模板方法模式——看看 JDK 和 Spring 是如何优雅复用代码的
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2020-09-11 08:35
前言
模板，顾名思义，它是一个固定化、标准化的东西。
模板方法模式是一种行为设计模式， 它在超类中定义了一个算法的框架， 允许子类在不修改结构的情况下重写算法的特定步骤。
场景问题
程序员不愿多扯，上来先干两行代码
网上模板方法的场景示例特别多，个人感觉还是《Head First 设计模式》中的例子比较好。
假设我们是一家饮品店的师傅，起码需要以下两个手艺
真简单哈，这么看，步骤大同小异，我的第一反应就是写个业务接口，不同的饮品实现其中的方法就行，像这样
画完类图，猛地发现，第一步和第三步没什么差别，而且做饮品是个流程式的工作，我希望使用时，直接调用一个方法，就去执行对应的制作步骤。
灵机一动，不用接口了，用一个抽象父类，把步骤方法放在一个大的流程方法 makingDrinks() 中，且第一步和第三步，完全一样，没必要在子类实现，改进如下
再看下我们的设计，感觉还不错，现在用同一个 makingDrinks() 方法来处理咖啡和茶的制作，而且我们不希望子类覆盖这个方法，所以可以申明为 final，不同的制作步骤，我们希望子类来提供，必须在父类申明为抽象方法，而第一步和第三步我们不希望子类重写，所以我们声明为非抽象方法
public abstract class Drinks {
void boilWater() {
System.out.println("将水煮沸");
}
abstract void brew();
void pourInCup() {
System.out.println("倒入杯子");
}
abstract void addCondiments();
public final void makingDrinks() {
//热水
boilWater();
//冲泡
brew();
//倒进杯子
pourInCup();
//加料
addCondiments();
}
}
接着，我们分别处理咖啡和茶，这两个类只需要继承父类，重写其中的抽象方法即可（实现各自的冲泡和添加调料）
public class Tea extends Drinks {
@Override
void brew() {
System.out.println("冲茶叶");
}
@Override
void addCondiments() {
System.out.println("加柠檬片");
}
}
public class Coffee extends Drinks {
@Override
void brew() {
System.out.println("冲咖啡粉");
}
@Override
void addCondiments() {
System.out.println("加奶加糖");
}
}
现在可以上岗了，试着制作下咖啡和茶吧
public static void main(String[] args) {
Drinks coffee = new Coffee();
coffee.makingDrinks();
System.out.println();
Drinks tea = new Tea();
tea.makingDrinks();
}
好嘞，又学会一个设计模式，这就是模板方法模式，我们的 makingDrinks() 就是模板方法。我们可以看到相同的步骤 boilWater() 和 pourInCup() 只在父类中进行即可，不同的步骤放在子类实现。
认识模板方法
在阎宏博士的《JAVA与模式》一书中开头是这样描述模板方法（Template Method）模式的：
模板方法模式是类的行为模式。准备一个抽象类，将部分逻辑以具体方法以及具体构造函数的形式实现，然后声明一些抽象方法来迫使子类实现剩余的逻辑。不同的子类可以以不同的方式实现这些抽象方法，从而对剩余的逻辑有不同的实现。这就是模板方法模式的用意。
写代码的一个很重要的思考点就是“变与不变”，程序中哪些功能是可变的，哪些功能是不变的，我们可以把不变的部分抽象出来，进行公共的实现，把变化的部分分离出来，用接口来封装隔离，或用抽象类约束子类行为。模板方法就很好的体现了这一点。
模板方法定义了一个算法的步骤，并允许子类为一个或多个步骤提供实现。
模板方法模式是所有模式中最为常见的几个模式之一，是基于继承的代码复用的基本技术，我们再看下类图
模板方法模式就是用来创建一个算法的模板，这个模板就是方法，该方法将算法定义成一组步骤，其中的任意步骤都可能是抽象的，由子类负责实现。这样可以确保算法的结构保持不变，同时由子类提供部分实现。
再回顾下我们制作咖啡和茶的例子，有些顾客要不希望咖啡加糖或者不希望茶里加柠檬，我们要改造下模板方法，在加相应的调料之前，问下顾客
public abstract class Drinks {
void boilWater() {
System.out.println("将水煮沸");
}
abstract void brew();
void pourInCup() {
System.out.println("倒入杯子");
}
abstract void addCondiments();
public final void makingDrinks() {
boilWater();
brew();
pourInCup();
//如果顾客需要，才加料
if (customerLike()) {
addCondiments();
}
}
//定义一个空的缺省方法，只返回 true
boolean customerLike() {
return true;
}
}
如上，我们加了一个逻辑判断，逻辑判断的方法时一个只返回 true 的方法，这个方法我们叫做 钩子方法。
钩子：在模板方法的父类中，我们可以定义一个方法，它默认不做任何事，子类可以视情况要不要覆盖它，该方法称为“钩子”。
钩子方法一般是空的或者有默认实现。钩子的存在，可以让子类有能力对算法的不同点进行挂钩。而要不要挂钩，又由子类去决定。
是不是很有用呢，我们再看下咖啡的制作
public class Coffee extends Drinks {
@Override
void brew() {
System.out.println("冲咖啡粉");
}
@Override
void addCondiments() {
System.out.println("加奶加糖");
}
//覆盖了钩子，提供了自己的询问功能，让用户输入是否需要加料
boolean customerLike() {
String answer = getUserInput();
if (answer.toLowerCase().startsWith("y")) {
return true;
} else {
return false;
}
}
//处理用户的输入
private String getUserInput() {
String answer = null;
System.out.println("您想要加奶加糖吗？输入 YES 或 NO");
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
try {
answer = reader.readLine();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
if (answer == null) {
return "no";
}
return answer;
}
}
接着再去测试下代码，看看结果吧。
我想你应该知道钩子的好处了吧，它可以作为条件控制，影响抽象类中的算法流程，当然也可以什么都不做。
模板方法有很多种实现，有时看起来可能不是我们所谓的“中规中矩”的设计。接下来我们看下 JDK 和 Spring 中是怎么使用模板方法的。
JDK 中的模板方法
我们写代码经常会用到 comparable 比较器来对数组对象进行排序，我们都会实现它的 compareTo() 方法，之后就可以通过 Collections.sort() 或者 Arrays.sort() 方法进行排序了。
具体的实现类就不写了(可以去 github：starfish-learning 上看我的代码)，看下使用
@Override
public int compareTo(Object o) {
Coffee coffee = (Coffee) o;
if(this.price < (coffee.price)){
return -1;
}else if(this.price == coffee.price){
return 0;
}else{
return 1;
}
}
public static void main(String[] args) {
Coffee[] coffees = {new Coffee("星冰乐",38),
new Coffee("拿铁",32),
new Coffee("摩卡",35)};
Arrays.sort(coffees);
for (Coffee coffee1 : coffees) {
System.out.println(coffee1);
}
}
你可能会说，这个看着不像我们常规的模板方法，是的。我们看下比较器实现的步骤
构建对象数组 通过 Arrays.sort 方法对数组排序，传参为 Comparable接口的实例比较时候会调用我们的实现类的 compareTo()方法将排好序的数组设置进原数组中，排序完成
一脸懵逼，这个实现竟然也是模板方法。
这个模式的重点在于提供了一个固定算法框架，并让子类实现某些步骤，虽然使用继承是标准的实现方式，但通过回调来实现，也不能说这就不是模板方法。
其实并发编程中最常见，也是面试必问的 AQS 就是一个典型的模板方法。
Spring 中的模板方法
Spring 中的设计模式太多了，而且大部分扩展功能都可以看到模板方式模式的影子。
我们看下 IOC 容器初始化时中的模板方法，不管是 XML 还是注解的方式，对于核心容器启动流程都是一致的。
AbstractApplicationContext 的 refresh 方法实现了 IOC 容器启动的主要逻辑。
一个 refresh() 方法包含了好多其他步骤方法，像不像我们说的 模板方法，getBeanFactory() 、refreshBeanFactory() 是子类必须实现的抽象方法，postProcessBeanFactory() 是钩子方法。
public abstract class AbstractApplicationContext extends DefaultResourceLoader
implements ConfigurableApplicationContext {
@Override
public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
prepareRefresh();
ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
prepareBeanFactory(beanFactory);
postProcessBeanFactory(beanFactory);
invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
registerBeanPostProcessors(beanFactory);
initMessageSource();
initApplicationEventMulticaster();
onRefresh();
registerListeners();
finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
finishRefresh();
}
}
// 两个抽象方法
@Override
public abstract ConfigurableListableBeanFactory getBeanFactory() throws IllegalStateException;
protected abstract void refreshBeanFactory() throws BeansException, IllegalStateException;
//钩子方法
protected void postProcessBeanFactory(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory) {
}
}
打开你的 IDEA，我们会发现常用的 ClassPathXmlApplicationContext 和 AnnotationConfigApplicationContext 启动入口，都是它的实现类（子类的子类的子类的...）。
AbstractApplicationContext的一个子类 AbstractRefreshableWebApplicationContext 中有钩子方法 onRefresh()的实现：
public abstract class AbstractRefreshableWebApplicationContext extends …… {
/**
* Initialize the theme capability.
*/
@Override
protected void onRefresh() {
this.themeSource = UiApplicationContextUtils.initThemeSource(this);
}
}
看下大概的类图：
小总结
优点：1、封装不变的部分，扩展可变的部分。2、提取公共代码，便于维护。3、行为由父类控制，子类实现。
缺点：每一个不同的实现都需要一个子类来实现，导致类的个数增加，使得系统更加庞大。
使用场景：1、有多个子类共有的方法，且逻辑相同。2、重要的、复杂的方法，可以考虑作为模板方法。
注意事项：为防止恶意操作，一般模板方法都加上 final 关键词。
参考：
《Head First 设计模式》、《研磨设计模式》
https://sourcemaking.com/design_patterns/template_method
2. 一个空格引发的“惨案“
3. 大型网站架构演化发展历程
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