58设计模式与范式之行为型-模板模式（上）：剖析模板模式在JDK、Servlet、JUnit等中的应用

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上两节课我们学习了第一个行为型设计模式，观察者模式。针对不同的应用场景，我们讲解了不同的实现方式，有同步阻塞、异步非阻塞的实现方式，也有进程内、进程间的实现方式。除此之外，我还带你手把手实现了一个简单的EventBus框架。

今天，我们再学习另外一种行为型设计模式，模板模式。我们多次强调，绝大部分设计模式的原理和实现，都非常简单，难的是掌握应用场景，搞清楚能解决什么问题。模板模式也不例外。模板模式主要是用来解决复用和扩展两个问题。我们今天会结合Java Servlet、JUnit TestCase、Java InputStream、Java AbstractList四个例子来具体讲解这两个作用。

话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！

模板模式的原理与实现

模板模式，全称是模板方法设计模式，英文是Template Method Design Pattern。在GoF的《设计模式》一书中，它是这么定义的：

Define the skeleton of an algorithm in an operation, deferring some steps to subclasses. Template Method lets subclasses redefine certain steps of an algorithm without changing the algorithm’s structure.

翻译成中文就是：模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。

这里的“算法”，我们可以理解为广义上的“业务逻辑”，并不特指数据结构和算法中的“算法”。这里的算法骨架就是“模板”，包含算法骨架的方法就是“模板方法”，这也是模板方法模式名字的由来。

原理很简单，代码实现就更加简单，我写了一个示例代码，如下所示。templateMethod()函数定义为final，是为了避免子类重写它。method1()和method2()定义为abstract，是为了强迫子类去实现。不过，这些都不是必须的，在实际的项目开发中，模板模式的代码实现比较灵活，待会儿讲到应用场景的时候，我们会有具体的体现。

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public abstract class AbstractClass {
  public final void templateMethod() {
    //...
    method1();
    //...
    method2();
    //...
  }
  
  protected abstract void method1();
  protected abstract void method2();
}

public class ConcreteClass1 extends AbstractClass {
  @Override
  protected void method1() {
    //...
  }
  
  @Override
  protected void method2() {
    //...
  }
}

public class ConcreteClass2 extends AbstractClass {
  @Override
  protected void method1() {
    //...
  }
  
  @Override
  protected void method2() {
    //...
  }
}

AbstractClass demo = ConcreteClass1();
demo.templateMethod();

模板模式作用一：复用

开篇的时候，我们讲到模板模式有两大作用：复用和扩展。我们先来看它的第一个作用：复用。

模板模式把一个算法中不变的流程抽象到父类的模板方法templateMethod()中，将可变的部分method1()、method2()留给子类ContreteClass1和ContreteClass2来实现。所有的子类都可以复用父类中模板方法定义的流程代码。我们通过两个小例子来更直观地体会一下。

1.Java InputStream

Java IO类库中，有很多类的设计用到了模板模式，比如InputStream、OutputStream、Reader、Writer。我们拿InputStream来举例说明一下。

我把InputStream部分相关代码贴在了下面。在代码中，read()函数是一个模板方法，定义了读取数据的整个流程，并且暴露了一个可以由子类来定制的抽象方法。不过这个方法也被命名为了read()，只是参数跟模板方法不同。

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public abstract class InputStream implements Closeable {
  //...省略其他代码...
  
  public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    if (b == null) {
      throw new NullPointerException();
    } else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
      throw new IndexOutOfBoundsException();
    } else if (len == 0) {
      return 0;
    }

    int c = read();
    if (c == -1) {
      return -1;
    }
    b[off] = (byte)c;

    int i = 1;
    try {
      for (; i < len ; i++) {
        c = read();
        if (c == -1) {
          break;
        }
        b[off + i] = (byte)c;
      }
    } catch (IOException ee) {
    }
    return i;
  }
  
  public abstract int read() throws IOException;
}

public class ByteArrayInputStream extends InputStream {
  //...省略其他代码...
  
  @Override
  public synchronized int read() {
    return (pos < count) ? (buf[pos++] & 0xff) : -1;
  }
}

2.Java AbstractList

在Java AbstractList类中，addAll()函数可以看作模板方法，add()是子类需要重写的方法，尽管没有声明为abstract的，但函数实现直接抛出了UnsupportedOperationException异常。前提是，如果子类不重写是不能使用的。

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public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    rangeCheckForAdd(index);
    boolean modified = false;
    for (E e : c) {
        add(index++, e);
        modified = true;
    }
    return modified;
}

public void add(int index, E element) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

模板模式作用二：扩展

模板模式的第二大作用的是扩展。这里所说的扩展，并不是指代码的扩展性，而是指框架的扩展性，有点类似我们之前讲到的控制反转，你可以结合第19节来一块理解。基于这个作用，模板模式常用在框架的开发中，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，定制化框架的功能。我们通过Junit TestCase、Java Servlet两个例子来解释一下。

1.Java Servlet

对于Java Web项目开发来说，常用的开发框架是SpringMVC。利用它，我们只需要关注业务代码的编写，底层的原理几乎不会涉及。但是，如果我们抛开这些高级框架来开发Web项目，必然会用到Servlet。实际上，使用比较底层的Servlet来开发Web项目也不难。我们只需要定义一个继承HttpServlet的类，并且重写其中的doGet()或doPost()方法，来分别处理get和post请求。具体的代码示例如下所示：

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public class HelloServlet extends HttpServlet {
  @Override
  protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
    this.doPost(req, resp);
  }
  
  @Override
  protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
    resp.getWriter().write("Hello World.");
  }
}

除此之外，我们还需要在配置文件web.xml中做如下配置。Tomcat、Jetty等Servlet容器在启动的时候，会自动加载这个配置文件中的URL和Servlet之间的映射关系。

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<servlet>
    <servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
    <servlet-class>com.xzg.cd.HelloServlet</servlet-class>
</servlet>

<servlet-mapping>
    <servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
    <url-pattern>/hello</url-pattern>
</servlet-mapping>

当我们在浏览器中输入网址（比如，http://127.0.0.1:8080/hello ）的时候，Servlet容器会接收到相应的请求，并且根据URL和Servlet之间的映射关系，找到相应的Servlet（HelloServlet），然后执行它的service()方法。service()方法定义在父类HttpServlet中，它会调用doGet()或doPost()方法，然后输出数据（“Hello world”）到网页。

我们现在来看，HttpServlet的service()函数长什么样子。

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public void service(ServletRequest req, ServletResponse res)
    throws ServletException, IOException
{
    HttpServletRequest  request;
    HttpServletResponse response;
    if (!(req instanceof HttpServletRequest &&
            res instanceof HttpServletResponse)) {
        throw new ServletException("non-HTTP request or response");
    }
    request = (HttpServletRequest) req;
    response = (HttpServletResponse) res;
    service(request, response);
}

protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
    throws ServletException, IOException
{
    String method = req.getMethod();
    if (method.equals(METHOD_GET)) {
        long lastModified = getLastModified(req);
        if (lastModified == -1) {
            // servlet doesn't support if-modified-since, no reason
            // to go through further expensive logic
            doGet(req, resp);
        } else {
            long ifModifiedSince = req.getDateHeader(HEADER_IFMODSINCE);
            if (ifModifiedSince < lastModified) {
                // If the servlet mod time is later, call doGet()
                // Round down to the nearest second for a proper compare
                // A ifModifiedSince of -1 will always be less
                maybeSetLastModified(resp, lastModified);
                doGet(req, resp);
            } else {
                resp.setStatus(HttpServletResponse.SC_NOT_MODIFIED);
            }
        }
    } else if (method.equals(METHOD_HEAD)) {
        long lastModified = getLastModified(req);
        maybeSetLastModified(resp, lastModified);
        doHead(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_POST)) {
        doPost(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_PUT)) {
        doPut(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_DELETE)) {
        doDelete(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_OPTIONS)) {
        doOptions(req,resp);
    } else if (method.equals(METHOD_TRACE)) {
        doTrace(req,resp);
    } else {
        String errMsg = lStrings.getString("http.method_not_implemented");
        Object[] errArgs = new Object[1];
        errArgs[0] = method;
        errMsg = MessageFormat.format(errMsg, errArgs);
        resp.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_IMPLEMENTED, errMsg);
    }
}

从上面的代码中我们可以看出，HttpServlet的service()方法就是一个模板方法，它实现了整个HTTP请求的执行流程，doGet()、doPost()是模板中可以由子类来定制的部分。实际上，这就相当于Servlet框架提供了一个扩展点（doGet()、doPost()方法），让框架用户在不用修改Servlet框架源码的情况下，将业务代码通过扩展点镶嵌到框架中执行。

2.JUnit TestCase

跟Java Servlet类似，JUnit框架也通过模板模式提供了一些功能扩展点（setUp()、tearDown()等），让框架用户可以在这些扩展点上扩展功能。

在使用JUnit测试框架来编写单元测试的时候，我们编写的测试类都要继承框架提供的TestCase类。在TestCase类中，runBare()函数是模板方法，它定义了执行测试用例的整体流程：先执行setUp()做些准备工作，然后执行runTest()运行真正的测试代码，最后执行tearDown()做扫尾工作。

TestCase类的具体代码如下所示。尽管setUp()、tearDown()并不是抽象函数，还提供了默认的实现，不强制子类去重新实现，但这部分也是可以在子类中定制的，所以也符合模板模式的定义。

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public abstract class TestCase extends Assert implements Test {
  public void runBare() throws Throwable {
    Throwable exception = null;
    setUp();
    try {
      runTest();
    } catch (Throwable running) {
      exception = running;
    } finally {
      try {
        tearDown();
      } catch (Throwable tearingDown) {
        if (exception == null) exception = tearingDown;
      }
    }
    if (exception != null) throw exception;
  }
  
  /**
  * Sets up the fixture, for example, open a network connection.
  * This method is called before a test is executed.
  */
  protected void setUp() throws Exception {
  }

  /**
  * Tears down the fixture, for example, close a network connection.
  * This method is called after a test is executed.
  */
  protected void tearDown() throws Exception {
  }
}

重点回顾

好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。

模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。这里的“算法”，我们可以理解为广义上的“业务逻辑”，并不特指数据结构和算法中的“算法”。这里的算法骨架就是“模板”，包含算法骨架的方法就是“模板方法”，这也是模板方法模式名字的由来。

在模板模式经典的实现中，模板方法定义为final，可以避免被子类重写。需要子类重写的方法定义为abstract，可以强迫子类去实现。不过，在实际项目开发中，模板模式的实现比较灵活，以上两点都不是必须的。

模板模式有两大作用：复用和扩展。其中，复用指的是，所有的子类可以复用父类中提供的模板方法的代码。扩展指的是，框架通过模板模式提供功能扩展点，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，基于扩展点定制化框架的功能。

课堂讨论

假设一个框架中的某个类暴露了两个模板方法，并且定义了一堆供模板方法调用的抽象方法，代码示例如下所示。在项目开发中，即便我们只用到这个类的其中一个模板方法，我们还是要在子类中把所有的抽象方法都实现一遍，这相当于无效劳动，有没有其他方式来解决这个问题呢？

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public abstract class AbstractClass {
  public final void templateMethod1() {
    //...
    method1();
    //...
    method2();
    //...
  }
  
  public final void templateMethod2() {
    //...
    method3();
    //...
    method4();
    //...
  }
  
  protected abstract void method1();
  protected abstract void method2();
  protected abstract void method3();
  protected abstract void method4();
}

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