设计模式使用场景实现示例及优缺点（行为型模式——模板方法模式）

模板方法模式（Template Method Pattern）

模板方法模式（Template Method Pattern）是一种行为设计模式，它定义了一个操作中的算法的骨架，将算法的一些步骤延迟到子类中。这样可以在不改变算法的结构的前提下，重新定义算法的某些特定步骤。

核心组件

• AbstractClass（抽象类）：这是一个抽象基类，它定义了一套算法的模板。它实现了模板方法，定义了算法的骨架，具体步骤由子类实现。
• ConcreteClass（具体类）：这些类继承自抽象基类，并实现其算法中的具体步骤。

  适用场景

  1. 一次性实现算法的不变部分：
     • 当算法的大部分结构固定不变，但某些步骤具有多变性时，可使用模板方法模式。
     • 各子类中公共行为应提取到单一位置避免代码重复：
       • 通过模板方法模式，可以将公共行为提取到超类中，通过继承机制复用这部分代码。
       • 控制子类扩展：
         • 模板方法模式通过将算法的核心流程固化在超类中，防止子类破坏原有算法的结构。

  实现实例

  以一个简单的游戏开发为例，其中游戏的基本结构（启动、开始、结束）是固定的，但具体每个阶段的实现可以根据不同类型的游戏变化。使用模板方法模式可以固定游戏的主体流程，而将具体步骤的实现留给子类：

  抽象类（Abstract Class）

  这个类定义了游戏的基本流程，并将具体实现留给子类。

  public abstract class Game {
      abstract void initialize();
      abstract void startPlay();
      abstract void endPlay();
      // 模板方法
      public final void play() {
          initialize();  // 初始化游戏
          startPlay();   // 开始游戏
          endPlay();     // 结束游戏
      }
  }
  

  具体类（Concrete Classes）

  这些类继承自抽象基类，并实现了其具体的操作。

  public class Cricket extends Game {
      @Override
      void initialize() {
          System.out.println("Cricket Game Initialized! Start playing.");
      }
      @Override
      void startPlay() {
          System.out.println("Cricket Game Started. Enjoy the game!");
      }
      @Override
      void endPlay() {
          System.out.println("Cricket Game Finished!");
      }
  }
  public class Football extends Game {
      @Override
      void initialize() {
          System.out.println("Football Game Initialized! Start playing.");
      }
      @Override
      void startPlay() {
          System.out.println("Football Game Started. Enjoy the game!");
      }
      @Override
      void endPlay() {
          System.out.println("Football Game Finished!");
      }
  }
  

  客户端代码（Client Code）

  这部分代码演示了如何使用模板方法模式来规范游戏的流程。

  public class Client {
      public static void main(String[] args) {
          Game game = new Cricket();
          game.play();  // 按照Cricket的流程执行游戏
          game = new Football();
          game.play();  // 按照Football的流程执行游戏
      }
  }
  

  优缺点

  优点

  1. 提高代码复用性：
     • 将通用部分的代码放在抽象的父类中，减少了子类的重复代码。
     • 扩展性好：
       • 新增具体类时，只需实现算法的可变部分，不需修改已有的代码。
       • 控制子类扩展：
         • 可以在超类中定义严格的算法规则，限定子类的行为和结构。

  缺点

  1. 对继承的依赖：
     • 模板方法模式通过继承来实现，可能会导致过多的类层次。
     • 可能违背Liskov替换原则：
       • 如果子类不适当地实现父类的方法，可能会违背Liskov替换原则。

  类图

  +----------------+         +------------------+
  |   AbstractClass|-------->|   ConcreteClass  |
  +----------------+         +------------------+
  | + templateMethod()       | + step1()        |
  | + step1()                | + step2()        |
  | + step2()                +------------------+
  | + step3()                |
  +----------------+         |
  | + step3()                |
  +----------------+         |
                             |
        +-------------------+|
        |                   |
  +---------------+ +-----------------+
  |ConcreteClassA | |ConcreteClassB   |
  +---------------+ +-----------------+
  | + step1()     | | + step1()       |
  | + step2()     | | + step2()       |
  | + step3()     | | + step3()       |
  +---------------+ +-----------------+
  

  注意事项

  设计灵活性与复杂性：

  模板方法模式虽然提高了代码的复用性，但也可能导致设计过于复杂。在设计时应确保不过度使用，以免造成系统的不必要复杂。

  子类的设计约束：

  子类实现时必须遵循抽象基类的方法模板，这限制了子类的灵活性。设计者需要在提供足够的灵活性和维持算法结构之间找到平衡。

  重构与维护：

  如果模板方法本身需要修改，可能会影响到所有的子类。因此，在模板方法中应尽量减少修改的可能性，确保长时间的稳定性。

  总结

  模板方法模式是一种强大的设计工具，通过预定义算法的结构，提供了高度的复用性和扩展性。它不仅适用于软件开发，还广泛应用于系统设计和业务流程管理。通过对模式的适当扩展和优化，可以有效应对更加复杂和动态的设计挑战。这种模式的成功实施需要深入理解业务需求和技术上的灵活运用，以确保设计的可维护性和系统的可扩展性。