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Xiao Lin

模板设计模式学习笔记

8
2024-02-26

模板设计模式介绍

模板设计模式是一种行为设计模式,它允许您定义一个操作的算法骨架,该算法可以被子类重写。这种模式非常适合在需要在基类中定义算法的步骤,但在子类中实现这些步骤的具体实现时。

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。

模板设计模式简单实现

  1. 定义抽象模板类, 提供通用的入口方法和定义需要子类实现的抽象方法
package xyz.xiaolinz.demo.template;  
  
/**  
 * 抽象模板  
 *  
 * @author huangmuhong  
 * @version 1.0.0  
 * @date 2024/01/08  
 */public abstract class AbstractTemplate {  
  
    /**  
     * 定义算法骨架  
     *  
     * @author huangmuhong  
     * @date 2024/01/08  
     * @since 1.0.0  
     */    public final void algorithm() {  
        // 执行具体步骤  
        step1();  
        step2();  
        step3();  
    }  
  
    // 抽象方法必须由子类实现,部分步骤由模板类实现  
    protected void step3() {  
        System.out.println("AbstractTemplate.step3");  
    }  
  
    protected abstract void step2();  
  
    protected abstract void step1();  
  
}
  1. 创建具体子类, 实现抽象类定义的模板方法
package xyz.xiaolinz.demo.template;  
  
/**  
 * @author huangmuhong  
 * @date 2024/1/8  
 */public class ImplementTemplateA extends AbstractTemplate {  
    @Override  
    protected void step2() {  
        System.out.println("ImplementTemplateA.step2");  
    }  
  
    @Override  
    protected void step1() {  
        System.out.println("ImplementTemplateA.step1");  
    }  
}
  1. 使用
package xyz.xiaolinz.demo.template;  
  
/**  
 * @author huangmuhong  
 * @date 2024/1/8  
 */public class Main {  
    public static void main(String[] args) {  
        AbstractTemplate template = new ImplementTemplateA();  
        template.algorithm();  
    }  
}

image.png

源码中的使用

1、复用

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 algorithm() 中,将可变的部分 step2()留给子类来实现。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。

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 {
        Objects.checkFromIndexSize(off, len, b.length);
        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;
}

// 这里有一个具体的实现类。用于从一个字节缓冲区中读取一个字节。方法的签名和功能如下:
public class ByteArrayInputStream extends InputStream {
    //...省略其他代码...

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

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();
}

2、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,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。

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/helloopen )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);
                // 子类实现的扩展点
                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)) {
        // 子类实现的扩展点
        doPost(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_PUT)) {
        // 子类实现的扩展点
        doPut(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_DELETE)) {
        // 子类实现的扩展点
        doDelete(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_OPTIONS)) {
        // 子类实现的扩展点
        doOptions(req,resp);
    } else if (method.equals(METHOD_TRACE)) {
        // 子类实现的扩展点
        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。

spring 中的核心 refresh

spring 中存在大量的模板方法,我们列举最核心的 refresh 方法:

@Override
public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
    synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
        StartupStep contextRefresh = this.applicationStartup.start("spring.context.refresh");

        // Prepare this context for refreshing.
        prepareRefresh();

        // Tell the subclass to refresh the internal bean factory.
        ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();

        // Prepare the bean factory for use in this context.
        prepareBeanFactory(beanFactory);

        try {
            // Allows post-processing of the bean factory in context subclasses.
            postProcessBeanFactory(beanFactory);

            StartupStep beanPostProcess = this.applicationStartup.start("spring.context.beans.post-process");
            // Invoke factory processors registered as beans in the context.
            invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);

            // Register bean processors that intercept bean creation.
            registerBeanPostProcessors(beanFactory);
            beanPostProcess.end();

            // Initialize message source for this context.
            initMessageSource();

            // Initialize event multicaster for this context.
            initApplicationEventMulticaster();

            // Initialize other special beans in specific context subclasses.
            onRefresh();

            // Check for listener beans and register them.
            registerListeners();

            // Instantiate all remaining (non-lazy-init) singletons.
            finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

            // Last step: publish corresponding event.
            finishRefresh();
        }

        catch (BeansException ex) {
            if (logger.isWarnEnabled()) {
                logger.warn("Exception encountered during context initialization - " +
                            "cancelling refresh attempt: " + ex);
            }

            // Destroy already created singletons to avoid dangling resources.
            destroyBeans();

            // Reset 'active' flag.
            cancelRefresh(ex);

            // Propagate exception to caller.
            throw ex;
        }

        finally {
            // Reset common introspection caches in Spring's core, since we
            // might not ever need metadata for singleton beans anymore...
            resetCommonCaches();
            contextRefresh.end();
        }
    }
}