C++设计模式之行为型模式：模板方法模式（Template Method）

模板方法模式（Template Method）是行为型设计模式的一种，它定义了一个算法的骨架，将算法的一些步骤延迟到子类中实现。这种模式允许子类在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤，从而实现算法的复用与定制。

一、核心思想与角色

模板方法模式的核心是“固定流程，可变步骤”，通过在父类中定义算法的框架，将可变部分委托给子类实现。其核心角色如下：

角色名称	核心职责
抽象类（AbstractClass）	定义算法的骨架（模板方法），包含多个抽象方法（子类必须实现的步骤）和可选的钩子方法（子类可重写的步骤）。
具体子类（ConcreteClass）	实现抽象类中的抽象方法，完成算法中与具体子类相关的步骤，可选择性重写钩子方法。

核心思想：父类封装不变的算法结构，子类负责实现具体的可变步骤，既保证了算法结构的一致性，又允许子类灵活定制部分步骤。

二、实现示例（数据处理流程）

假设我们需要设计一个数据处理框架，流程包括：数据读取、数据清洗、数据处理、结果保存四个步骤。其中，数据读取和结果保存的方式可能因数据来源（文件、数据库）不同而变化，但数据清洗和处理的核心逻辑固定。使用模板方法模式可复用核心流程，同时允许定制读取和保存步骤：

1#include <iostream>
2#include <string>
3#include <vector>
4
5// 1. 抽象类：数据处理器（定义算法骨架）
6class DataProcessor {
7public:
8    // 模板方法：定义算法的骨架（不可被子类重写）
9    void process() final {
10        readData();      // 步骤1：读取数据
11        cleanData();     // 步骤2：清洗数据（固定实现）
12        analyzeData();   // 步骤3：分析数据（固定实现）
13        if (needSaveResult()) { // 钩子方法：判断是否需要保存
14            saveResult(); // 步骤4：保存结果
15        }
16        postProcess();   // 钩子方法：后续处理（可选）
17    }
18
19    // 抽象方法：读取数据（子类必须实现）
20    virtual void readData() = 0;
21
22    // 抽象方法：保存结果（子类必须实现）
23    virtual void saveResult() = 0;
24
25    // 钩子方法1：是否需要保存结果（默认需要）
26    virtual bool needSaveResult() {
27        return true;
28    }
29
30    // 钩子方法2：后续处理（默认空实现）
31    virtual void postProcess() {}
32
33    virtual ~DataProcessor() = default;
34
35protected:
36    // 受保护的方法：数据清洗（固定实现，子类可调用但不能重写）
37    void cleanData() {
38        std::cout << "执行数据清洗：去除空值和异常值" << std::endl;
39    }
40
41    // 受保护的方法：数据分析（固定实现）
42    void analyzeData() {
43        std::cout << "执行数据分析：计算均值和方差" << std::endl;
44    }
45
46    // 存储数据的容器（供子类使用）
47    std::vector<double> data;
48};
49
50// 2. 具体子类1：文件数据处理器
51class FileDataProcessor : public DataProcessor {
52private:
53    std::string filename;
54
55public:
56    FileDataProcessor(const std::string& fn) : filename(fn) {}
57
58    // 实现读取数据：从文件读取
59    void readData() override {
60        std::cout << "从文件[" << filename << "]读取数据" << std::endl;
61        // 模拟读取数据
62        data = {1.2, 3.4, 5.6, 7.8};
63    }
64
65    // 实现保存结果：保存到文件
66    void saveResult() override {
67        std::cout << "将结果保存到文件[" << filename << ".result]" << std::endl;
68    }
69
70    // 重写钩子方法：添加自定义后续处理
71    void postProcess() override {
72        std::cout << "文件处理器后续处理：生成数据可视化图表" << std::endl;
73    }
74};
75
76// 2. 具体子类2：数据库数据处理器
77class DatabaseDataProcessor : public DataProcessor {
78private:
79    std::string dbConnection;
80
81public:
82    DatabaseDataProcessor(const std::string& conn) : dbConnection(conn) {}
83
84    // 实现读取数据：从数据库读取
85    void readData() override {
86        std::cout << "从数据库[" << dbConnection << "]读取数据" << std::endl;
87        // 模拟读取数据
88        data = {2.3, 4.5, 6.7, 8.9};
89    }
90
91    // 实现保存结果：保存到数据库
92    void saveResult() override {
93        std::cout << "将结果保存到数据库[" << dbConnection << "]" << std::endl;
94    }
95
96    // 重写钩子方法：不需要保存结果
97    bool needSaveResult() override {
98        return false; // 数据库数据可直接使用，无需额外保存
99    }
100};
101
102// 客户端代码：使用数据处理框架
103int main() {
104    // 处理文件数据
105    std::cout << "=== 处理文件数据 ===" << std::endl;
106    DataProcessor* fileProcessor = new FileDataProcessor("data.txt");
107    fileProcessor->process(); // 调用模板方法，执行完整流程
108
109    // 处理数据库数据
110    std::cout << "\n=== 处理数据库数据 ===" << std::endl;
111    DataProcessor* dbProcessor = new DatabaseDataProcessor("mysql://localhost:3306/data_db");
112    dbProcessor->process();
113
114    // 释放资源
115    delete dbProcessor;
116    delete fileProcessor;
117
118    return 0;
119}
120
121

三、代码解析

抽象类（DataProcessor）：
- 模板方法（process()）：用final修饰确保子类不能重写，定义了数据处理的完整流程：readData() → cleanData() → analyzeData() → saveResult() → postProcess()。
- 抽象方法：readData()和saveResult()声明为纯虚方法，要求子类必须实现（因不同数据源的读取和保存方式不同）。
- 固定方法：cleanData()和analyzeData()为protected的具体实现，封装了所有子类共享的核心逻辑，子类不能重写但可调用。
- 钩子方法：needSaveResult()（默认返回true）和postProcess()（默认空实现）允许子类选择性重写，用于定制流程中的可选步骤。
具体子类：
- FileDataProcessor：实现从文件读取和保存数据，重写postProcess()添加可视化处理。
- DatabaseDataProcessor：实现从数据库读取数据，重写needSaveResult()返回false（无需额外保存结果）。
  两个子类都复用了process()定义的流程，仅定制了需要变化的步骤。
客户端使用：
客户端通过抽象类接口创建具体处理器并调用process()，无需关心流程细节，只需确保子类正确实现了抽象方法。

四、核心优势与适用场景

优势

代码复用：将算法中不变的部分集中在父类，避免子类重复实现，提高代码复用率。
结构统一：模板方法固定了算法结构，确保所有子类遵循相同的流程，维护一致性。
灵活定制：子类可通过重写抽象方法和钩子方法，定制算法中的可变步骤，符合开闭原则。
反向控制：父类控制流程，子类提供实现，体现“好莱坞原则”（“不要调用我们，我们会调用你”）。

适用场景

流程固定但步骤可变：如框架设计（请求处理、数据解析、工作流引擎）、生命周期管理（初始化→运行→销毁）。
多个子类共享核心逻辑：当多个子类有相同的步骤流程，仅部分步骤实现不同时。
需要控制子类扩展：通过模板方法限制子类只能扩展特定步骤，避免破坏算法结构。

五、与其他模式的区别

模式	核心差异点
模板方法	父类定义算法骨架，子类实现具体步骤，强调“固定流程+可变实现”。
策略模式	封装不同算法，客户端动态选择，算法间相互独立，无流程依赖。
工厂方法	父类定义创建对象的接口，子类决定具体创建哪种对象，专注于对象创建。
观察者模式	定义对象间的一对多依赖，强调状态变化通知，与算法流程无关。

六、实践建议

合理设计钩子方法：钩子方法应仅用于影响流程的可选步骤，避免过度使用导致流程混乱。
控制方法访问权限：固定步骤设为private或protected final防止子类重写，抽象步骤设为protected pure virtual，确保子类实现。
避免模板方法膨胀：当算法步骤过多时，可拆分抽象类（如使用组合模式），避免单个类过于庞大。
文档化模板流程：清晰注释模板方法的执行顺序和各步骤的作用，便于子类实现和维护。

模板方法模式的核心价值在于“标准化流程，个性化实现”，它通过分离算法的固定结构与可变步骤，既保证了系统的一致性，又为定制化需求提供了灵活的扩展点。在框架设计、流程管理等场景中，模板方法模式是实现代码复用和结构统一的重要手段。

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