（九）模板方法模式詳解（包含與類加載器不得不說的故事）

?作者：zuoxiaolong8810（左瀟龍），轉載請注明出處，特別說明：本博文來自博主原博客，為保證新博客中博文的完整性，特復制到此留存，如需轉載請注明新博客地址即可。

????????????????? 模板方法模式，這是一個在許多優秀的開源項目中LZ見的最多的一個設計模式，也是LZ覺得最為優秀的一個設計模式，所以這一章LZ會盡自己所能的去盡量將這個設計模式解釋清楚。

????????????????? 模板方法模式，一般是為了統一子類的算法實現步驟，所使用的一種手段或者說是方式。它在父類中定義一系列算法的步驟，而將具體的實現都推遲到子類。

????????????????? 最典型的形式就是一個接口，一個抽象父類，父類中會有一系列的抽象方法，而在子類中去一一實現這些方法。

????????????????? 下面LZ給舉一個例子，比如我們有一個接口，里面就一個方法，是用來制造一個HTML頁面，如下。

public interface PageBuilder {String bulidHtml();}

???????????????? 這個接口很簡單，就是直接制造一個Html頁面的內容，假設我們不使用模板方法模式，直接讓各個子類去直接實現這個接口，那么肯定實現的方式千奇百怪，而且步驟也亂七八糟的，這樣實在不利于維護和擴展。所以我們可以使用模板方法模式，將這個過程給制定好，然后把具體的內容填充交給子類就好，這樣這些子類生成的HTML頁面就會非常一致。

???????????????? 基于這個目的，我們定義如下抽象類，去實現這個接口，并且我們定義好步驟。

public abstract class AbstractPageBuilder implements PageBuilder{private StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();public String bulidHtml() {//首先加入doctype,因為都是html頁面,所以我們父類不需要推遲給子類實現,直接在父類實現stringBuffer.append("<!DOCTYPE html PUBLIC \"-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN\" \"http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-strict.dtd\">");//頁面下面就是成對的一個HTML標簽，我們也在父類加入,不需要給子類實現stringBuffer.append("<html xmlns=\"http://www.w3.org/1999/xhtml\">");//下面就應該是head標簽里的內容了,這個我們父類做不了主了,推遲到子類實現,所以我們定義一個抽象方法,讓子類必須實現
        appendHead(stringBuffer);//下面是body的內容了，我們父類依然無法做主，仍然推遲到子類實現
        appendBody(stringBuffer);//html標簽的關閉stringBuffer.append("</html>");return stringBuffer.toString();}//第一個模板方法protected abstract void appendHead(StringBuffer stringBuffer);//第二個模板方法protected abstract void appendBody(StringBuffer stringBuffer);}

? ? ? ? ? ? ? 上面LZ已經加了注釋，這下我們如果要制作一個html頁面，就直接繼承我們的抽象父類就可以了，而我們的子類只需要實現兩個模板方法，就可以成功完成html頁面的創建，下面LZ給出一個子類，我們隨意制造一個html頁面。

public class MyPageBuilder extends AbstractPageBuilder{@Overrideprotected void appendHead(StringBuffer stringBuffer) {stringBuffer.append("<head><title>你好</title></head>");}@Overrideprotected void appendBody(StringBuffer stringBuffer) {stringBuffer.append("<body><h1>你好,世界！</h1></body>");}public static void main(String[] args) {PageBuilder pageBuilder = new MyPageBuilder();System.out.println(pageBuilder.bulidHtml());}}

? ? ? ? ? ? ? ?我們簡單的加入一個head和body標簽，然后創建測試類運行一下，就會發現，我們按照父類給的標準模板，生成了一個html頁面。

? ? ? ? ? ? ? ?這樣做的方式的好處是，父類可以規范子類的創建過程，便于我們維護，而且子類也更省事，因為像doctype包括html標簽都是一樣的，所以子類不再需要關心這些。當然上述LZ寫的有點粗糙，其實我們可以定義的更仔細一點，比如head標簽里，第一個是title，然后是meta等等。但作為例子，我們還是遵循簡單的原則，主要還是想給各位傳達模板方法模式的思想。

? ? ? ? ? ? ? ?模板方法模式是所有設計模式當中，LZ覺得最無侵入性的模式，因為它的好處實在是太明顯了。模板方法模式并不強制接口的實現類必須繼承，所以不會對子類造成任何影響，而如果子類的實現可以配得上模板類的模板，那么就可以享受模板方法模式帶來的好處。

???????????????通常情況下，模板方法模式用于定義構建某個對象的步驟與順序，或者定義一個算法的骨架。

???????????????我們剛才的示例明顯就是構建一個String對象的過程，在這里要聲明一點，對于模板方法模式，父類提供的構建步驟和順序或者算法骨架，通常是不希望甚至是不允許子類去覆蓋的，所以在某些場景中，可以直接將父類中提供骨架的方法聲明為final類型。

? ? ? ? ? ? ? ?模板方法模式還有一種使用的方式，為了給子類足夠的自由度，可以提供一些方法供子類覆蓋，去實現一些骨架中不是必須但卻可以有自定義實現的步驟。

? ? ? ? ? ? ? ?比如上述的例子當中，我們應該都知道，HTML頁面中有一些標簽是可有可無的。比如meta標簽，link標簽，script標簽等。那么我們可以將剛才的例子細化一下，去看一下上面說的供子類覆蓋的方法是什么。我們將剛才的抽象父類細化成如下形式。

public abstract class AbstractPageBuilder implements PageBuilder{private static final String DEFAULT_DOCTYPE = "<!DOCTYPE html PUBLIC \"-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN\" \"http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-strict.dtd\">";private static final String DEFAULT_XMLNS = "http://www.w3.org/1999/xhtml";private StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();public String bulidHtml() {stringBuffer.append(DEFAULT_DOCTYPE);stringBuffer.append("<html xmlns=\"" + DEFAULT_XMLNS + "\">");stringBuffer.append("<head>");appendTitle(stringBuffer);appendMeta(stringBuffer);appendLink(stringBuffer);appendScript(stringBuffer);stringBuffer.append("</head>");appendBody(stringBuffer);stringBuffer.append("</html>");return stringBuffer.toString();}protected void appendMeta(StringBuffer stringBuffer){}protected void appendLink(StringBuffer stringBuffer){}protected void appendScript(StringBuffer stringBuffer){}protected abstract void appendTitle(StringBuffer stringBuffer);protected abstract void appendBody(StringBuffer stringBuffer);}

????????????????可以看到，我們將head標簽的生成過程更加細化了，分成四個方法，title，meta，link和script。但是這四個里面appendTitle是模板方法，子類必須實現，而其它三個則是普通的空方法。

??????????????? 那么上述三個方法，就是留給子類覆蓋的，當然子類可以選擇不覆蓋，那么生成的HTML就沒有meta，link和script這三種標簽，如果想有的話，就可以覆蓋其中任意一個，比如下面這樣。

public class MyPageBuilder extends AbstractPageBuilder{protected void appendMeta(StringBuffer stringBuffer) {stringBuffer.append("<meta http-equiv=\"Content-Type\" content=\"text/html; charset=utf-8\" />");}protected void appendTitle(StringBuffer stringBuffer) {stringBuffer.append("<title>你好</title>");}protected void appendBody(StringBuffer stringBuffer) {stringBuffer.append("<body>你好，世界！</body>");}public static void main(String[] args) {PageBuilder pageBuilder = new MyPageBuilder();System.out.println(pageBuilder.bulidHtml());}}

??????????????? 我們覆蓋了appendMeta方法，所以我們就可以在head標簽中生成一個meta標簽。如果各位看過上章的適配器模式，其實這里和缺省適配很像，目的都是一樣的，因為如果把appendMeta也寫成抽象方法，那么子類就必須實現，但是meta標簽又不是必須的，所以子類就有可能把appendMeta，appendLink，appendScript方法全空著了。

????????????????所以為了不強制子類實現不必要的抽象方法，但又不剝奪子類自由選擇的權利，我們在父類提供一個默認的空實現，來讓子類自由選擇是否要覆蓋掉這些方法。

??????????????? 說到模板方法模式，我們JDK當中有一個類與它還有一個不得不說的故事，那就是類加載器。

??????????????? JDK類加載器可以大致分為三類，分別是啟動類加載器，擴展類加載器，以及應用程序加載器。

????????????????這三者加載類的路徑分別為如下：

????????????????啟動類加載器：JAVA_HOME/lib目錄下，以及被-Xbootcalsspath參數設定的路徑，不過啟動類加載器加載的類是有限制的，如果JVM不認識的話，你放在這些目錄下也沒用。

????????????????擴展類加載器：JAVA_HOME/lib/ext目錄下，以及被java.ext.dirs系統變量指定的路徑。

????????????????應用程序類加載器：用戶自己的類路徑（classpath），這個類加載器就是我們經常使用的系統類加載器，并且JDK中的抽象類ClassLoader的默認父類加載器就是它。

??????????????? 在這里為什么說類加載器和模板方法模式有關呢，是因為ClassLoader類就使用了模板模式，去保證類加載過程中的唯一性。LZ先給各位看下這個類當中的模板模式的應用。

public abstract class ClassLoader {//這是一個重載方法public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {return loadClass(name, false);}//這里就是父類算法的定義protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{Class c = findLoadedClass(name);if (c == null) {try {if (parent != null) {c = parent.loadClass(name, false);} else {c = findBootstrapClass0(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {c = findClass(name);}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}//這里留了一個方法給子類選擇性覆蓋protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {throw new ClassNotFoundException(name);}}

????????????? LZ截取了主要的部分，為了突出這三個方法。在上面LZ加了簡單的注釋，相信經過剛才的介紹，各位應該能看出來這是一個模板方法模式，只是它沒有定義抽象方法，因為findClass這個方法，并不是必須實現的，所以JDK選擇留給程序員們自己選擇是否要覆蓋。

??????????????從代碼上我們可以看出，在ClassLoader中定義的算法順序是。

????????????? 1，首先看是否有已經加載好的類。

????????????? 2，如果父類加載器不為空，則首先從父類類加載器加載。

????????????? 3，如果父類加載器為空，則嘗試從啟動加載器加載。

????????????? 4，如果兩者都失敗，才嘗試從findClass方法加載。

??????????????這是JDK類加載器的雙親委派模型，即先從父類加載器加載，直到繼承體系的頂層，否則才會采用當前的類加載器加載。這樣做的目的剛才已經說了，是為了JVM中類的一致性。????????????????????????????

??????????????如果有讀者第一次接觸這方面的知識，估計會比較迷茫，下面LZ給出一個例子。各位猜測下下面程序的運行結果會是什么？

package com.classloader;public class ClassLoaderTest {public static void main(String[] args) throws Exception {Class<?> clazz = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("com.classloader.ClassLoaderTest");Object entity = clazz.newInstance();System.out.println(entity instanceof ClassLoaderTest);}
}

??????????????相信各位都可以毫無疑問的猜測出來，結果應該是true，這是因為entity是ClassLoaderTest類的一個實例，instanceof關鍵字用來判斷一個實例是否屬于一個特定的類型，所以結果就是true。

??????????????那么各位再來猜猜下面這段代碼的運行結果會是什么？

package com.classloader;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;class MyClassLoader extends ClassLoader{public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".")+1) + ".class";InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);if (is == null) {return super.loadClass(name);}try {byte[] b = new byte[is.available()];is.read(b);return defineClass(name, b, 0, b.length);} catch (IOException e) {throw new ClassNotFoundException();}}}public class ClassLoaderTest {public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {ClassLoader classLoader = new MyClassLoader();Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.classloader.ClassLoaderTest");Object entity = clazz.newInstance();System.out.println(entity instanceof ClassLoaderTest);}}

??????????????對于類加載器比較熟悉的讀者們可能覺得這個結果并不出乎意料，可是或許還是有人會比較意外，為什么結果會是false呢？

????????????? 這是因為如果沒有按照ClassLoader中提供的骨架算法去加載類的話，可能會造成JVM中有兩個一模一樣的類信息，他們是來自一個類文件，但卻不是一個加載器加載的，所以這兩個類不相等。

????????????? 這也是類加載器為何要使用模板模式給我們定義好查找的算法，是為了保證我們加載的每一個類在虛擬機當中都有且僅有一個。

????????????? 不過你可能會想，既然如此，為何不把loadClass方法寫成final類型的，這樣不是更安全嗎？

????????????? 這是因為有的時候我們希望JVM當中每一個類有且僅有一個，但有的時候我們希望有兩個，甚至N個，就比如我們的tomcat，你可以想象下，你每一個項目假設都有com.xxx.xxxx.BaseDao等等，如果這些類都是一個的話，你的tomcat還能同時啟動多個WEB服務嗎？雖說tomcat也是遵循的雙親委派模型，但是從此也可以看出來，我們并不是在所有時候都希望同一個全限定名的類在整個JVM里面只有一個。

????????????? 這里提到類加載器，是為了給模板方法一個現有的現實中的例子，以便于有些看多了自己制造的例子的讀者可以換個口味，如果有機會，LZ會在這個系列完結以后，專門開一個系列來和各位分享學習虛擬機過程中的感悟，本次不再過多介紹類加載器的相關內容。

????????????? 另外，如果多掌握一些類加載器的知識，還是對平時的工作和學習有很大幫助的，各位也可以私下去搜索下相關資料。

??????????????好了，模板方法模式就介紹到這里吧，希望各位都有自己的收獲。

????????????? 謝謝觀看。

??????????????下期預告，裝飾器模式。
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作者：zuoxiaolong（左瀟龍）

出處：博客園左瀟龍的技術博客--http://www.cnblogs.com/zuoxiaolong

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