使用 C# (.NET Core) 实现模板方法模式 (Template Method Pattern)
本文的概念内容来自深入浅出设计模式一书.
项目需求
有一家咖啡店, 供应咖啡和茶, 它们的工序如下:
咖啡:
茶:
可以看到咖啡和茶的制作工序是差不多的, 都是有4步, 其中有两步它们两个是一样的, 另外两步虽然具体内容不一样, 但是都做做的同一类工作.
现在问题也有了, 当前的设计两个类里面有很多重复的代码, 那么应该怎样设计以减少冗余呢?
初次尝试
把共有的方法放到父类里面, 把不同的方法放到子类里面.
父类里面有一个抽象的prepareRecipe()方法[翻译为准备烹饪方法/制作方法], 然后在不同的子类里面有不同的实现. 也就是说每个子类都有自己制作饮料的方法.
再仔细想想应该怎样设计
可以发现两个饮料的制作方法遵循了同样的算法:
- 把水烧开
- 用开水冲咖啡或茶
- 把冲开的饮料放到杯里
- 添加适当的调料
现在我们来抽像prepareRecipe()方法:
1.先看看两个饮料的差异:
两种饮料都有四道工序, 两个是完全一样的, 另外两个在具体的实现上是略有不同的, 但是还是同样性质的工序.
这两道不同的工序的本质就是冲饮料和添加调料, 所以prepareRecipe()可以这样写:
2. 把上面的方法放到超类里:
这个父类是抽象的, prepareRecipe()将会用来制作咖啡或者茶, 而且我不想让子类去重写这个方法, 因为制作工序(算法)是一定的.
只不过里面的第2部和第4部是需要子类自己来实现的. 所以brew()和addCondiments()是两个抽象的方法, 而另外两个方法则直接在父类里面实现了.
3. 最后茶和咖啡就是这个样子的:
我们做了什么?
我们意识到两种饮料的工序大体是一致的, 尽管某些工序需要不同的实现方法. 所以我们把这些饮料的制作方法归纳到了一个基类CaffeineBeverage里面.
CaffeineBeverage控制着整个工序, 第1, 3部由它自己完成, 第2, 4步则是由具体的饮料子类来完成.
初识模板方法模式
上面的需求种, prepareRecipe() 就是模板方法. 因为, 它首先是一个方法, 然后它还充当了算法模板的角色, 这个需求里, 算法就是制作饮料的整个工序.
所以说: 模板方法定义了一个算法的步骤, 并允许子类提供其中若干个步骤的具体实现.
捋一遍整个流程
1. 我需要做一个茶:
2. 然后调用茶的模板方法:
3. 在模板方法里面执行下列工序:
boildWater();
brew();
pourInCup();
addCondiments();
模板方法有什么好处?
不使用模板方法时:
- 咖啡和茶各自控制自己的算法.
- 饮料间的代码重复.
- 改变算法需要修改多个地方
- 添加新饮料需要做很多工作.
- 算法分布在了不同的类里面
使用模板方法后:
- CaffeineBeverage这个父类控制并保护算法
- 父类最大化的代码的复用
- 算法只在一个地方, 改变算法也只需改变这个地方
- 新的饮料只需实现部分工序即可
- 父类掌握着算法, 但是依靠子类去做具体的实现.
模板方法定义
模板方法在一个方法里定义了一套算法的骨架, 算法的某些步骤可以让子类来实现. 模板方法让子类重新定义算法的某些步骤而无需改变算法的结构.
类图:
这个抽象类:
针对这个抽象类, 我们可以有一些扩展:
看这个hook方法, 它是一个具体的方法, 但是啥也没做, 这种就叫做钩子方法. 子类可以重写该方法, 也可以不重写.
模板方法里面的钩子
所谓的钩子, 它是一个在抽象类里面声明的方法, 但是方法里面默认的实现是空的. 这也就给了子类"钩进"算法某个点的能力, 当然子类也可以不这么做, 就看子类是否需要了.
看这个带钩子的饮料父类:
customerWantsCondiments()就是钩子, 子类可以重写它.
在prepareRecipe()方法里面, 通过这个钩子方法的结果来决定是否添加调料.
下面是使用这个钩子的咖啡:
C#代码实现
不带钩子的父类:
using System;
namespace TemplateMethodPattern.Abstractions
{
public abstract class CaffeineBeverage
{
public void PrepareRecipe()
{
BoilWater();
Brew();
PourInCup();
AddCondiments();
}
protected void BoilWater()
{
Console.WriteLine("Boiling water");
}
protected abstract void Brew();
protected void PourInCup()
{
Console.WriteLine("Pouring into cup");
}
protected abstract void AddCondiments();
}
}咖啡和茶:
using System;
using TemplateMethodPattern.Abstractions;
namespace TemplateMethodPattern.Beverages
{
public class Coffee: CaffeineBeverage
{
protected override void Brew()
{
Console.WriteLine("Dripping Coffee through filter");
}
protected override void AddCondiments()
{
Console.WriteLine("Adding Sugar and Milk");
}
}
}
using System;
using TemplateMethodPattern.Abstractions;
namespace TemplateMethodPattern.Beverages
{
public class Tea: CaffeineBeverage
{
protected override void Brew()
{
Console.WriteLine("Steeping the tea");
}
protected override void AddCondiments()
{
Console.WriteLine("Adding Lemon");
}
}
}测试:
var tea = new Tea(); tea.PrepareRecipe();
带钩子的父类:
using System;
namespace TemplateMethodPattern.Abstractions
{
public abstract class CaffeineBeverageWithHook
{
public void PrepareRecipe()
{
BoilWater();
Brew();
PourInCup();
if (CustomerWantsCondiments())
{
AddCondiments();
}
}
protected abstract void Brew();
protected abstract void AddCondiments();
protected void BoilWater()
{
Console.WriteLine("Boiling water");
}
protected void PourInCup()
{
Console.WriteLine("Pouring into cup");
}
public virtual bool CustomerWantsCondiments()
{
return true;
}
}
}咖啡:
using System;
using TemplateMethodPattern.Abstractions;
namespace TemplateMethodPattern.Beverages
{
public class CoffeeWithHook: CaffeineBeverageWithHook
{
protected override void Brew()
{
Console.WriteLine("Dripping Coffee through filter");
}
protected override void AddCondiments()
{
Console.WriteLine("Adding Sugar and Milk");
}
public override bool CustomerWantsCondiments()
{
var answer = GetUserInput();
if (answer == "yes")
{
return true;
}
return false;
}
private string GetUserInput()
{
Console.WriteLine("Would you like milk and sugar with you coffee (y/n) ?");
var keyInfo = Console.ReadKey();
return keyInfo.KeyChar == 'y' ? "yes" : "no";
}
}
}测试:
static void MakeCoffeeWithHook()
{
var coffeeWithHook = new CoffeeWithHook();
Console.WriteLine("Making coffee...");
coffeeWithHook.PrepareRecipe();
}
钩子和抽象方法的区别?
抽象方法是算法里面必须要实现的一个方法或步骤, 而钩子是可选实现的.
好莱坞设计原则
好莱坞设计原则就是: 别给我们打电话, 我们会给你打电话.
好莱坞原则可以防止依赖关系腐烂. 依赖关系腐烂是指高级别的组件依赖于低级别的组件, 它又依赖于高级别组件, 它又依赖于横向组件, 又依赖于低级别组件....以此类推. 当腐烂发生的时候, 没人会看懂你的系统是怎么设计的.
而使用好莱坞原则, 我们可以让低级别组件钩进一个系统, 但是高级别组件决定何时并且以哪种方式它们才会被需要. 换句话说就是, 高级别组件对低级别组件说: "别给我们打电话, 我们给你们打电话".
好莱坞原则和模板方法模式
模板方法里, 父类控制算法, 并在需要的时候调用子类的方法.
而子类从来不会直接主动调用父类的方法.
其他问题
好莱坞原则和依赖反转原则DIP的的区别?
DIP告诉我们不要使用具体的类, 尽量使用抽象类. 而好莱坞原则则是让低级别组件可以被钩进算法中去, 也没有建立低级别组件和高级别组件间的依赖关系.
三种模式比较:
模板方法模式: 子类决定如何实现算法中特定的步骤
策略模式: 封装变化的行为并使用委托来决定哪个行为被使用.
工厂方法模式: 子类决定实例化哪个具体的类.
使用模板方法做排序
看看java里面数组的排序方法:
mergeSort就可以看做事模板方法, compareTo()就是需要具体实现的方法.
但是这个并没有使用子类, 但是根据实际情况, 还是可以灵活使用的, 你需要做的就是实现Comparable接口即可., 这个接口里面只有一个CompareTo()方法.
具体使用C#就是这样:
鸭子:
using System;
namespace TemplateMethodPattern.ForArraySort
{
public class Duck : IComparable
{
private readonly string _name;
private readonly int _weight;
public Duck(string name, int weight)
{
_name = name;
_weight = weight;
}
public override string ToString()
{
return $"{_name} weights {_weight}";
}
public int CompareTo(object obj)
{
if (obj is Duck otherDuck)
{
if (_weight < otherDuck._weight)
{
return -;
}
if (_weight == otherDuck._weight)
{
return ;
}
}
return ;
}
}
}比较鸭子:
static void SortDuck()
{
var ducks = new Duck[]
{
new Duck("Duffy", 8),
new Duck("Dewey", 2),
new Duck("Howard", 7),
new Duck("Louie", 2),
new Duck("Donal", 10),
new Duck("Huey", 3)
};
Console.WriteLine("Before sorting:");
DisplayDucks(ducks);
Array.Sort(ducks);
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("After sorting:");
DisplayDucks(ducks);
}
private static void DisplayDucks(Duck[] ducks)
{
foreach (Duck t in ducks)
{
Console.WriteLine(t);
}
}效果:
其他钩子例子
java的JFrame:
JFrame父类里面有一个update()方法, 它控制着算法, 我们可以使用paint()方法来钩进到该算法的那部分.
父类里面JFrame的paint()啥也没做, 就是个钩子, 我们可以在子类里面重写paint(), 上面例子的效果就是:
另一个例子Applet小程序:
这5个方法全是重写的钩子...
我没看过winform或者wpf/sl的源码, 我估计也应该有一些钩子吧.
总结
好莱坞原则: "别给我们打电话, 我们给你打电话"
模板方法模式:模板方法在一个方法里定义了一套算法的骨架, 算法的某些步骤可以让子类来实现. 模板方法让子类重新定义算法的某些步骤而无需改变算法的结构
该系列的源码:https://github.com/solenovex/Head-First-Design-Patterns-in-CSharp