行为型模式之模板方法设计模式

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一、模板方法模式概述及结构

模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。

这里的“算法”：可以理解为广义上的“业务逻辑”，并不特指数据结构和算法中的“算法”。

这里的算法骨架就是“模板”

包含算法骨架的方法就是“模板方法”，这也是模板方法模式名字的由来。

模板方法模式结构：

抽象类（Abstract Class）：负责给出一个算法的轮廓和骨架。它由一个模板方法和若干个基本方法构成。

模板方法：定义了算法的骨架，按某种顺序调用其包含的基本方法。
基本方法：是实现算法各个步骤的方法，是模板方法的组成部分。基本方法又可以分为三种：

抽象方法(Abstract Method) ：一个抽象方法由抽象类声明、由其具体子类实现。
具体方法(Concrete Method) ：一个具体方法由一个抽象类或具体类声明并实现，其子类可以进行覆盖也可以直接继承。
钩子方法(Hook Method) ：在抽象类中已经实现，包括用于判断的逻辑方法和需要子类重写的空方法两种。一般钩子方法是用于判断的逻辑方法，这类方法名一般为isXxx，返回值类型为boolean类型。

具体子类（Concrete Class）：实现抽象类中所定义的抽象方法和钩子方法，它们是一个顶级逻辑的组成步骤。

模板方法模式简单实现：

二、模板方法模式案例

编写制作豆浆的程序，说明如下:

制作豆浆的流程选材—>添加配料—>浸泡—>放到豆浆机打碎

通过添加不同的配料，可以制作出不同口味的豆浆

选材、浸泡和放到豆浆机打碎这几个步骤对于制作每种口味的豆浆都是一样的

可使用模板方法模式完成

抽象类

具体子类

测试类

三、模板方法模式作用

1、复用

模板模式把一个算法中不变的流程抽象到父类的模板方法中，将可变的部分留给子类来实现。所有的子类都可以复用父类中模板方法定义的流程代码。

Java IO 流

Java IO 类库中，有很多类的设计用到了模板模式，比如 InputStream、OutputStream、Reader、Writer。

Java AbstractList

Java AbstractList 类中，addAll() 函数可以看作模板方法，add() 是子类需要重写的方法，尽管没有声明为 abstract 的，但函数实现直接抛出了异常。即子类不重写无法使用。

2、拓展

这里所说的扩展，并不是指代码的扩展性，而是指框架的扩展性，有点类似我们之前讲到的控制反转。基于这个作用，模板模式常用在框架的开发中，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，定制化框架的功能。

Java Servlet

HttpServlet 的 service() 方法就是一个模板方法，它实现了整个 HTTP 请求的执行流程，doGet()、doPost() 是模板中可以由子类来定制的部分。实际上，这就相当于 Servlet 框架提供了一个扩展点，让框架用户在不用修改 Servlet 框架源码的情况下，将业务代码通过扩展点镶嵌到框架中执行。

HttpServlet 的 service() 函数：

JUnit Test

与之类似，JUnit 框架也通过模板模式提供了一些功能扩展点（setUp()、tearDown() 等），让框架用户可以在这些扩展点上扩展功能。

使用 JUnit 测试框架来编写单元测试的时候，我们编写的测试类都要继承框架提供的 TestCase 类。在 TestCase 类中，runBare() 函数是模板方法，它定义了执行测试用例的整体流程：先执行 setUp() 做些准备工作，然后执行 runTest() 运行真正的测试代码，最后执行 tearDown() 做扫尾工作。

TestCase 类的具体代码如下所示。尽管 setUp()、tearDown() 并不是抽象函数，还提供了默认的实现，不强制子类去重新实现，但这部分也是可以在子类中定制的，所以也符合模板模式的定义。

四、回调与模板方法模式

复用和扩展是模板模式的两大作用，实际上，还有另外一个技术概念，也能起到跟模板模式相同的作用，那就是 回调（Callback）。

1、回调介绍

相对于普通的函数调用来说，回调是一种双向调用关系。

A 类事先注册某个函数 F 到 B 类，A 类在调用 B 类的 P 函数的时候，B 类反过来调用 A 类注册给它的 F 函数。这里的 F 函数就是“回调函数”。A 调用 B，B 反过来又调用 A，这种调用机制就叫作“回调”。

2、回调结构与实现

回调跟模板模式一样，也具有复用和扩展的功能。除了回调函数之外，BClass 类的 process() 函数中的逻辑都可以复用。若 ICallback、BClass 类是框架代码，AClass 是使用框架的客户端代码，我们可以通过 ICallback 定制 process() 函数，也就是说，框架因此具有了扩展的能力。

回调不仅可以应用在代码设计上，在更高层次的架构设计上也比较常用。比如，通过三方支付系统来实现支付功能，用户在发起支付请求之后，一般不会一直阻塞到支付结果返回，而是注册回调接口（类似回调函数，一般是一个回调用的 URL）给三方支付系统，等三方支付系统执行完成之后，将结果通过回调接口返回给用户。

回调可以分为同步回调和异步回调（或者延迟回调）。同步回调指在函数返回之前执行回调函数；异步回调指的是在函数返回之后执行回调函数。下面的代码实际上是同步回调的实现方式，在 process() 函数返回之前，执行完回调函数 methodToCallback()。而上面支付的例子是异步回调的实现方式，发起支付之后不需要等待回调接口被调用就直接返回。从应用场景上来看，同步回调看起来更像模板模式，异步回调看起来更像观察者模式。

3、回调案例 - JdbcTemplate

Spring 提供了很多 Template 类，比如，JdbcTemplate、RedisTemplate、RestTemplate。尽管都叫作 xxxTemplate，但它们并非基于模板模式来实现的，而是基于回调来实现的，确切地说应该是同步回调。而同步回调从应用场景上很像模板模式，所以，在命名上，这些类使用 Template（模板）这个单词作为后缀。

JdbcTemplate 通过回调的机制，将不变的执行流程抽离出来，放到模板方法 execute() 中，将可变的部分设计成回调 StatementCallback，由用户来定制。query() 函数是对 execute() 函数的二次封装，让接口用起来更加方便。

4、回调案例 - Hook & Callback

Hook 可以翻译成“钩子”，Hook 是 Callback 的一种应用。

Callback 更侧重语法机制的描述

Hook 更加侧重应用场景的描述

Hook 比较经典的应用场景是 Tomcat 和 JVM 的 shutdown hook。

JVM 提供了 Runtime.addShutdownHook(Thread hook) 方法，可以注册一个 JVM 关闭的 Hook。当应用程序关闭的时候，JVM 会自动调用 Hook 代码。代码示例如下所示：

addShutdownHook() 的部分代码实现：

从代码中我们可以发现，有关 Hook 的逻辑都被封装到 ApplicationShutdownHooks 类中了。当应用程序关闭的时候，JVM 会调用这个类的 runHooks() 方法，创建多个线程，并发地执行多个 Hook。我们在注册完 Hook 之后，并不需要等待 Hook 执行完成，所以，这也算是一种异步回调。

五、模板方法模式 & 回调

从应用场景上来看，同步回调跟模板模式几乎一致。它们都是在一个大的算法骨架中，自由替换其中的某个步骤，起到代码复用和扩展的目的。而异步回调跟模板模式有较大差别，更像是观察者模式。

从代码实现上来看，回调和模板模式完全不同。回调基于组合关系来实现，把一个对象传递给另一个对象，是一种对象之间的关系；模板模式基于继承关系来实现，子类重写父类的抽象方法，是一种类之间的关系。

我们讲过，组合优于继承。在代码实现上，回调相对于模板模式会更加灵活，主要体现在下面几点。

Java 单继承，模板模式基于继承

回调可用匿名类来创建回调对象；而模板模式针对不同的实现都要定义不同的子类。

如果某个类中定义了多个模板方法，每个方法都有对应的抽象方法，那即便我们只用到其中的一个模板方法，子类也必须实现所有的抽象方法。而回调就更加灵活，我们只需要往用到的模板方法中注入回调对象即可。