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58 | 模板模式（上）：剖析模板模式在JDK、Servlet、JUnit等中的应用

58 | 模板模式（上）：剖析模板模式在JDK、Servlet、JUnit等中的应用-极客时间

58 | 模板模式（上）：剖析模板模式在JDK、Servlet、JUnit等中的应用

2020-03-16 王争 来自北京
《设计模式之美》
课程介绍

讲述：冯永吉

时长08:41大小7.95M

上两节课我们学习了第一个行为型设计模式，观察者模式。针对不同的应用场景，我们讲解了不同的实现方式，有同步阻塞、异步非阻塞的实现方式，也有进程内、进程间的实现方式。除此之外，我还带你手把手实现了一个简单的 EventBus 框架。
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。我们今天会结合 Java Servlet、JUnit TestCase、Java InputStream、Java AbstractList 四个例子来具体讲解这两个作用。
话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！

模板模式的原理与实现

模板模式，全称是模板方法设计模式，英文是 Template Method Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中，它是这么定义的：
Define the skeleton of an algorithm in an operation, deferring some steps to subclasses. Template Method lets subclasses redefine certain steps of an algorithm without changing the algorithm’s structure.
翻译成中文就是：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。
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 {
@Override
protected void method1() {
//...
}
@Override
protected void method2() {
//...
}
}
public class ConcreteClass2 extends AbstractClass {
@Override
protected void method1() {
//...
}
@Override
protected void method2() {
//...
}
}
AbstractClass demo = ConcreteClass1();
demo.templateMethod();

模板模式作用一：复用

开篇的时候，我们讲到模板模式有两大作用：复用和扩展。我们先来看它的第一个作用：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 templateMethod() 中，将可变的部分 method1()、method2() 留给子类 ContreteClass1 和 ContreteClass2 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。我们通过两个小例子来更直观地体会一下。

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...
@Override
public synchronized int read() {
return (pos < count) ? (buf[pos++] & 0xff) : -1;
}
}

2.Java AbstractList

在 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 UnsupportedOperationException 异常。前提是，如果子类不重写是不能使用的。
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
rangeCheckForAdd(index);
boolean modified = false;
for (E e : c) {
add(index++, e);
modified = true;
}
return modified;
}
public void add(int index, E element) {
throw new UnsupportedOperationException();
}

模板模式作用二：扩展

模板模式的第二大作用的是扩展。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，你可以结合第 19 节来一块理解。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。我们通过 Junit TestCase、Java Servlet 两个例子来解释一下。

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：
public class HelloServlet extends HttpServlet {
@Override
protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
this.doPost(req, resp);
}
@Override
protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
resp.getWriter().write("Hello World.");
}
}
除此之外，我们还需要在配置文件 web.xml 中做如下配置。Tomcat、Jetty 等 Servlet 容器在启动的时候，会自动加载这个配置文件中的 URL 和 Servlet 之间的映射关系。
<servlet>
<servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
<servlet-class>com.xzg.cd.HelloServlet</servlet-class>
</servlet>
<servlet-mapping>
<servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
<url-pattern>/hello</url-pattern>
</servlet-mapping>
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 logic
doGet(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 less
maybeSetLastModified(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);
}
}
从上面的代码中我们可以看出，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（doGet()、doPost() 方法），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。

2.JUnit TestCase

跟 Java Servlet 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。
在使用 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。
public abstract class TestCase extends Assert implements Test {
public void runBare() throws Throwable {
Throwable exception = null;
setUp();
try {
runTest();
} catch (Throwable running) {
exception = running;
} finally {
try {
tearDown();
} catch (Throwable tearingDown) {
if (exception == null) exception = tearingDown;
}
}
if (exception != null) throw exception;
}
/**
* Sets up the fixture, for example, open a network connection.
* This method is called before a test is executed.
*/
protected void setUp() throws Exception {
}
/**
* Tears down the fixture, for example, close a network connection.
* This method is called after a test is executed.
*/
protected void tearDown() throws Exception {
}
}

重点回顾

好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
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。
模板模式有两大作用：复用和扩展。其中，复用指的是，所有的子类可以复用父类中提供的模板方法的代码。扩展指的是，框架通过模板模式提供功能扩展点，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，基于扩展点定制化框架的功能。

课堂讨论

假设一个框架中的某个类暴露了两个模板方法，并且定义了一堆供模板方法调用的抽象方法，代码示例如下所示。在项目开发中，即便我们只用到这个类的其中一个模板方法，我们还是要在子类中把所有的抽象方法都实现一遍，这相当于无效劳动，有没有其他方式来解决这个问题呢？
public abstract class AbstractClass {
public final void templateMethod1() {
//...
method1();
//...
method2();
//...
}
public final void templateMethod2() {
//...
method3();
//...
method4();
//...
}
protected abstract void method1();
protected abstract void method2();
protected abstract void method3();
protected abstract void method4();
}
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提建议

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精选留言(107)

  • 攻城拔寨
    2020-03-17
    文末的问题，在 spring 生命周期中，InstantiationAwareBeanPostProcessorAdapter 就是解决这个问题的。 写个适配器，把所有抽象方法默认实现一下，子类继承这个 adapter 就行了。
    共 15 条评论
    218
  • Eclipse
    2020-03-16
    可以借鉴AbstractList的addall实现。提供默认的方法method1...method4方法，每个方法直接抛出异常，使用模板方法的时候强制重写用到的method方法，用不到的method不用重写。
    共 9 条评论
    100
  • Rayjun
    2020-03-16
    如果两个模版方法没有耦合，可以拆分成两个类，如果不能拆分，那就为每个方法提供默认实现
    70
  • 最好的狗焕啊
    2020-03-17
    争哥，一年前就很崇拜你了，但是现在很迷茫，三年的开发经验了，一直在小公司，做的项目最多的数据量也只是十几万的用户，平常下班每天都会坚持学习两个小时，已经坚持一年半了，看了数据结构和算法，还有认真刷过题，看了网络协议，也看了框架方面的书等等，也认真做了笔记，然后想投递独角兽公司，但是简历都不通过，理由是学历和项目都没有亮点，我是本科毕业，看了网上的一些阿里或者百度这样的公司的面试题，发现自己也会，但是投递的简历都不通过，真的很迷茫，不知道这样的坚持有没有用，现在想回到老家一个二线城市，做着一份养老的工作
    展开
    共 42 条评论
    50
  • tt
    2020-03-17
    参考装饰器模式那一课中JAVA IO类库中的做法，引入一个中间父类，实现所有的抽象方法，然后再让业务类去继承这个中间的父类。
    25
  • 每天晒白牙
    2020-03-16
    提供一个 Base 类，实现 method1 到 method4 的所有抽象方法，然后子类继承 Base 类，一般可以直接复用 Base 类中的 method1 到 method4 方法，如果需要重写，直接重写该方法就好。这样就能省去所有子类实现所有抽象方法 继承抽象方法的基类 Base public class Base extends AbstractClass { @Override protected void method1() { System.out.println("1"); } @Override protected void method2() { System.out.println("2"); } @Override protected void method3() { System.out.println("3"); } @Override protected void method4() { System.out.println("4"); } } 子类 A 需要重写 method1 方法 public class SubA extends Base { // 只需要重写 method1 @Override public void method1() { System.out.println("重写 method1"); } public static void main(String[] args) { Base A = new SubA(); A.templateMethod1(); } } 输出结果为 重写 method1 2
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    24
  • 小兵
    2020-03-16
    父类中不用抽象方法，提供一个空的实现，子类根据需要重写。
    共 3 条评论
    17
  • 下雨天
    2020-03-16
    课后思考： 一. 能修改框架代码情况： 定义一个父类，给不需要调用的抽象方法一个默认实现，子类继承该父类。 二. 如果可以修改框架代码的情况下： 1.templateMethod1与templateMethod2相关：可以将不需要调用的方法修改成protected并提供默认空实现。 2.templateMethod1与templateMethod2不相关：接口隔离原则，考虑将AbstractClass拆分成两个类分别定义两个方法。
    展开
    10
  • 宁锟
    2020-03-16
    定义两个抽象类，继承模板类，分别给不需要的方法定义空实现
    共 1 条评论
    6
  • Gopher
    2020-10-14
    不会java 所以一下没看懂模版方法模式 看了其他资料才明白 所以记录一下 我们把装修房子这件事比做模版方法，装修房子的大流程事固定不变 把安装水电，收纳柜，电视墙这些细节比做可以被子类实现的抽象方法 我们可以通过重写安装水电，收纳柜，电视墙 这些方法来自定义我们的装修风格，但是不影响整体的装修流程
    展开
    5
  • 刘大明
    2020-03-16
    如果其他的类不考虑复用的话，可以将这些抽取成一个基类，就是两个抽象类。分别给不需要的方法定义空实现。
    3
  • Geek_cead38
    2020-11-22
    我觉得即便是使用装饰器还是直接重写method1-4，对于需要子类重写的方法要么抛不支持异常，要么抽象，不然子类察觉不到必须重写，导致模板函数的业务出错

    作者回复: ������

    共 2 条评论
    2
  • 好饿早知道送外卖了
    2020-04-15
    感觉模板模式和抽象类的实现方式和场景相同啊？ 他俩有什么区别呢？求大佬们解惑
    共 3 条评论
    2
  • 付昱霖
    2020-03-16
    使用外观模式，用一个新类再次包装，只暴露需要的接口。
    2
  • LJK
    2020-03-16
    课后作业的思考：对于必须要子类实现的方法定义为抽象方法或throw Exception，对于变动比较少但是同时也不想失去扩展性的方法添加默认实现，调用时优先获取用户自定义方法，获取不到的情况下使用默认方法
    2
  • 李金鹏
    2021-07-10
    用组合代替继承
    1
  • 向往的生活
    2020-07-03
    个人感觉这里的复用和扩展都是一回事呢。核心思想就是将不变和可变进行分离。
    共 1 条评论
    1
  • 柏油
    2020-03-20
    可以提供一个adapter默认实现所有方法，子类重写需要的方法即可，比如Spring的InstantiationAwareBeanPostProcessorAdapter就是给所有方法提供默认实现，不过jkd1.8在接口中可以使用default默认实现，在InstantiationAwareaBeanPostProcessor接口中提供了默认实现，也就不需要在用Adapter 了
    1
  • 自来也
    2020-03-16
    Es框架里，abstractrunable是属于包装者还是模板。感觉更像包装者。不管啥了，总之觉得这样挺好用的。父类public就好了，就能解决没必要强制重写了。
    共 1 条评论
    1
  • Sinclairs
    2020-03-16
    如果项目中多次用到这个类的话, 可以单独实现一个基类来继承这个模版类, 将不需要的扩展方法进行默认实现. 项目开发中直接使用基类方法就好.
    1