Java中的模板方法模式

准备一个抽象类,将部分逻辑以具体方法以及具体构造子的形式实现,然后声明一些抽象方法来迫使子类实现剩余逻辑。不同的子类可以以不同的方式实现这些抽象方法,从而对剩余的逻辑有不同的实现。模版方法模式是基于继承的代码复用的基本技术。

结构

模板方法模式需要开发抽象类和具体子类的设计师之间的协作。一个设计师负责给出一个算法的轮廓和骨架,另一些设计师则负责给出这个算法的各个逻辑步骤。代表这些具体逻辑步骤的方法称做基本方法(primitive method);而将这些基本方法汇总起来的方法叫做模板方法(template method),这个设计模式的名字就是从此而来。

模板方法所代表的行为称为顶级行为,其逻辑称为顶级逻辑。模板方法模式的静态结构图如下所示:

template

这里涉及到两个角色:

抽象模板(Abstract Template)角色:

  • 定义了一个或多个抽象操作,以便让子类实现。这些抽象操作叫做基本操作,它们是一个顶级逻辑的组成步骤。
  • 定义并实现了一个模板方法。这个模板方法一般是一个具体方法,它给出了一个顶级逻辑的骨架,而逻辑的组成步骤在相应的抽象操作中,推迟到子类实现。顶级逻辑也有可能调用一些具体方法。

具体模板(Concrete Template)角色:

  • 实现父类所定义的一个或多个抽象方法,它们是一个顶级逻辑的组成步骤。
  • 每一个抽象模板角色都可以有任意多个具体模板角色与之对应,而每一个具体模板角色都可以给出这些抽象方法(也就是顶级逻辑的组成步骤)的不同实现,从而使得顶级逻辑的实现各不相同。

示例代码

抽象模板角色类,abstractMethod()doHookMethod()等基本方法是顶级逻辑的组成步骤,这个顶级逻辑由templateMethod()方法代表。

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public abstract class AbstractTemplate {

/**
* 模板方法
*/
public void templateMethod(){
// 调用基本方法
abstractMethod();
doHookMethod();
concreteMethod();
}

/**
* 抽象方法,子类必须实现的方法
*/
protected abstract void abstractMethod();

/**
* 钩子方法,子类可选择是否实现。注意钩子方法一般以 do 开头
*/
protected void doHookMethod(){}

/**
* 具体方法,由父类实现,子类无法 override
*/
private final void concreteMethod(){
// 业务相关的代码
}
}

具体模板角色类,实现了父类所声明的基本方法,abstractMethod()方法所代表的就是强制子类实现的剩余逻辑,而doHookMethod()方法是可选择实现的逻辑,不是必须实现的。

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public class ConcreteTemplate extends AbstractTemplate {

// 基本方法的实现
@Override
public void abstractMethod() {
// 业务相关的代码
}

// 重写父类的方法
@Override
public void hookMethod() {
// 业务相关的代码
}
}

模板方法模式的关键子类可以置换掉父类的可变部分,但是子类却不可以改变模板方法所代表的顶级逻辑

每当定义一个新的子类时,不要按照控制流程的思路去想,而应当按照责任的思路去想。换言之,应当考虑哪些操作是必须置换掉的,哪些操作是可以置换掉的,以及哪些操作是不可以置换掉的。使用模板模式可以使这些责任变得清晰。

在Servlet中的应用

使用过Servlet的人都清楚,除了要在web.xml做相应的配置外,还需继承一个叫HttpServlet的抽象类。HttpService类提供了一个service()方法,这个方法调用七个do方法中的一个或几个,完成对客户端调用的响应。这些do方法需要由HttpServlet的具体子类提供,因此这是典型的模板方法模式。下面是service()方法的源代码:

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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 / 1000 * 1000)) {
// 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 {
//
// Note that this means NO servlet supports whatever
// method was requested, anywhere on this server.
//

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);
}
}

当然,这个service()方法也可以被子类置换掉。

下面给出一个简单的 Servlet 例子:

TestServlet 类是 HttpServlet 类的子类,并且置换掉了父类的两个方法:doGet()doPost()

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public class TestServlet extends HttpServlet {

public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
throws ServletException, IOException {

System.out.println("using the GET method");

}

public void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
throws ServletException, IOException {

System.out.println("using the POST method");
}

}

从上面的例子可以看出这是一个典型的模板方法模式。

HttpServlet 担任抽象模板角色

  • 模板方法:由service()方法担任。
  • 基本方法:由doPost()doGet()等方法担任。

TestServlet 担任具体模板角色

  • TestServlet 置换掉了父类 HttpServlet 中七个基本方法中的其中两个,分别是doGet()doPost()

Java中的单例设计模式

单例模式确保某个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

特点

单例模式有以下特点:

  1. 单例类只能有一个实例
  2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例
  3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例

实现

饿汉式

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用,以后不再改变,所以天生是线程安全的。

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public class Singleton {

// 饿汉式,开始就建立一个对象
private static final Singleton single = new Singleton();

// 将构造函数私有,禁止在其它类中创建对象
private Singleton() {}

public static Singleton getInstance() {
return single;
}
}

懒汉式

懒汉式则是在调用获取实例对象的方法时检查,若没有对象则创建对象,如果单例对象已经存在则不创建对象直接返回已存在的对象。

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public class Singleton {
// 懒汉式,刚开始不创建对象
private static Singleton single=null;

// 将构造函数私有,禁止在其它类中创建对象
private Singleton() {}

// 静态工厂方法
public static Singleton getInstance() {
if (single == null) {
single = new Singleton();
}
return single;
}
}

这种懒汉式实现是非线程安全的,并发环境下很可能出现多个Singleton实例。若要保证线程安全,我们可以使用如下几种方式

  • 同步getInstance()方法
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public static synchronized Singleton getInstance() {
if (single == null) {
single = new Singleton();
}
return single;
}
  • 代码块加锁和双重检查
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public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
  • 静态内部类
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public class Singleton {

// 用于封装单例实例的内部类
private static class LazyHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}

// 私有构造
private Singleton() {}

// 获取单例实例的方法
public static final Singleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}

其中第三种实现方式最好,避免了加锁的效率问题。但实际开发中饿汉式使用较多。