設計模式精講 Day 22：模板方法模式（Template Method Pattern）

【設計模式精講 Day 22】模板方法模式（Template Method Pattern）

文章標簽

設計模式, 模板方法模式, Java開發, 面向對象設計, 軟件架構, 設計模式實戰, Java應用開發

文章簡述

模板方法模式是一種行為型設計模式，它通過定義一個算法的骨架，并將某些步驟延遲到子類中實現。這種模式允許子類在不改變算法結構的前提下，重新定義算法的某些步驟，從而提高代碼復用性和可擴展性。本文作為“設計模式精講”系列的第22天，深入講解了模板方法模式的核心思想、實現方式和實際應用場景。文章通過完整的Java代碼示例，展示了如何在具體業務場景中使用模板方法模式優化系統結構，并結合真實案例分析其優勢與局限性。無論你是初學者還是有經驗的開發者，這篇文章都將幫助你掌握模板方法模式的設計精髓并應用于實際項目中。

【設計模式精講 Day 22】模板方法模式（Template Method Pattern）

開篇：模板方法模式的核心思想與應用價值

今天是“設計模式精講”系列的第22天，我們聚焦于模板方法模式（Template Method Pattern）。模板方法模式是一種行為型設計模式，它通過定義一個算法的骨架，并將某些步驟延遲到子類中實現，使得子類可以在不改變算法結構的前提下，重新定義算法的某些步驟。

在軟件開發中，很多業務流程具有固定的執行順序，但其中某些步驟可能因具體需求而變化。例如，支付流程通常包括驗證、扣款、記錄日志等步驟，但不同支付方式的具體實現可能不同。如果直接在同一個類中處理這些邏輯，會導致代碼重復和難以維護。而模板方法模式通過將公共邏輯封裝在父類中，將可變部分交給子類實現，實現了算法結構與具體實現的解耦。

本篇文章將從模式定義、結構、適用場景、實現方式、工作原理、優缺點分析、案例分析等多個維度，全面解析模板方法模式，并提供完整可運行的Java代碼示例，幫助你真正掌握這一設計模式。

模式定義

1.1 正式定義

模板方法模式（Template Method Pattern）是一種行為型設計模式，它定義了一個算法的框架，并在該框架中調用一些抽象方法或鉤子方法，由子類來實現這些方法。這樣，算法的結構保持不變，但具體的實現可以由不同的子類進行定制。

1.2 核心思想

算法骨架固定：算法的整體流程由父類定義。
具體步驟延遲實現：部分步驟由子類實現，增強靈活性。
復用性高：避免重復代碼，提升代碼復用性。
符合開閉原則：對擴展開放，對修改關閉。

模式結構

2.1 UML 類圖說明（文字描述）

模板方法模式包含以下幾個關鍵角色：

角色	說明
AbstractClass（抽象類）	定義算法的骨架，包含模板方法和抽象方法。
ConcreteClass（具體類）	實現抽象方法，完成算法的具體步驟。

2.2 示例結構說明

AbstractClass 中定義了一個 templateMethod() 方法，該方法調用了多個抽象方法（如 primitiveOperation1()、primitiveOperation2() 等）。
ConcreteClassA 和 ConcreteClassB 分別實現這些抽象方法，提供不同的具體邏輯。

適用場景

場景	說明
多個類有相似的算法流程	當多個類需要按照相同流程執行操作時，適合使用模板方法模式。
算法的某些步驟可能變化	如果算法中的某些步驟需要根據情況變化，適合將其封裝為抽象方法。
提高代碼復用性	將公共邏輯放在父類中，減少重復代碼。
控制算法的執行順序	保證算法的執行順序一致，同時允許子類自定義部分步驟。

實現方式

3.1 Java 代碼實現

以下是一個基于模板方法模式的簡單示例，模擬一個“咖啡與茶的制作流程”。

3.1.1 抽象類

// Beverage.java
public abstract class Beverage {// 模板方法：定義算法的骨架public final void prepareRecipe() {boilWater();brew();pourInCup();addCondiments();}// 具體方法：所有子類共有的步驟private void boilWater() {System.out.println("煮水");}private void pourInCup() {System.out.println("倒入杯子");}// 抽象方法：子類需要實現的方法protected abstract void brew();// 鉤子方法：可選實現protected boolean isCondimentRequired() {return true;}// 子類可以選擇是否重寫此方法protected void addCondiments() {if (isCondimentRequired()) {System.out.println("添加配料");}}
}

3.1.2 具體類

// Coffee.java
public class Coffee extends Beverage {@Overrideprotected void brew() {System.out.println("沖泡咖啡");}@Overrideprotected boolean isCondimentRequired() {return true; // 咖啡需要加糖}
}// Tea.java
public class Tea extends Beverage {@Overrideprotected void brew() {System.out.println("沖泡茶葉");}@Overrideprotected boolean isCondimentRequired() {return false; // 茶不需要加糖}
}

3.1.3 測試類

// TemplateMethodPatternTest.java
public class TemplateMethodPatternTest {public static void main(String[] args) {Beverage coffee = new Coffee();coffee.prepareRecipe();System.out.println("-----------");Beverage tea = new Tea();tea.prepareRecipe();}
}

輸出：

煮水
沖泡咖啡
倒入杯子
添加配料
-----------
煮水
沖泡茶葉
倒入杯子

工作原理

模板方法模式通過將算法的通用邏輯封裝在父類中，而將特定邏輯交由子類實現，從而實現算法結構與具體實現的分離。

模板方法：定義算法的步驟，調用抽象方法或鉤子方法。
抽象方法：由子類實現，提供具體邏輯。
鉤子方法：提供默認實現，子類可以選擇是否覆蓋。

這種機制符合開閉原則，即對擴展開放，對修改關閉。同時，也符合單一職責原則，每個類只關注自己的職責。

優缺點分析

優點	缺點
代碼復用性強：公共邏輯集中管理，避免重復代碼。	增加類的數量：每個子類都需要繼承抽象類。
提高可維護性：算法結構清晰，便于后期維護和擴展。	靈活性有限：如果算法結構頻繁變化，可能需要重構。
符合開閉原則：新增功能只需擴展子類，無需修改現有代碼。	過度依賴繼承：可能導致類層次復雜。

案例分析：電商訂單處理流程中的模板方法模式應用

4.1 問題描述

某電商平臺的訂單處理流程包括：校驗訂單、計算價格、生成發票、發送通知等步驟。不同類型的訂單（如普通訂單、促銷訂單、預售訂單）在某些步驟上存在差異，如促銷訂單需要額外的折扣計算，預售訂單需要庫存預扣。

4.2 解決方案

采用模板方法模式重構訂單處理流程，將通用邏輯放在父類中，將可變部分交給子類實現。

4.2.1 抽象類

// OrderProcessor.java
public abstract class OrderProcessor {// 模板方法public final void processOrder(Order order) {validate(order);calculatePrice(order);generateInvoice(order);sendNotification(order);}protected abstract void validate(Order order);protected abstract void calculatePrice(Order order);protected void generateInvoice(Order order) {System.out.println("生成發票");}protected void sendNotification(Order order) {System.out.println("發送通知");}
}

4.2.2 具體類

// NormalOrderProcessor.java
public class NormalOrderProcessor extends OrderProcessor {@Overrideprotected void validate(Order order) {System.out.println("驗證普通訂單");}@Overrideprotected void calculatePrice(Order order) {System.out.println("計算普通訂單價格");}
}// PromotionOrderProcessor.java
public class PromotionOrderProcessor extends OrderProcessor {@Overrideprotected void validate(Order order) {System.out.println("驗證促銷訂單");}@Overrideprotected void calculatePrice(Order order) {System.out.println("計算促銷訂單價格（含折扣）");}
}

4.2.3 使用示例

public class OrderProcessorTest {public static void main(String[] args) {Order order = new Order();OrderProcessor normalProcessor = new NormalOrderProcessor();normalProcessor.processOrder(order);System.out.println("----------");OrderProcessor promotionProcessor = new PromotionOrderProcessor();promotionProcessor.processOrder(order);}
}

輸出：

驗證普通訂單
計算普通訂單價格
生成發票
發送通知
----------
驗證促銷訂單
計算促銷訂單價格（含折扣）
生成發票
發送通知

與其他模式的關系

模式	關系	說明
策略模式（Strategy Pattern）	相似但用途不同	策略模式封裝算法，模板方法模式封裝算法骨架
工廠模式（Factory Pattern）	可組合使用	工廠模式用于創建對象，模板方法模式用于定義算法結構
命令模式（Command Pattern）	不同但可結合使用	命令模式封裝請求，模板方法模式控制算法流程