设计模式-08 - 模板方法模式 Template Method

1.定义

模板方法模式是一种设计模式，它定义了一个操作的骨架，而由子类来决定如何实现该操作的某些步骤。它允许子类在不改变算法结构的情况下重定义算法的特定步骤。

模板方法模式适合用于以下情况：

需要定义一个算法的骨架，但允许子类实现特定步骤：例如，一个排序算法，其中骨架定义了排序过程，而子类定义了具体的比较方法。
需要避免在子类中重复代码：例如，一个图形绘制框架，其中抽象类定义了绘制过程的骨架，而子类定义了绘制特定形状的具体方法。
需要提供算法的可扩展性和灵活性：例如，一个游戏引擎，其中抽象类定义了游戏循环的骨架，而子类定义了特定游戏玩法的具体步骤。

2.内涵

模板方法模式具有以下优点：

可扩展性：通过允许子类重定义某些步骤，模板方法模式提供了很大的可扩展性。
代码复用：模板方法模式允许在抽象类中定义算法的骨架，从而避免在子类中重复代码。
灵活性：子类可以根据需要自定义算法的特定步骤，从而提供灵活性。

模板方法模式也有一些缺点：

可能难以理解：模板方法模式可能难以理解，尤其是对于大型和复杂的算法。
难以调试：由于算法的骨架在抽象类中定义，因此可能难以调试子类中的特定步骤。

3.使用示例

#include <iostream>// Step 1: Template Method (Abstract Class)  定义模板
class VehicleTemplate {
public:// Template method defines the algorithm structurevoid buildVehicle() {assembleBody();installEngine();addWheels();std::cout << "Vehicle is ready!\n";}// Abstract methods to be implemented by concrete classesvirtual void assembleBody() = 0;virtual void installEngine() = 0;virtual void addWheels() = 0;
};// Step 2: Concrete Classes  具体实现类
class Car : public VehicleTemplate {
public:void assembleBody() override {std::cout << "Assembling car body.\n";}void installEngine() override {std::cout << "Installing car engine.\n";}void addWheels() override {std::cout << "Adding 4 wheels to the car.\n";}
};class Motorcycle : public VehicleTemplate {
public:void assembleBody() override {std::cout << "Assembling motorcycle frame.\n";}void installEngine() override {std::cout << "Installing motorcycle engine.\n";}void addWheels() override {std::cout << "Adding 2 wheels to the motorcycle.\n";}
};// Step 3: Client Code  客户端调用代码
int main() {std::cout << "Building a Car:\n";Car car;car.buildVehicle();std::cout << "\nBuilding a Motorcycle:\n";Motorcycle motorcycle;motorcycle.buildVehicle();return 0;
}

4.注意事项

在使用模板方法模式时，需要注意以下事项：

算法的灵活性：确保算法的骨架足够灵活，以允许子类根据需要自定义算法的特定步骤。
抽象和具体方法的平衡：抽象类应仅包含算法的骨架，而具体子类应包含算法的具体实现。避免在抽象类中包含具体细节，因为这会降低可扩展性。
继承层次结构：仔细考虑继承层次结构，并确保子类不会引入不必要的复杂性或冗余。
可测试性：确保抽象类和具体子类都可测试，以验证算法的正确性。
性能影响：模板方法模式可能引入一些性能开销，因为需要在运行时调用模板方法和具体方法。在对性能敏感的应用程序中，需要考虑这种开销。

此外，还有一些最佳实践可以提高模板方法模式的使用效果：

使用钩子方法：钩子方法是抽象类中可选的方法，允许子类在不重写整个模板方法的情况下自定义算法的特定方面。
提供默认实现：对于某些步骤，可以提供默认实现，以简化子类的实现。
使用多态性：利用多态性来允许子类在运行时替换算法的具体步骤。
考虑使用策略模式：在某些情况下，策略模式可以是模板方法模式的替代方案，它允许算法的变体完全由策略对象决定。

5.最佳实践

模板方法模式的最佳实践，避免错误的最佳经验：

明确定义算法的骨架：抽象类应明确定义算法的骨架，包括其步骤和顺序。避免在抽象类中包含具体细节。
只在具体子类中实现具体步骤：具体子类应仅实现算法的具体步骤，而不要改变算法的整体结构。
使用钩子方法：钩子方法允许子类在不重写整个模板方法的情况下自定义算法的特定方面。这可以提高灵活性并避免不必要的代码重复。
提供默认实现：对于某些步骤，可以提供默认实现，以简化子类的实现。默认实现应涵盖常见情况，而子类可以根据需要重写它们。
考虑使用策略模式：在某些情况下，策略模式可以是模板方法模式的替代方案，它允许算法的变体完全由策略对象决定。策略模式可以提供更大的灵活性，但可能更复杂。
确保可测试性：抽象类和具体子类都应可测试，以验证算法的正确性。使用单元测试可以确保算法在各种情况下都能按预期工作。
考虑性能影响：模板方法模式可能引入一些性能开销，因为需要在运行时调用模板方法和具体方法。在对性能敏感的应用程序中，需要考虑这种开销。

6.总结

模板方法模式适合用于以下情况：

需要定义一个算法的骨架，但允许子类实现特定步骤：例如，一个排序算法，其中骨架定义了排序过程，而子类定义了具体的比较方法。
需要避免在子类中重复代码：例如，一个图形绘制框架，其中抽象类定义了绘制过程的骨架，而子类定义了绘制特定形状的具体方法。
需要提供算法的可扩展性和灵活性：例如，一个游戏引擎，其中抽象类定义了游戏循环的骨架，而子类定义了特定游戏玩法的具体步骤。

总体而言，模板方法模式是一种强大的设计模式，可以提高代码的可扩展性、复用性和灵活性。通过仔细考虑上述注意事项和最佳实践，可以有效地使用该模式来设计和实现复杂的算法。