模板方法模式：定义算法的骨架

摘要

模板方法模式（Template Method Pattern）是行为型设计模式中的"算法架构师"，它在父类中定义算法的骨架，将具体步骤延迟到子类实现。本文将深入探讨模板方法模式的核心概念、实现方式、应用场景及高级变体，通过丰富的Java代码示例展示如何构建可扩展的算法框架，并分析其与策略模式、工厂方法模式的区别与适用场景。

一、模板方法模式核心思想

模板方法模式的核心是定义算法骨架，延迟具体步骤实现，具有以下关键特征：

1. 算法框架固定：在父类中定义不可变的算法流程
2. 步骤延迟实现：具体步骤由子类实现
3. 钩子方法支持：提供可选扩展点控制流程
4. 避免重复代码：公共行为在父类中实现

适用场景：

• 多个算法有相同流程但不同实现细节
• 需要控制子类扩展点
• 重构重复代码到父类
• 框架设计中的生命周期控制

二、模板方法模式结构解析

UML类图示意

[AbstractClass] <|-- [ConcreteClass]
[AbstractClass] : +templateMethod()
[AbstractClass] : +primitiveOperation1()
[AbstractClass] : +primitiveOperation2()
[ConcreteClass] : +primitiveOperation1()
[ConcreteClass] : +primitiveOperation2()

核心组件角色

三、基础实现：数据导出案例

// 抽象模板类
abstract class DataExporter {// 模板方法（final防止子类覆盖）public final void exportData() {connectToDataSource();retrieveData();processData();if (needFormatting()) {formatData();}saveData();disconnect();}// 具体方法（已有默认实现）private void connectToDataSource() {System.out.println("Connecting to data source...");}private void disconnect() {System.out.println("Disconnecting from data source...");}// 抽象方法（必须由子类实现）protected abstract void retrieveData();protected abstract void processData();protected abstract void saveData();// 钩子方法（可选覆盖）protected boolean needFormatting() {return false;}protected void formatData() {// 默认空实现}
}// 具体实现：CSV导出
class CsvExporter extends DataExporter {@Overrideprotected void retrieveData() {System.out.println("Retrieving data for CSV export");}@Overrideprotected void processData() {System.out.println("Processing data for CSV format");}@Overrideprotected void saveData() {System.out.println("Saving data to CSV file");}@Overrideprotected boolean needFormatting() {return true;}@Overrideprotected void formatData() {System.out.println("Formatting data with CSV specifications");}
}// 具体实现：PDF导出
class PdfExporter extends DataExporter {@Overrideprotected void retrieveData() {System.out.println("Retrieving data for PDF export");}@Overrideprotected void processData() {System.out.println("Processing data for PDF layout");}@Overrideprotected void saveData() {System.out.println("Saving data to PDF document");}
}// 客户端使用
public class ExportClient {public static void main(String[] args) {DataExporter csvExporter = new CsvExporter();csvExporter.exportData();System.out.println("\n---\n");DataExporter pdfExporter = new PdfExporter();pdfExporter.exportData();}
}

四、高级应用：框架生命周期控制

1. Spring框架中的模板方法

// Spring的JdbcTemplate是模板方法的经典实现
public class JdbcTemplate {public <T> T query(String sql, ResultSetExtractor<T> rse) {// 模板方法流程：// 1. 获取连接// 2. 创建语句// 3. 执行查询// 4. 处理结果集（由rse实现）// 5. 关闭资源}
}// 使用示例
public class EmployeeDao {private JdbcTemplate jdbcTemplate;public Employee getEmployeeById(long id) {return jdbcTemplate.query("SELECT * FROM employees WHERE id = ?",new Object[]{id},(rs, rowNum) -> {Employee emp = new Employee();emp.setId(rs.getLong("id"));emp.setName(rs.getString("name"));emp.setDepartment(rs.getString("department"));return emp;});}
}

2. Hibernate DAO模板

public class HibernateTemplate {public <T> T execute(HibernateCallback<T> action) {// 模板方法流程：// 1. 获取Session// 2. 开启事务// 3. 执行回调// 4. 提交事务// 5. 异常处理// 6. 关闭Session}
}// 使用示例
List<User> users = hibernateTemplate.execute(session -> session.createQuery("FROM User", User.class).list()
);

五、模板方法模式优缺点分析

优点：

缺点：

六、模板方法模式与其他模式对比

模板方法 vs 策略模式

模板方法 vs 工厂方法模式

七、模板方法模式最佳实践

1. 钩子方法高级应用

abstract class Game {// 模板方法final void play() {initialize();startPlay();if (allowCheats()) {enableCheats();}endPlay();showScore();}abstract void initialize();abstract void startPlay();abstract void endPlay();// 钩子方法boolean allowCheats() {return false; // 默认不允许作弊}void enableCheats() {// 默认空实现}void showScore() {System.out.println("Showing default score display");}
}class ChessGame extends Game {void initialize() {System.out.println("Setting up chess board");}void startPlay() {System.out.println("Starting chess game");}void endPlay() {System.out.println("Checkmate! Game over");}// 覆盖钩子方法boolean allowCheats() {return true; // 国际象棋允许特定"作弊"}void enableCheats() {System.out.println("Enabling chess engine assistance");}void showScore() {System.out.println("Displaying chess rating points");}
}

2. 模板方法模式与函数式接口结合

class FunctionalTemplate {public void executeTemplate(Runnable preProcess,Runnable mainProcess,Runnable postProcess) {preProcess.run();try {mainProcess.run();} finally {postProcess.run();}}
}// 使用示例
FunctionalTemplate template = new FunctionalTemplate();
template.executeTemplate(() -> System.out.println("Setup resources"),() -> System.out.println("Core business logic"),() -> System.out.println("Cleanup resources")
);

八、模板方法模式在开源框架中的应用

JUnit测试框架

public abstract class TestCase {public void runBare() throws Throwable {setUp();try {runTest();} finally {tearDown();}}protected void setUp() throws Exception {}protected void tearDown() throws Exception {}protected void runTest() throws Throwable {// 反射调用测试方法}
}

Java AWT中的模板方法

public abstract class Component {public void paint(Graphics g) {if (peer != null) {peer.paint(g);}}// 其他模板方法...
}

九、高级应用：分布式事务模板

abstract class DistributedTransactionTemplate {public final void executeTransaction() {try {beginTransaction();executeBusinessLogic();commitTransaction();} catch (Exception e) {rollbackTransaction();handleError(e);} finally {cleanupResources();}}private void beginTransaction() {System.out.println("Starting distributed transaction");}private void commitTransaction() {System.out.println("Committing transaction");}private void rollbackTransaction() {System.out.println("Rolling back transaction");}private void cleanupResources() {System.out.println("Cleaning up resources");}protected abstract void executeBusinessLogic() throws Exception;protected void handleError(Exception e) {System.err.println("Transaction failed: " + e.getMessage());}
}// 具体实现
class OrderProcessingTransaction extends DistributedTransactionTemplate {protected void executeBusinessLogic() throws Exception {System.out.println("Processing order business logic");// 复杂的业务逻辑if (Math.random() > 0.5) {throw new Exception("Simulated business error");}}@Overrideprotected void handleError(Exception e) {super.handleError(e);notifyAdmin(e);}private void notifyAdmin(Exception e) {System.out.println("Notifying admin about failure");}
}

十、模板方法模式未来发展趋势

新兴应用方向：

1. 云原生应用：跨服务事务模板
2. 微服务编排：服务调用流程模板
3. Serverless架构：函数执行模板
4. AI工作流：机器学习流程模板
5. 区块链智能合约：交易处理模板

响应式模板方法

// Reactor中的模板方法应用
Mono<Void> reactiveTemplate = Mono.fromRunnable(this::preProcess).then(Mono.defer(this::mainProcess)).doOnError(this::handleError).then(Mono.fromRunnable(this::postProcess));reactiveTemplate.subscribe();

总结

模板方法模式是构建可复用算法框架的基石，特别适合需要固定流程但允许步骤变化的场景。其核心价值体现在：

1. 算法复用：公共流程在父类中实现
2. 扩展灵活：子类可定制特定步骤
3. 控制反转：父类控制流程，子类实现细节
4. 框架基础：为复杂系统提供标准生命周期

现代应用关键点：

• 合理设计抽象方法：平衡父类控制和子类自由
• 钩子方法运用：提供灵活扩展点
• 避免过度抽象：防止过度设计导致复杂度增加
• 与函数式编程结合：使用Lambda简化实现
• 异常处理：完善模板中的错误处理机制

模板方法模式正在与响应式编程、云原生架构等现代技术结合，演进出更强大的流程控制能力。掌握模板方法模式的精髓，将帮助开发者构建出更加健壮、可扩展的系统架构，特别是在框架设计和复杂流程管理领域。