新谈设计模式 Chapter 21 — 模板方法模式 Template Method

Chapter 21 — 模板方法模式 Template Method灵魂速记考试卷子——题目框架一样答案各写各的。秒懂类比期末考试卷子模板第一题填空、第二题选择、第三题论述学生A按自己的理解填答案学生B按自己的理解填答案试卷框架算法骨架不变具体答案某些步骤的实现由子类决定。问题引入// 灾难现场两个类的代码 90% 一样classCSVDataMiner{voidmine(){openFile();// 相同extractCSVData();// 不同parseData();// 相同analyzeData();// 相同generateCSVReport();// 不同closeFile();// 相同}};classJSONDataMiner{voidmine(){openFile();// 相同extractJSONData();// 不同parseData();// 相同analyzeData();// 相同generateJSONReport();// 不同closeFile();// 相同}};// 6 个步骤中 4 个完全重复// 加一种格式XML再复制一遍模式结构┌───────────────────────┐ │ AbstractClass │ ├───────────────────────┤ │ templateMethod() { │ ← 模板方法定义算法骨架final │ step1(); │ 固定步骤 │ step2(); │ ← 抽象子类实现 │ step3(); │ 固定步骤 │ hook(); │ ← 钩子子类可选重写 │ step4(); │ ← 抽象子类实现 │ } │ │ step1() 具体实现 │ │ step2() 纯虚函数 │ │ step4() 纯虚函数 │ │ hook() 默认空实现 │ └───────────┬───────────┘ │ 继承 ┌───────┴───────┐ │ │ ┌───┴───┐ ┌─────┴──┐ │ClassA │ │ClassB │ │step2│ │step2 │ │step4│ │step4 │ └───────┘ └────────┘C 实现#includeiostream#includestring#includevector// 抽象类数据挖掘模板 classDataMiner{public:virtual~DataMiner()default;// 模板方法定义算法骨架不应被子类重写。// 加 virtual final 可以彻底防止子类通过多态重写// virtual void mine(const std::string path) final { ... }// 注意final 只能用于 virtual 函数非 virtual 函数加 final 是编译错误。// 这里为了简洁保持非虚非虚函数无法被多态重写只能被子类「隐藏」hiding// 大多数场景已经够用了。voidmine(conststd::stringpath){std::cout━━━ 开始数据挖掘: path ━━━\n;openFile(path);// 固定步骤autorawDataextractData();// 子类实现autodataparseData(rawData);// 固定步骤analyzeData(data);// 固定步骤if(shouldGenerateReport()){// 钩子generateReport(data);// 子类实现}closeFile();// 固定步骤std::cout━━━ 挖掘完成 ━━━\n\n;}protected:// 固定步骤基类实现voidopenFile(conststd::stringpath){std::cout 打开文件: path\n;}voidcloseFile(){std::cout 关闭文件\n;}std::vectorintparseData(conststd::stringrawData){std::cout 解析数据: rawData.size() 字节\n;return{1,2,3,4,5};// 简化}voidanalyzeData(conststd::vectorintdata){intsum0;for(intv:data)sumv;std::cout 分析数据: data.size() 条记录, 总和sum\n;}// 抽象步骤子类必须实现virtualstd::stringextractData()0;virtualvoidgenerateReport(conststd::vectorintdata)0;// 钩子子类可选重写默认返回 truevirtualboolshouldGenerateReport(){returntrue;}};// 具体类CSV 矿工 classCSVDataMiner:publicDataMiner{protected:std::stringextractData()override{std::cout 提取 CSV 数据逗号分隔\n;return1,2,3,4,5;}voidgenerateReport(conststd::vectorintdata)override{std::cout 生成 CSV 报告: data.csv\n;}};// 具体类JSON 矿工 classJSONDataMiner:publicDataMiner{protected:std::stringextractData()override{std::cout 提取 JSON 数据键值对\n;returnR({data:[1,2,3,4,5]});}voidgenerateReport(conststd::vectorintdata)override{std::cout 生成 JSON 报告: report.json\n;}};// 具体类PDF 矿工不生成报告 classPDFDataMiner:publicDataMiner{protected:std::stringextractData()override{std::cout 提取 PDF 数据OCR 识别\n;returnOCR extracted text;}voidgenerateReport(conststd::vectorint)override{// 不会被调用因为钩子返回 false}// 重写钩子PDF 不生成报告boolshouldGenerateReport()override{returnfalse;}};intmain(){CSVDataMiner csv;csv.mine(sales.csv);JSONDataMiner json;json.mine(users.json);PDFDataMiner pdf;pdf.mine(contract.pdf);}输出━━━ 开始数据挖掘: sales.csv ━━━ 打开文件: sales.csv 提取 CSV 数据逗号分隔 解析数据: 9 字节 分析数据: 5 条记录, 总和15 生成 CSV 报告: data.csv 关闭文件 ━━━ 挖掘完成 ━━━ ━━━ 开始数据挖掘: users.json ━━━ 打开文件: users.json 提取 JSON 数据键值对 解析数据: 22 字节 分析数据: 5 条记录, 总和15 生成 JSON 报告: report.json 关闭文件 ━━━ 挖掘完成 ━━━ ━━━ 开始数据挖掘: contract.pdf ━━━ 打开文件: contract.pdf 提取 PDF 数据OCR 识别 解析数据: 18 字节 分析数据: 5 条记录, 总和15 关闭文件 ━━━ 挖掘完成 ━━━钩子Hook钩子是模板方法中的可选扩展点classGame{public:voidplay(){initialize();while(!isGameOver()){// ← 这就是钩子takeTurn();}displayResults();}protected:virtualvoidinitialize()0;virtualvoidtakeTurn()0;virtualvoiddisplayResults()0;// 钩子默认实现子类可以重写virtualboolisGameOver(){returnturnCount_10;}intturnCount_0;};什么时候用✅ 适合❌ 别用多个类有相似的算法框架每个子类的流程完全不同想固定算法骨架让子类改具体步骤算法需要运行时整体替换用策略消除子类中的重复代码只有一个子类没必要防混淆Template Method vs StrategyTemplate MethodStrategy机制继承组合替换什么算法的某几个步骤整个算法决定时机编译时子类继承运行时设置策略对象灵活度低改继承要改代码高运行时换类比考试卷子框架固定导航路线完全换方案一句话分清Template Method 换零件Strategy 换整台机器。Template Method vs Factory MethodFactory Method 其实是 Template Method 的一种特殊应用——模板方法中的某个步骤恰好是创建对象。好莱坞原则模板方法遵循好莱坞原则“Don’t call us, we’ll call you.”别找我我会找你。子类不调用父类的方法而是父类的模板方法在需要的时候调用子类的实现。控制权在父类手里。现代 C 小贴士CRTP 静态模板方法经典版本的模板方法用的是运行时虚函数。如果算法骨架在编译期就能确定不需要运行时多态可以用CRTPCuriously Recurring Template Pattern奇异递归模板模式实现零开销的静态版本templatetypenameDerivedclassDataMinerBase{public:// 模板方法调用派生类的具体步骤voidmine(conststd::stringpath){openFile(path);autorawstatic_castDerived*(this)-extractData();// 静态分派autodataparseData(raw);analyzeData(data);static_castDerived*(this)-generateReport(data);// 静态分派closeFile();}protected:voidopenFile(conststd::stringpath){/* 通用实现 */}voidcloseFile(){/* 通用实现 */}std::vectorintparseData(conststd::string){return{1,2,3};}voidanalyzeData(conststd::vectorint){/* 通用实现 */}};classCSVMiner:publicDataMinerBaseCSVMiner{public:std::stringextractData(){returncsv data;}voidgenerateReport(conststd::vectorint){/* CSV 报告 */}};CRTP 的static_castDerived*(this)-method()在编译期解析没有虚函数调用开销。代价是失去运行时多态不能用基类指针统一操作不同类型的 Miner。选择法则需要运行时多态 → 经典虚函数版本编译期确定类型、追求零开销 → CRTP 版本