设计模式 19 模板模式 Template Pattern

1.定义

模板模式（Template Pattern）是一种行为设计模式，它定义了一个算法的骨架，将一些步骤的具体实现延迟到子类中。在模板模式中，定义了一个抽象类，其中包含了一个模板方法（template method），这个方法定义了算法的基本结构和步骤，但其中的具体步骤由子类来实现。

模板模式主要用于在不同子类中封装通用的行为，同时保持整体算法结构的一致性。通过模板方法模式，使得父类能够控制方法的执行顺序，同时细节延迟到子类实现。

2.内涵

模板模式包含以下几个角色：

Abstract Class（抽象类）：定义了一个模板方法，该方法是算法的骨架，其中调用了一系列抽象或具体的步骤。抽象类可能还包含了一些通用的实现，这些实现可以在模板方法中直接调用，也可以在需要时在子类中覆盖。
Concrete Class（具体类）：继承自抽象类，并实现了其中的具体步骤。每个具体类可以根据需要实现抽象类中定义的方法，并将其组合在一起形成完整的算法。

通过模板模式，可以实现代码复用、减少重复代码的编写，同时保持算法的统一性和一致性。模板模式能够提供一个稳定的算法框架，同时允许子类自由扩展或修改算法的某些部分。

=======================
|      AbstractClass   |
|----------------------|
|+ templateMethod()   |  
|+ primitiveOperation1()|
|+ primitiveOperation2()|
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             |
             |
             |
             |
      =====================
      |    ConcreteClassA   |
      |----------------------|
      |# primitiveOperation1()|
      |# primitiveOperation2()|
      =====================
             |
             |
             |
             |
     =====================
     |   ConcreteClassB    |
     |----------------------|
     |# primitiveOperation1()|
     |# primitiveOperation2()|
     =====================

AbstractClass（抽象类）：这是模板模式的核心部分，抽象类定义了模板方法 templateMethod() 和两个抽象方法 primitiveOperation1() 和 primitiveOperation2()，其中 templateMethod() 指定了算法的框架，包括一系列调用步骤，而 primitiveOperation1() 和 primitiveOperation2() 则是需要在具体子类中实现的具体步骤。

ConcreteClassA 和 ConcreteClassB（具体类）：这是实际实现模板模式的具体子类。它们继承了 AbstractClass 并实现了其中的抽象方法 primitiveOperation1() 和 primitiveOperation2()。每个具体类可能实现完全不同的具体步骤，但是它们遵循相同的模板方法结构（templateMethod()）。

3.使用示例


/**
 * The Abstract Class defines a template method 
 */
class AbstractClass {
  /**
   * The template method defines the skeleton of an algorithm.
   */
 public:
  void TemplateMethod() const {
    this->BaseOperation1();
    this->RequiredOperations1();
    this->BaseOperation2();
    this->Hook1();
    this->RequiredOperation2();
    this->BaseOperation3();
    this->Hook2();
  }

 protected:
  void BaseOperation1() const {
    std::cout << "AbstractClass says: I am doing the bulk of the work\n";
  }
  void BaseOperation2() const {
    std::cout << "AbstractClass says: But I let subclasses override some operations\n";
  }
  void BaseOperation3() const {
    std::cout << "AbstractClass says: But I am doing the bulk of the work anyway\n";
  }
  
  
  virtual void RequiredOperations1() const = 0;
  virtual void RequiredOperation2() const = 0;
  
  
  virtual void Hook1() const {}
  virtual void Hook2() const {}
};


/**
 * Concrete classes have to implement all abstract operations of the base class.
 * They can also override some operations with a default implementation.
 */
class ConcreteClass1 : public AbstractClass {
 protected:
  void RequiredOperations1() const override {
    std::cout << "ConcreteClass1 says: Implemented Operation1\n";
  }
  void RequiredOperation2() const override {
    std::cout << "ConcreteClass1 says: Implemented Operation2\n";
  }
};


class ConcreteClass2 : public AbstractClass {
 protected:
  void RequiredOperations1() const override {
    std::cout << "ConcreteClass2 says: Implemented Operation1\n";
  }
  void RequiredOperation2() const override {
    std::cout << "ConcreteClass2 says: Implemented Operation2\n";
  }
  void Hook1() const override {
    std::cout << "ConcreteClass2 says: Overridden Hook1\n";
  }
};

void ClientCode(AbstractClass *class_) {
  // ...
  class_->TemplateMethod();
  // ...
}

int main() {
  std::cout << "Same client code can work with different subclasses:\n";
  ConcreteClass1 *concreteClass1 = new ConcreteClass1;
  ClientCode(concreteClass1);
  std::cout << "\n";
  std::cout << "Same client code can work with different subclasses:\n";
  ConcreteClass2 *concreteClass2 = new ConcreteClass2;
  ClientCode(concreteClass2);
  delete concreteClass1;
  delete concreteClass2;
  return 0;
}

输出：

Same client code can work with different subclasses:
AbstractClass says: I am doing the bulk of the work
ConcreteClass1 says: Implemented Operation1
AbstractClass says: But I let subclasses override some operations
ConcreteClass1 says: Implemented Operation2
AbstractClass says: But I am doing the bulk of the work anyway

Same client code can work with different subclasses:
AbstractClass says: I am doing the bulk of the work
ConcreteClass2 says: Implemented Operation1
AbstractClass says: But I let subclasses override some operations
ConcreteClass2 says: Overridden Hook1
ConcreteClass2 says: Implemented Operation2
AbstractClass says: But I am doing the bulk of the work anyway

上述代码类图

4.注意事项

在使用模板模式（Template Pattern）时，有一些注意事项需要注意以避免可能的问题和踩坑：

抽象类的设计：在定义抽象类时，需要仔细考虑模板方法中的逻辑和步骤顺序，确保所有子类都能正确实现这些步骤。避免在抽象类中定义过多的具体实现，应保持抽象类的简洁性，只包含框架结构和必要的抽象方法。
子类实现的一致性：子类在实现抽象方法时，需要保持接口一致性，确保方法签名和返回类型与父类中定义的一致。否则可能会导致编译错误或运行时异常。
算法的扩展性：模板模式允许子类修改或扩展算法的某些部分，但注意避免过度扩展和修改，以免破坏算法的一致性和规范性。确保扩展的功能是相对独立且有必要的。
模板方法的执行顺序：模板方法定义了算法的执行顺序，子类在实现具体步骤时要遵循这个顺序。任何不当的调整可能会导致算法步骤的混乱或错误。
继承的关系：模板模式使用了继承机制，但应该避免过度使用继承导致类层次结构复杂。确保继承关系的合适性和合理性。
钩子方法：在抽象类中可以定义钩子方法，用于控制算法的某些部分是否执行。需要谨慎设计和使用钩子方法，避免影响算法的整体结构和正确性。
单一职责原则：确保每个具体类只负责实现自己的具体步骤，遵循单一职责原则，避免一个类承担过多的责任和功能。

5.最佳实践

在开发中实现模板模式（Template Pattern）时，可以采用以下一些比较好的经验：

合理抽象和分离关注点：在设计抽象类时，需要将通用的算法步骤抽象出来，同时将具体步骤留给具体子类实现。这样可以实现算法的复用和解耦，同时方便后续的扩展和修改。
使用钩子方法：钩子方法是一种可以控制算法流程的手段，可以在抽象类中定义一些空方法或默认实现，具体子类可以选择性地重写这些方法来影响算法的执行。这样可以在不改变模板方法结构的情况下灵活地扩展和定制算法。
保持一致性：确保所有具体子类实现的具体步骤都是与抽象类中定义的一致的，保持算法的一致性和规范性，避免出现错误或混乱。
封装变化部分：在设计模板模式时，将会变化的部分抽象出来，以便随时扩展和修改，而将不变的部分固定在模板方法中，确保算法的稳定性和可维护性。
使用工厂方法：在具体类的实例化时，可以考虑使用工厂方法模式（Factory Method Pattern），将实例化过程放在具体的工厂类中，以便灵活地切换不同的具体子类。