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模板方法模式（Template Method Pattern）详解

1. 定义

模板方法模式是一种行为型设计模式，定义一个操作中的算法骨架，将某些步骤的实现延迟到子类。通过模板方法，子类可以在不改变算法结构的情况下重新定义算法的某些步骤。

通俗解释：
模板方法就像烹饪中的食谱，它定义了做菜的步骤（算法骨架），而每道菜的具体细节（比如调味方式）由厨师（子类）决定。这样既保证了流程的一致性，又允许定制化。

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2. 使用场景

使用场景	描述
算法框架一致，细节可变	比如不同类型的文件解析：整体流程相同，但具体解析逻辑因文件类型不同而不同。
避免重复代码	公共逻辑上移到父类，实现代码复用，具体逻辑留给子类实现。
确保算法框架不被修改	算法骨架在父类中定义，不允许被改变，而只开放局部步骤供子类扩展。

3. 模板方法模式的优缺点

特性	模板方法模式	策略模式
优点	复用性高：提取通用逻辑，避免重复代码。 扩展性强：子类只需实现定制化步骤。 清晰明确：明确了算法的执行顺序，逻辑更清楚。	灵活性高：可以在运行时动态替换算法或行为。 扩展性强：通过新增策略类来扩展新的算法或行为，无需修改原有代码。 遵循开闭原则：对扩展开放，对修改封闭。
缺点	灵活性降低：父类定义的算法框架限制了子类的自由度。 继承问题：容易导致子类层次结构过于复杂。 违反开闭原则：算法框架一旦定义，修改困难。	可能的性能开销：在某些情况下，策略模式可能引入额外的性能开销，因为需要在运行时决定使用哪个策略。 客户端代码复杂性：客户端可能需要了解所有策略的细节，以便在适当的时机选择和使用它们。

4. 模板方法模式的组成

1. 抽象类
   定义算法的骨架（模板方法）和必要的抽象方法。

2. 具体子类
   实现抽象类中的具体步骤，定制行为。

3. 模板方法
   在抽象类中定义，通常是 final 的，不允许子类修改。

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5. 示例：文件解析

示例描述：

不同类型的文件（比如 JSON 和 XML）解析逻辑大致相同：

1. 打开文件。
2. 读取内容。
3. 解析数据。
4. 关闭文件。

其中，解析数据的细节因文件类型不同而不同。

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C++ 示例

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 抽象类：文件解析器
class FileParser {
public:
    // 模板方法，定义解析流程
    void parseFile(const string& fileName) {
        openFile(fileName);
        readFile();
        parseData();  // 留给子类实现
        closeFile();
    }

    virtual ~FileParser() = default;

protected:
    void openFile(const string& fileName) {
        cout << "Opening file: " << fileName << endl;
    }

    void readFile() {
        cout << "Reading file content..." << endl;
    }

    virtual void parseData() = 0;  // 抽象方法，子类实现

    void closeFile() {
        cout << "Closing file." << endl;
    }
};

// 具体子类：JSON文件解析器
class JSONParser : public FileParser {
protected:
    void parseData() override {
        cout << "Parsing JSON data." << endl;
    }
};

// 具体子类：XML文件解析器
class XMLParser : public FileParser {
protected:
    void parseData() override {
        cout << "Parsing XML data." << endl;
    }
};

// 客户端代码
int main() {
    FileParser* parser = new JSONParser();
    parser->parseFile("data.json");
    delete parser;

    parser = new XMLParser();
    parser->parseFile("data.xml");
    delete parser;

    return 0;
}

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C# 示例

using System;

// 抽象类：文件解析器
public abstract class FileParser {
    // 模板方法
    public void ParseFile(string fileName) {
        OpenFile(fileName);
        ReadFile();
        ParseData(); // 留给子类实现
        CloseFile();
    }

    protected void OpenFile(string fileName) {
        Console.WriteLine($"Opening file: {fileName}");
    }

    protected void ReadFile() {
        Console.WriteLine("Reading file content...");
    }

    protected abstract void ParseData(); // 抽象方法

    protected void CloseFile() {
        Console.WriteLine("Closing file.");
    }
}

// 具体子类：JSON文件解析器
public class JSONParser : FileParser {
    protected override void ParseData() {
        Console.WriteLine("Parsing JSON data.");
    }
}

// 具体子类：XML文件解析器
public class XMLParser : FileParser {
    protected override void ParseData() {
        Console.WriteLine("Parsing XML data.");
    }
}

// 客户端代码
class Program {
    static void Main() {
        FileParser parser = new JSONParser();
        parser.ParseFile("data.json");

        parser = new XMLParser();
        parser.ParseFile("data.xml");
    }
}

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模板方法模式的类图

classDiagram
    class AbstractClass {
        +templateMethod() void
        +hookMethod() void
        +finalMethod() void
        #primitiveOperation() void
    }

    class ConcreteClassA {
        +primitiveOperation() void
    }

    class ConcreteClassB {
        +primitiveOperation() void
    }

    AbstractClass <|-- ConcreteClassA
    AbstractClass <|-- ConcreteClassB

Loading

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6. 模板方法模式的扩展

钩子方法（Hook Method）

模板方法模式中可以包含钩子方法，子类可以通过覆盖钩子方法来影响模板方法的行为，但不是必须实现的。这种方法进一步增强了模式的灵活性。

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7. 模板方法模式与其他模式对比

特性	模板方法模式	策略模式
核心作用	固定算法流程，允许部分步骤定制	动态替换算法或行为
子类角色	扩展部分算法步骤	提供具体算法实现
抽象层次	抽象类和子类	接口和实现类
场景适用	算法逻辑固定但有定制需求	需要灵活切换算法或行为

模板方法模式总结

1. 适用范围：当多个类具有相似的操作流程，且部分步骤需要定制时，使用模板方法模式非常合适。
2. 设计哲学：使用“模板”将不变的部分抽象出来，同时开放定制点以支持扩展。
3. 注意事项：避免过多的抽象和继承层次，防止代码复杂化。