模板设计模式学习笔记

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();  
    }  
}

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();
        }
    }
}