:virtual void setup() = 0;virtual void executeTest() = 0;virtual void teardown() { /* 默認空實現 */ }
};

2. 文件處理系統
不同格式文件（PDF/DOCX）的解析流程：

class FileParser {
public:void parse() {openFile();readHeader();extractContent();if(supportAnnotation()) parseComments();closeFile();}
protected:virtual void readHeader() = 0;virtual void extractContent() = 0;virtual bool supportAnnotation() { return false; }
};

3. 游戲技能系統
參考戰斗角色技能釋放模板

class SkillTemplate {
public:void execute() {playAnimation();applyEnemyEffect();applySelfEffect();if(hasAftermath()) handleAftermath();}
protected:virtual void applyEnemyEffect() = 0;virtual void applySelfEffect() = 0;virtual bool hasAftermath() { return false; }
};

四、使用方法指南

步驟1：定義抽象模板類

class DataExporter {
public:void exportProcess() {openDataSource();validateData();convertFormat();if(needEncrypt()) encryptData();writeToTarget();}
protected:virtual void openDataSource() = 0;virtual void convertFormat() = 0;virtual void writeToTarget() = 0;virtual bool needEncrypt() { return false; }
};

步驟2：實現具體子類

class CsvExporter : public DataExporter {
protected:void openDataSource() override {cout << "打開數據庫連接" << endl;}void convertFormat() override {cout << "轉換數據為CSV格式" << endl;}void writeToTarget() override {cout << "寫入CSV文件" << endl;}
};class JsonExporter : public DataExporter {
protected:void openDataSource() override {cout << "打開API接口" << endl;}void convertFormat() override {cout << "序列化為JSON" << endl;}void writeToTarget() override {cout << "上傳至云存儲" << endl;}bool needEncrypt() override { return true; }
};

步驟3：客戶端調用

int main() {DataExporter* exporter = new JsonExporter();exporter->exportProcess();  // 自動執行完整流程 delete exporter;return 0;
}

五、常見問題與解決方案

• 問題1：子類必須實現所有抽象方法。
  現象：新增抽象方法導致所有子類需要修改。
  解決方案：
  使用適配器模式提供默認實現；
  拆分為更細粒度的抽象類；

class AdvancedExporter : public DataExporter {
protected:void openDataSource() override { /* 通用實現 */ }virtual void customConvert() = 0;void convertFormat() final {  // 禁止重寫 preProcess();customConvert();postProcess();}
};

• 問題2：模板方法過于僵化。
  現象：算法流程無法適應新需求。
  優化方案：
  引入策略模式替代部分步驟；
  使用模板方法鏈式調用；

class FlexibleExporter : public DataExporter {
protected:void convertFormat() override {Strategy* strategy = getConvertStrategy();strategy->execute();}
};

• 問題3：繼承層次過深。
  現象：多重繼承導致維護困難。
  解決方法：
  采用組合代替繼承；
  使用C++11的final關鍵字限制繼承；

class BasicExporter final : public DataExporter {// 禁止進一步繼承 
};

六、總結與展望

優勢分析

• 流程標準化：確保核心算法的一致性；
• 擴展性強：新增子類無需修改框架代碼；
• 減少重復：公共代碼集中維護（如資源釋放）；

適用性建議

• 多個子類有相同行為模式時；
• 需要嚴格控制執行流程的系統；
• 框架類庫的基礎架構設計；

現代C++增強方向

• 使用constexpr實現編譯期模板方法；
• 通過可變參數模板支持動態步驟；
• 結合RAII技術自動化資源管理；

模板方法模式如同工業生產的流水線，在確保流程標準化的同時，為具體環節提供靈活擴展。該模式在Qt框架、Boost庫等知名項目中廣泛應用，是構建可擴展系統的基石。