实战设计模式之模板方法模式

概述

        模板方法模式定义了一个操作中的算法骨架，并将某些步骤延迟到子类中实现。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的前提下，重新定义算法中的某些步骤。简单来说，就是在一个方法中定义了要执行的步骤顺序或算法框架，但允许子类为这些步骤提供具体的实现。模板方法模式非常适合用于那些有固定流程或步骤，但在不同情况下需要稍微调整或扩展每个步骤的场景。

        咖啡制作是现实生活中运用模板方法模式的一个典型例子：虽然不同种类的咖啡（比如：浓缩咖啡、拿铁、卡布奇诺等）有不同的制作细节，但它们共享一个通用的流程框架。这个框架包括一些基本步骤，比如：加热水、冲泡咖啡、倒入杯中、添加调料。通过使用模板方法模式，我们可以定义这个通用的流程，并允许具体的咖啡类型自定义某些步骤。

基本原理

        模板方法模式的基本原理是：通过一个抽象类来定义一个操作中算法的骨架（即一系列步骤），但将一些步骤的具体实现延迟到子类中。这样，子类可以通过重写这些步骤的方法来定制特定于该子类的行为，同时保持算法的整体流程不变。

        模板方法模式主要由以下三个核心组件构成。

        1、抽象类。定义了模板方法，该方法给出了算法的骨架，通常包含了一系列调用“原始操作”的方法。另外，抽象类还可能提供了一些默认实现的方法。

        2、原始操作。这些是在抽象类中声明的抽象方法，它们代表了算法的不同步骤，需要由具体的子类提供实现。

        3、具体类。继承自抽象类，并提供了抽象方法的具体实现。这允许不同的具体类根据自己的需求，对算法的部分步骤进行定制。

        基于上面的核心组件，模板方法模式的实现主要有以下四个步骤。

        1、创建抽象类。定义一个抽象类，在其中声明一个或多个模板方法。模板方法是一个具体方法，它定义了算法的框架，并调用了若干个抽象方法或其他基本操作。在抽象类中声明所有需要子类实现的抽象方法，

        2、定义抽象方法。确定哪些步骤需要子类提供具体实现，并在抽象类中将其声明为抽象方法。这些抽象方法，即原始操作，代表了算法的不同步骤。

        3、提供默认实现。如果某些步骤对于所有子类来说都是相同的，或者可以有一个合理的默认实现，则可以在抽象类中提供这些步骤的默认实现。子类可以根据需要，选择是否覆盖这些方法。

        4、创建具体类。创建具体类，继承自抽象类，并实现所有必要的抽象方法。

实战代码

        在下面的实战代码中，我们使用模板方法模式模拟了咖啡制作的过程。

        首先，我们定义了一个抽象类CCoffee，它包含了制作咖啡的算法骨架MakeCoffee。该方法依次调用了四个步骤：加热水（BoilWater）、冲泡咖啡粉（BrewCoffeeGrinds）、倒入杯中（PourInCup）、添加调料（AddCondiments）。在这四个步骤中，冲泡咖啡粉BrewCoffeeGrinds和添加调料AddCondiments被声明为纯虚函数，要求由具体的子类提供实现，而BoilWater和PourInCup提供了默认实现。

        接下来，我们定义了具体类CEspresso和CLatte。它们分别实现了浓缩咖啡和拿铁咖啡特有的冲泡和添加调料的方法，从而定制了各自的制作流程。

        最后，在main函数中，通过基类指针创建了CEspresso和CLatte对象，并调用了它们的MakeCoffee方法。

#include <iostream>
#include <string>using namespace std;// 抽象类，定义了制作咖啡的基本步骤
class CCoffee
{
public:// 模板方法，定义了制作咖啡的算法骨架void MakeCoffee(){BoilWater();BrewCoffeeGrinds();PourInCup();AddCondiments();}protected:// 基本步骤，由子类实现具体逻辑virtual void BrewCoffeeGrinds() = 0;virtual void AddCondiments() = 0;// 默认实现，可以被子类覆盖virtual void BoilWater(){cout << "Boiling water" << endl;}virtual void PourInCup(){cout << "Pouring into cup" << endl;}
};// 具体类：浓缩咖啡
class CEspresso : public CCoffee
{
protected:void BrewCoffeeGrinds() override{cout << "Dripping coffee through filter for espresso" << endl;}void AddCondiments() override{cout << "No condiments for espresso" << endl;}
};// 具体类：拿铁咖啡
class CLatte : public CCoffee
{
protected:void BrewCoffeeGrinds() override{cout << "Steeping coffee for latte" << endl;}void AddCondiments() override{cout << "Adding steamed milk and cinnamon" << endl;}
};int main()
{CCoffee* pEspresso = new CEspresso();pEspresso->MakeCoffee();cout << endl;CCoffee* pLatte = new CLatte();pLatte->MakeCoffee();delete pEspresso;delete pLatte;return 0;
}

总结

        模板方法模式通过将通用的算法框架放在抽象类中，使得这些通用步骤可以在所有子类之间共享。这减少了重复代码，并促进了代码复用。由于算法的整体结构由抽象类控制，确保了所有具体实现都遵循相同的流程。这样可以保证行为的一致性，尤其是在需要严格遵守某种操作顺序的情况下。虽然算法的整体结构是固定的，但允许子类重写某些步骤以满足特定需求，提供了极大的灵活性。

        虽然子类可以重写某些步骤，但它们不能改变算法的基本结构或顺序。这意味着，如果需要完全不同的算法流程，则无法仅通过重写现有方法来实现，必须重新设计整个结构。另外，对于简单的应用场景，引入模板方法模式可能会使设计变得过于复杂。特别是当只有少数几个步骤需要定制化时，使用这种模式可能显得过度设计。