【C++设计模式之Template Method Pattern】

模式定义

模式定义： 定义一个操作中的算法的骨架(稳定)，而将一些步骤延迟(变化)到子类中。Template Method使得子类可以不改变(复用)一个算法的结构即可重定义(override重写)该算法的某些特定步骤。
它定义了一个算法的骨架，将某些步骤的具体实现延迟到子类中。该模式通过固定算法结构，允许子类在不改变算法流程的前提下重新定义某些步骤。

核心思想

• 不变流程，可变细节：将算法的公共逻辑封装在基类中，具体步骤的实现交给子类。
• 避免重复代码：通过复用基类的模板方法，减少子类中的冗余逻辑。
• 控制扩展点：明确哪些步骤允许子类重写，哪些必须固定。

动机(Motivation)

• 在软件构建过程中，对于某一项任务，它常常有稳定的整体操作结构，但各个子步骤却有很多改变的需求，或者由于固有的原因（比如框架与应用之间的关系）而无法和任务的整体结构同时实现。
• 如何在确定稳定操作结构的前提下，来灵活应对各个子步骤的变化或者晚期实现需求？

结构（Structure）

实现步骤

1. 定义抽象基类

基类中声明模板方法（通常为非虚函数），并定义算法的步骤接口（可以是纯虚函数或虚函数）

abstractclass.h

#include<iostream>

//定义抽象基类
class AbstractClass {
public:
	virtual ~AbstractClass() = default;
	//模板方法：定义算法骨架(不可被子类重写)
	void templateMethod() {
		step1();
		step2();
		step3();
	}
protected:
	//具体步骤(子类必须实现的接口)
	virtual void step1() = 0;  //纯虚函数
	virtual void step2() = 0;
	virtual void step3() {
		std::cout << "AbstractClass::step3(默认实现)\n";
	}
};

2. 实现具体子类

子类重写基类中的步骤方法，提供具体实现

concreteclass.h

#include"abstractclass.h"
class ConcreteClassA :public AbstractClass {
protected:
	void step1()override {
		std::cout << "ConcreteClassA:step1 \n";
	}

	void step2()override {
		std::cout << "ConcreteClassA:step2 \n";
	}

	//step3使用基类默认实现
};

class ConcreteClassB :public AbstractClass {
protected:
	void step1() override {
		std::cout << "ConcreteClassB::step1\n";
	}

	void step2() override {
		std::cout << "ConcreteClassB::step2\n";
	}

	void step3() override {
		std::cout << "ConcreteClassB::step3\n";
	}
};

3. 示例调用
   main.cpp

#include"concreteclass.h"

int main()
{
	ConcreteClassA objA;
	objA.templateMethod();   //调用固定流程：step1->step2->step3(默认)
	ConcreteClassB objB;
	objB.templateMethod();   //调用流程：step1->step2->step3(自定义)
}

4. 输出结果

ConcreteClassA:step1
ConcreteClassA:step2
AbstractClass::step3(默认实现)
ConcreteClassB::step1
ConcreteClassB::step2
ConcreteClassB::step3

应用场景

1. 框架设计：定义框架的流程（如初始化、运行、清理），允许用户自定义具体步骤，即定义抽象基类

gameframework.h

#pragma once
#include<iostream>
class GameFramework {
public:
	void run() { //模板方法
		initialize();
		mainLoop();
		shutdown();
	}

protected:
	virtual void initialize() = 0;  //子类实现初始化逻辑
	virtual void mainLoop() = 0;    //子类实现主循环逻辑
	virtual void shutdown() {       //默认实现
		std::cout << "GameFramework::shutdown \n";
	}
};

2. 数据处理流程：固定数据读取、处理、保存，允许自定义处理逻辑，即定义抽象基类*

#pragma once
#include<iostream>
class DataProcessor {
public:
	void process() {//模板方法
		loadData();
		analyzeData();
		saveResult();
	}

protected:
	virtual void loadData() = 0;
	virtual void analyzeData() = 0;
	virtual void saveResult() {
		std::cout << "Data saved to default path. \n";
	}
};

要点总结

• Template Method模式是一种非常基础性的设计模式，在面向对象系统中有着大量的应用。它用最简洁的机制（虚函数的多态性）为很多应用程序框架提供了灵活的扩展点，是代码复用方面的基本实现结构。
• 除了可以灵活应对子步骤的变化外，“不要调用我，让我来调用你”的反向控制结构是Template Method的典型应用。
• 在具体实现方面，被Template Method调用的虚方法可以具有实现，也可以没有任何实现（抽象方法、纯虚方法），但一般推荐将它们设置为protected方法。