Java模板方法模式源码剖析及使用场景

一、原理与通俗理解

模板方法模式定义了一个算法的骨架,将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法定义一个算法的骨架,将一些步骤的实现延迟到子类中完成。这样做的目的是确保算法的结构保持不变,同时又可以为不同的子类提供特定步骤的实现。

比如去餐馆吃饭,餐馆有固定的流程(下单->上菜->吃饭->付款),这就是模板方法。但对于不同的顾客,他们点的菜不同(重写了上菜这一步骤)。

二、案例演示

1. 员工审核系统需求
   1. 收集员工信息
   2. 验证员工资格
   3. 核心决策是否雇佣
   4. 雇佣或拒绝员工

// 抽象类 - 模板方法
abstract class EmployeeApprover {// 模板方法public final void processRequest(EmployeeRequest request) {collectEmployeeInfo(request); // 1verifyEmployeeInfo(request); // 2if (approveEmployee(request)) { // 3hireEmployee(request); // 4} else {rejectEmployee(request); // 4}}// 收集员工信息 - 由子类实现protected abstract void collectEmployeeInfo(EmployeeRequest request);// 验证员工资格 - 由子类实现protected abstract void verifyEmployeeInfo(EmployeeRequest request);// 核心决策 - 由子类实现protected abstract boolean approveEmployee(EmployeeRequest request);// 具体雇佣步骤private void hireEmployee(EmployeeRequest request) {System.out.println("已雇佣员工: " + request.getName());}// 具体拒绝步骤private void rejectEmployee(EmployeeRequest request) {System.out.println("已拒绝员工: " + request.getName());}
}// 具体子类 - 实现抽象方法
class ITEmployeeApprover extends EmployeeApprover {@Overrideprotected void collectEmployeeInfo(EmployeeRequest request) {// 收集IT员工信息}@Overrideprotected void verifyEmployeeInfo(EmployeeRequest request) {// 验证IT员工资格}@Overrideprotected boolean approveEmployee(EmployeeRequest request) {// 审核IT员工是否合格return true;}
}

2. CRM系统订单处理需求
   1. 收集订单信息
   2. 验证订单信息
   3. 核心决策是否发货
   4. 发货或拒绝订单

// 抽象类 - 模板方法
abstract class OrderProcessor {// 模板方法public final void processOrder(Order order) {collectOrderInfo(order); // 1verifyOrderInfo(order); // 2if (approveOrder(order)) { // 3shipOrder(order); // 4} else {rejectOrder(order); // 4}}// 收集订单信息 - 由子类实现protected abstract void collectOrderInfo(Order order);// 验证订单信息 - 由子类实现protected abstract void verifyOrderInfo(Order order);// 核心决策 - 由子类实现 protected abstract boolean approveOrder(Order order);// 具体发货步骤private void shipOrder(Order order) {System.out.println("已发货订单: " + order.getId());}// 具体拒绝步骤private void rejectOrder(Order order) {System.out.println("已拒绝订单: " + order.getId());}
}// 具体子类 - 实现抽象方法
class OnlineOrderProcessor extends OrderProcessor {@Overrideprotected void collectOrderInfo(Order order) {// 收集在线订单信息}@Overrideprotected void verifyOrderInfo(Order order) {// 验证在线订单信息}@Overrideprotected boolean approveOrder(Order order) {// 审核在线订单是否合格return true;}
}

三、Java源码中的模板方法模式

1. InputStream抽象类

InputStream定义了读取数据的标准方法read(),而具体的读取方式由子类实现。

public abstract class InputStream implements Closeable {public abstract int read() throws IOException;public int read(byte b[]) throws IOException {return read(b, 0, b.length);}public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {// 模板方法}// 其他方法...
}

2. AbstractList抽象类

AbstractList提供了模板方法addAll()用于批量添加元素,而具体的添加逻辑由子类实现。

public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {// 模板方法return batchOperation(c, true);}private boolean batchOperation(...) {// ...for (E e : c)result = add(e); // 调用抽象方法}public abstract boolean add(E e); // 抽象方法,子类实现
}

3. Spring JdbcTemplate

JdbcTemplate使用模板方法模式对底层的JDBC操作进行封装,开发者只需实现回调接口即可。以query方法为例:

public class JdbcTemplate extends JdbcAccessor implements JdbcOperations {  public <T> T query(String sql, Object[] args, ResultSetExtractor<T> rse) throws DataAccessException {// 模板方法return query(sql, newArgPreparedStatementSetter(args), rse);}// 实际的查询逻辑private <T> T query(PreparedStatementCreator psc, ResultSetExtractor<T> rse) throws DataAccessException {// 具体的数据库操作...rse.extractData(rs); // 调用回调接口}
}

四、总结优缺点以及使用经验

优点:

1. 封装不变部分,扩展可变部分,代码复用性好
2. 父类调用子类操作,通过子类扩展增强功能
3. 符合开闭原则和里氏替换原则

缺点:

1. 每个不同的实现都需要定义一个子类,类的个数可能过多
2. 父类和子类之间存在潜在的扩展性限制
3. 编写过程复杂,逻辑较难理解

使用经验:

1. 适用于复杂流程,有固定不变的算法骨架和某些可变的细节
2. 需要先分清楚算法固定部分和可变部分
3. 体现了模板模式的核心思想"继承 + 多态"
4. 在框架设计中是常用的模式,可以提高代码的复用性
5. 不建议过度使用,需要权衡利弊,避免类膨胀

模板方法模式是一种典型的通过交换算法步骤扩展功能的设计模式,适用于算法骨架固定,某些步骤需要不同实现的场景。恰当使用可以提高代码复用性和系统扩展性。