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：
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>// 1. 抽象类：数据处理器（定义算法骨架）
class DataProcessor {
public:// 模板方法：定义算法的骨架（不可被子类重写）void process() final {readData(); // 步骤1：读取数据cleanData(); // 步骤2：清洗数据（固定实现）analyzeData(); // 步骤3：分析数据（固定实现）if (needSaveResult()) { // 钩子方法：判断是否需要保存saveResult(); // 步骤4：保存结果}postProcess(); // 钩子方法：后续处理（可选）}// 抽象方法：读取数据（子类必须实现）virtual void readData() = 0;// 抽象方法：保存结果（子类必须实现）virtual void saveResult() = 0;// 钩子方法1：是否需要保存结果（默认需要）virtual bool needSaveResult() {return true;}// 钩子方法2：后续处理（默认空实现）virtual void postProcess() {}virtual ~DataProcessor() = default;protected:// 受保护的方法：数据清洗（固定实现，子类可调用但不能重写）void cleanData() {std::cout << "执行数据清洗：去除空值和异常值" << std::endl;}// 受保护的方法：数据分析（固定实现）void analyzeData() {std::cout << "执行数据分析：计算均值和方差" << std::endl;}// 存储数据的容器（供子类使用）std::vector<double> data;
};// 2. 具体子类1：文件数据处理器
class FileDataProcessor : public DataProcessor {
private:std::string filename;public:FileDataProcessor(const std::string& fn) : filename(fn) {}// 实现读取数据：从文件读取void readData() override {std::cout << "从文件[" << filename << "]读取数据" << std::endl;// 模拟读取数据data = {1.2, 3.4, 5.6, 7.8};}// 实现保存结果：保存到文件void saveResult() override {std::cout << "将结果保存到文件[" << filename << ".result]" << std::endl;}// 重写钩子方法：添加自定义后续处理void postProcess() override {std::cout << "文件处理器后续处理：生成数据可视化图表" << std::endl;}
};// 2. 具体子类2：数据库数据处理器
class DatabaseDataProcessor : public DataProcessor {
private:std::string dbConnection;public:DatabaseDataProcessor(const std::string& conn) : dbConnection(conn) {}// 实现读取数据：从数据库读取void readData() override {std::cout << "从数据库[" << dbConnection << "]读取数据" << std::endl;// 模拟读取数据data = {2.3, 4.5, 6.7, 8.9};}// 实现保存结果：保存到数据库void saveResult() override {std::cout << "将结果保存到数据库[" << dbConnection << "]" << std::endl;}// 重写钩子方法：不需要保存结果bool needSaveResult() override {return false; // 数据库数据可直接使用，无需额外保存}
};// 客户端代码：使用数据处理框架
int main() {// 处理文件数据std::cout << "=== 处理文件数据 ===" << std::endl;DataProcessor* fileProcessor = new FileDataProcessor("data.txt");fileProcessor->process(); // 调用模板方法，执行完整流程// 处理数据库数据std::cout << "\n=== 处理数据库数据 ===" << std::endl;DataProcessor* dbProcessor = new DatabaseDataProcessor("mysql://localhost:3306/data_db");dbProcessor->process();// 释放资源delete dbProcessor;delete fileProcessor;return 0;
}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。
- 模板方法（process()）：用
-
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。