【后端高频面试题--设计模式下篇】-模板方法模式

时间：2024-02-15 19:13:26

怎么理解模板方法模式

模板方法模式是一种行为型设计模式，它定义了一个操作中的算法骨架，将一些步骤延迟到子类中实现。模板方法模式通过模板方法来控制算法的结构，同时允许子类根据需要重写特定步骤，以实现自己的行为。

在模板方法模式中，有两个关键角色：

  1. 模板方法（Template Method）：
    模板方法是一个抽象方法或虚拟方法，定义了算法的骨架。它通常是一个具体的方法，其中包含了一系列的步骤或操作，这些步骤按照一定的顺序执行。模板方法可以包含具体实现，也可以调用抽象方法或钩子方法。

  2. 抽象方法（Abstract Method）和钩子方法（Hook Method）：
    抽象方法是模板方法中的一个或多个方法，它们由抽象类或接口定义，并延迟到子类中实现。子类必须提供这些抽象方法的具体实现。钩子方法是在模板方法中声明的一个空方法或具有默认实现的方法，子类可以选择性地重写钩子方法。

模板方法模式的核心思想是将算法的结构固定下来，但允许具体的实现细节在子类中进行扩展。通过定义模板方法和抽象方法，模板方法模式提供了一种框架，促使代码重用和扩展。

模板方法模式的优点包括：

  • 提供了一种固定算法结构，方便代码复用和维护。
  • 允许子类根据需要重写特定步骤，实现自己的行为。
  • 通过钩子方法，允许子类选择性地扩展或修改算法的行为。

模板方法模式适用于以下场景：

  • 当需要定义一个算法的骨架，但允许具体步骤的实现在子类中变化时。
  • 当希望通过继承和多态来实现代码重用和扩展时。
  • 当有一些通用操作可以放在父类中，而具体实现可以在子类中实现时。

需要注意的是，模板方法模式使用继承来实现算法的扩展，这可能导致类层次结构的膨胀。此外，由于模板方法在父类中被定义，因此子类对算法结构的修改受到限制。因此，在使用模板方法模式时需要仔细设计类的层次结构和方法的可扩展性。

模板方法模式的优缺点

模板方法模式是一种常用的设计模式，它在定义算法的骨架的同时，允许子类根据需要重写特定的步骤，以实现自己的行为。下面是模板方法模式的一些优缺点：

优点：

  1. 代码复用：模板方法模式通过将算法的结构固定在父类中，可以在子类中重用这个算法，避免了重复编写相同的代码。
  2. 提高了扩展性：通过在模板方法中定义抽象方法或钩子方法，子类可以根据需要实现自己的具体步骤，从而灵活地扩展或修改算法的行为。
  3. 降低了代码的重构风险：由于模板方法模式将算法的核心逻辑固定在父类中，只允许子类实现特定的步骤，因此在修改算法时，只需关注修改对应的步骤，减少了对整个算法的影响，降低了代码的重构风险。

缺点：

  1. 类层次结构的扩展：模板方法模式使用继承来实现算法的扩展，这可能导致类层次结构的膨胀。每个变体的实现都需要创建一个具体的子类，当变体较多时，类的数量会增加。
  2. 父类对子类的依赖：在模板方法模式中，父类定义了算法的骨架，而子类负责实现具体的步骤。这使得父类对子类有一定的依赖性，子类的实现可能会影响算法的整体结构。
  3. 不适合算法的所有步骤都需要扩展：如果算法的所有步骤都需要在子类中进行扩展，那么模板方法模式可能不适用。因为这样会导致在每个子类中重写所有的步骤，增加了代码的重复性和复杂性。

总的来说，模板方法模式在提供代码复用和扩展性方面具有一定的优势，但需要注意类层次结构的扩展和父类对子类的依赖。在使用模板方法模式时，需要仔细考虑算法的结构和步骤的扩展性，以及权衡代码的复用和灵活性之间的关系。

模板方法模式的应用场景

模板方法模式适用于以下场景：

  1. 算法的骨架固定：当有一个算法的基本骨架已经确定，但其中的某些具体步骤可以有不同的实现方式时，可以使用模板方法模式。例如，一个订单处理流程中，包括接收订单、验证订单、处理支付、发货等步骤，这些步骤的顺序是固定的，但每个步骤的具体实现方式可能会有所不同。

  2. 代码复用和扩展：当有多个类或方法存在相似的行为模式时，可以将这些相似的行为提取到父类中的模板方法中，以实现代码的复用。同时，通过允许子类重写特定的步骤，可以在不修改父类的情况下扩展或修改行为。

  3. 框架和库的设计：模板方法模式广泛应用于框架和库的设计中。框架提供一个抽象的模板方法，定义了整体的流程和结构，而具体的实现则由使用框架的开发者提供。这样可以保持框架的稳定性，并提供给开发者一定的灵活性。

  4. 算法和流程的变体：当存在多个算法或流程的变体时，可以使用模板方法模式。通过定义一个模板方法，将算法或流程的共同部分提取到父类中，而将变体的实现细节留给子类。这样可以在不同的子类中实现不同的变体，而不会影响整体的结构和逻辑。

总的来说，模板方法模式适用于具有固定结构但可变实现的场景，例如订单处理、框架和库设计、算法和流程的变体等。它提供了一种灵活的方式来定义算法的骨架，并允许子类根据需要进行扩展和修改。

代码实现模板方法模式

以下是一个简单的代码示例，展示了如何使用模板方法模式来实现一个炒菜的模板：

from abc import ABC, abstractmethod

class CookTemplate(ABC):
    def cook(self):
        self.prepareIngredients()
        self.boilWater()
        self.cookIngredients()
        self.serveDish()

    def prepareIngredients(self):
        print("准备食材")

    def boilWater(self):
        print("煮水")

    @abstractmethod
    def cookIngredients(self):
        pass

    def serveDish(self):
        print("上菜")

在这个示例中，CookTemplate 是一个抽象类，定义了一个模板方法 cook()，该方法定义了炒菜的整体流程。它依次调用了准备食材（prepareIngredients()）、煮水（boilWater()）、炒食材（cookIngredients()）和上菜（serveDish()）的步骤。

prepareIngredients() 和 boilWater() 是具体的步骤，它们在父类中已经有了默认的实现。而 cookIngredients() 是一个抽象方法，它需要在子类中进行具体的实现。

下面是一个具体的子类实现：

class StirFryCook(CookTemplate):
    def cookIngredients(self):
        print("炒菜")

class BoilCook(CookTemplate):
    def cookIngredients(self):
        print("煮菜")

在这个示例中，StirFryCook 和 BoilCook 是两个具体的子类，它们分别实现了 cookIngredients() 方法，用于具体的炒菜和煮菜步骤。

下面是示例的使用代码：

stir_fry_cook = StirFryCook()
stir_fry_cook.cook()

boil_cook = BoilCook()
boil_cook.cook()

运行以上代码，将会得到如下输出：

准备食材
煮水
炒菜
上菜
准备食材
煮水
煮菜
上菜

通过模板方法模式，我们可以定义炒菜的整体流程，并在子类中实现具体的炒菜或煮菜步骤，从而实现了代码的复用和扩展。

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