模板模式（上）：剖析模板模式在JDK、Servlet、JUnit等中的应用

今天，我们再学习另外一种行为型设计模式，模板模式。我们多次强调，绝大部分设计模式的原理和实现，都非常简单，难的是掌握应用场景，搞清楚能解决什么问题。模板模式也不例外。模板模式主要是用来解决复用和扩展两个问题。

模板模式的原理与实现

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。

原理很简单，代码实现就更加简单，我写了一个示例代码，如下所示。templateMethod()函数定义为final，是为了避免子类重写它。method1()和method2()定义为abstract，是为了强迫子类去实现。不过，这些都不是必须的，在实际的项目开发中，模板模式的代码实现比较灵活，待会儿讲到应用场景的时候，我们会有具体的体现。

public abstract class AbstractClass {public final void templateMethod() {//...method1();//...method2();//...}protected abstract void method1();protected abstract void method2();
}public class ConcreteClass1 extends AbstractClass {@Overrideprotected void method1() {//...}@Overrideprotected void method2() {//...}
}public class ConcreteClass2 extends AbstractClass {@Overrideprotected void method1() {//...}@Overrideprotected void method2() {//...}
}AbstractClass demo = ConcreteClass1();
demo.templateMethod();

模板模式作用一：复用

模板模式把一个算法中不变的流程抽象到父类的方法templateMethod()中，可变的部分method1()和method2()留给子类实现。

1.Java InputStream

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。我们拿InputStream来举例说明一下。

我把InputStream部分相关代码贴在了下面。在代码中，read()函数是一个模板方法，定义了读取数据的整个流程，并且暴露了一个可以由子类来定制的抽象方法。不过这个方法也被命名为了read()，只是参数跟模板方法不同。

public abstract class InputStream implements Closeable {//...省略其他代码...public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {if (b == null) {throw new NullPointerException();} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {throw new IndexOutOfBoundsException();} else if (len == 0) {return 0;}int c = read();if (c == -1) {return -1;}b[off] = (byte)c;int i = 1;try {for (; i < len ; i++) {c = read();if (c == -1) {break;}b[off + i] = (byte)c;}} catch (IOException ee) {}return i;}public abstract int read() throws IOException;
}public class ByteArrayInputStream extends InputStream {//...省略其他代码...@Overridepublic synchronized int read() {return (pos < count) ? (buf[pos++] & 0xff) : -1;}
}

模板模式作用二：扩展

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。我们通过Java Servlet来解释一下。

1.Java Servlet

对于Java Web项目开发来说，常用的开发框架是SpringMVC。利用它，我们只需要关注业务代码的编写，底层的原理几乎不会涉及。但是，如果我们抛开这些高级框架来开发Web项目，必然会用到Servlet。实际上，使用比较底层的Servlet来开发Web项目也不难。我们只需要定义一个继承HttpServlet的类，并且重写其中的doGet()或doPost()方法，来分别处理get和post请求。具体的代码示例如下所示：

@WebServlet("/hello")
public class HelloServlet extends HttpServlet {@Overrideprotected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {this.doPost(req, resp);}@Overrideprotected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {resp.getWriter().write("Hello World.");}
}

当我们在浏览器中输入网址（比如，http://127.0.0.1:8080/hello ）的时候，Servlet容器会接收到相应的请求，并且根据URL和Servlet之间的映射关系，找到相应的Servlet（HelloServlet），然后执行它的service()方法。service()方法定义在父类HttpServlet中，它会调用doGet()或doPost()方法，然后输出数据（“Hello world”）到网页。

我们现在来看，HttpServlet的service()函数长什么样子。

public void service(ServletRequest req, ServletResponse res)throws ServletException, IOException
{HttpServletRequest  request;HttpServletResponse response;if (!(req instanceof HttpServletRequest &&res instanceof HttpServletResponse)) {throw new ServletException("non-HTTP request or response");}request = (HttpServletRequest) req;response = (HttpServletResponse) res;service(request, response);
}protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)throws ServletException, IOException
{String method = req.getMethod();if (method.equals(METHOD_GET)) {long lastModified = getLastModified(req);if (lastModified == -1) {// servlet doesn't support if-modified-since, no reason// to go through further expensive logicdoGet(req, resp);} else {long ifModifiedSince = req.getDateHeader(HEADER_IFMODSINCE);if (ifModifiedSince < lastModified) {// If the servlet mod time is later, call doGet()// Round down to the nearest second for a proper compare// A ifModifiedSince of -1 will always be lessmaybeSetLastModified(resp, lastModified);doGet(req, resp);} else {resp.setStatus(HttpServletResponse.SC_NOT_MODIFIED);}}} else if (method.equals(METHOD_HEAD)) {long lastModified = getLastModified(req);maybeSetLastModified(resp, lastModified);doHead(req, resp);} else if (method.equals(METHOD_POST)) {doPost(req, resp);} else if (method.equals(METHOD_PUT)) {doPut(req, resp);} else if (method.equals(METHOD_DELETE)) {doDelete(req, resp);} else if (method.equals(METHOD_OPTIONS)) {doOptions(req,resp);} else if (method.equals(METHOD_TRACE)) {doTrace(req,resp);} else {String errMsg = lStrings.getString("http.method_not_implemented");Object[] errArgs = new Object[1];errArgs[0] = method;errMsg = MessageFormat.format(errMsg, errArgs);resp.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_IMPLEMENTED, errMsg);}
}

总结和反思：

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”，我们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。
在模板模式经典的实现中，模板方法定义为final，可以避免被子类重写。需要子类重写的方法定义为abstract，可以强迫子类去实现。不过，在实际项目开发中，模板模式的实现比较灵活，以上两点都不是必须的。