模板方法模式：从咖啡和茶到Spring框架，掌握设计模式的精髓

《Head First 设计模式》是一本经典的设计模式入门书籍，它以轻松幽默的方式讲解了设计模式的核心思想。其中，模板方法模式是一个非常简单但非常实用的设计模式，它可以帮助我们定义算法的骨架，同时将具体实现延迟到子类中。今天，我们就通过书中的例子，结合代码，来深入理解模板方法模式，并探讨它在JDK和Spring框架中的应用。

什么是模板方法模式？

模板方法模式的定义是：

在一个方法中定义一个算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。

简单来说，模板方法模式就是将算法的通用部分放在父类中，而将可变的部分交给子类去实现。这样既能避免代码重复，又能保证算法的结构不被破坏。

从咖啡和茶的故事说起

在《Head First 设计模式》中，作者用一个咖啡和茶的例子来讲解模板方法模式。我们来看看咖啡和茶的冲泡过程：

咖啡的冲泡过程

把水煮沸
用沸水冲泡咖啡
把咖啡倒进杯子
加糖和牛奶

茶的冲泡过程

把水煮沸
用沸水浸泡茶叶
把茶倒进杯子
加柠檬

我们发现，咖啡和茶的冲泡过程非常相似，只有第2步和第4步有所不同。那么，我们是否可以将这个冲泡过程抽象出来，形成一个模板方法呢？

用模板方法模式实现咖啡和茶

第一步：定义抽象类

我们定义一个抽象类 CaffeineBeverage，它包含了一个模板方法 prepareRecipe()，这个方法定义了冲泡饮料的算法骨架。然后，我们将一些步骤延迟到子类中实现。

abstract class CaffeineBeverage {

    // 模板方法，定义了算法的骨架
    final void prepareRecipe() {
        boilWater();
        brew();
        pourInCup();
        addCondiments();
    }

    // 具体步骤，子类必须实现
    abstract void brew();

    abstract void addCondiments();

    // 通用步骤，所有子类共享
    void boilWater() {
        System.out.println("Boiling water");
    }

    void pourInCup() {
        System.out.println("Pouring into cup");
    }
}

第二步：实现具体子类

接下来，我们分别实现 Coffee 和 Tea 类，它们继承自 CaffeineBeverage，并实现各自的 brew() 和 addCondiments() 方法。

class Coffee extends CaffeineBeverage {

    @Override
    void brew() {
        System.out.println("Dripping Coffee through filter");
    }

    @Override
    void addCondiments() {
        System.out.println("Adding Sugar and Milk");
    }
}

class Tea extends CaffeineBeverage {

    @Override
    void brew() {
        System.out.println("Steeping the tea");
    }

    @Override
    void addCondiments() {
        System.out.println("Adding Lemon");
    }
}

第三步：测试代码

现在，我们可以通过调用 prepareRecipe() 方法来冲泡咖啡或茶。

public class CaffeineBeverageTest {

    public static void main(String[] args) {
        CaffeineBeverage coffee = new Coffee();
        CaffeineBeverage tea = new Tea();

        System.out.println("Making coffee...");
        coffee.prepareRecipe();

        System.out.println("\nMaking tea...");
        tea.prepareRecipe();
    }
}

运行结果：

Making coffee...
Boiling water
Dripping Coffee through filter
Pouring into cup
Adding Sugar and Milk

Making tea...
Boiling water
Steeping the tea
Pouring into cup
Adding Lemon

模板方法模式的核心思想

通过上面的例子，我们可以总结出模板方法模式的核心思想：

定义算法的骨架：将算法的通用部分放在父类中，形成一个模板方法。
延迟实现：将算法的可变部分延迟到子类中实现。
避免代码重复：通过抽象类将通用逻辑提取出来，避免子类重复代码。

模板方法模式的优点

代码复用：将通用逻辑放在父类中，子类只需关注自己的实现。
扩展性好：新增子类时，只需实现可变部分，而不需要修改算法的结构。
符合开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。

模板方法模式的应用场景

模板方法模式非常适合以下场景：

固定流程，可变细节：例如数据处理流程、工作流引擎等。
避免重复代码：当多个类有相似的逻辑时，可以将通用部分提取到父类中。
框架设计：框架通常定义流程，而将具体实现交给用户。

模板方法模式在JDK中的应用

在JDK中，模板方法模式也有广泛的应用。例如，java.util.AbstractList 就是一个典型的模板方法模式实现。

AbstractList 是一个抽象类，它定义了列表操作的通用逻辑，而将具体的操作（如 get()、set() 等）延迟到子类中实现。

public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {

    // 模板方法，定义了算法的骨架
    public boolean add(E e) {
        add(size(), e);
        return true;
    }

    // 具体步骤，子类必须实现
    abstract public E get(int index);

    abstract public E set(int index, E element);

    // 通用步骤，所有子类共享
    public void add(int index, E element) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

通过这种方式，AbstractList 提供了一个通用的列表操作框架，而具体的实现（如 ArrayList、LinkedList 等）可以根据自己的需求进行扩展。

模板方法模式在Spring框架中的应用

在Spring框架中，模板方法模式也有广泛的应用。例如，JdbcTemplate 就是一个典型的模板方法模式实现。

JdbcTemplate 提供了一个通用的数据库操作框架，而将具体的SQL执行逻辑交给用户实现。

public class JdbcTemplate extends JdbcAccessor implements JdbcOperations {

    // 模板方法，定义了算法的骨架
    public <T> T query(String sql, ResultSetExtractor<T> rse) throws DataAccessException {
        return query(sql, new ResultSetExtractor<T>() {
            @Override
            public T extractData(ResultSet rs) throws SQLException, DataAccessException {
                return rse.extractData(rs);
            }
        });
    }

    // 具体步骤，用户必须实现
    public <T> T query(String sql, ResultSetExtractor<T> rse) throws DataAccessException {
        return execute(sql, new PreparedStatementCallback<T>() {
            @Override
            public T doInPreparedStatement(PreparedStatement ps) throws SQLException, DataAccessException {
                ResultSet rs = null;
                try {
                    rs = ps.executeQuery();
                    return rse.extractData(rs);
                } finally {
                    JdbcUtils.closeResultSet(rs);
                }
            }
        });
    }
}

通过这种方式，JdbcTemplate 提供了一个通用的数据库操作框架，而用户只需关注自己的SQL执行逻辑。

总结

模板方法模式是设计模式中最简单但最实用的模式之一。它通过定义算法的骨架，将可变部分延迟到子类中，既保证了代码的复用性，又增强了系统的扩展性。

通过《Head First 设计模式》中的咖啡和茶例子，我们可以清晰地理解模板方法模式的核心思想，并掌握如何在实际开发中应用它。

如果你正在学习设计模式，不妨从模板方法模式开始，用一杯咖啡和茶的时间，掌握设计模式的精髓！

互动话题：你在实际开发中用过模板方法模式吗？欢迎在评论区分享你的经验和心得！