（九）模板方法模式详解（包含与类加载器不得不说的故事）

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿

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作者：zuoxiaolong8810（左潇龙），转载请注明出处，特别说明：本博文来自博主原博客，为保证新博客中博文的完整性，特复制到此留存，如需转载请注明新博客地址即可。

模板方法模式，这是一个在许多优秀的开源项目中LZ见的最多的一个设计模式，也是LZ觉得最为优秀的一个设计模式，所以这一章LZ会尽自己所能的去尽量将这个设计模式解释清楚。

模板方法模式，一般是为了统一子类的算法实现步骤，所使用的一种手段或者说是方式。它在父类中定义一系列算法的步骤，而将具体的实现都推迟到子类。

最典型的形式就是一个接口，一个抽象父类，父类中会有一系列的抽象方法，而在子类中去一一实现这些方法。

下面LZ给举一个例子，比如我们有一个接口，里面就一个方法，是用来制造一个HTML页面，如下。

public interface PageBuilder {

    String bulidHtml();
    
}

这个接口很简单，就是直接制造一个Html页面的内容，假设我们不使用模板方法模式，直接让各个子类去直接实现这个接口，那么肯定实现的方式千奇百怪，而且步骤也乱七八糟的，这样实在不利于维护和扩展。所以我们可以使用模板方法模式，将这个过程给制定好，然后把具体的内容填充交给子类就好，这样这些子类生成的HTML页面就会非常一致。

基于这个目的，我们定义如下抽象类，去实现这个接口，并且我们定义好步骤。

public abstract class AbstractPageBuilder implements PageBuilder{

    private StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
    
    public String bulidHtml() {
        //首先加入doctype,因为都是html页面,所以我们父类不需要推迟给子类实现,直接在父类实现
        stringBuffer.append("<!DOCTYPE html PUBLIC \"-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN\" \"http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-strict.dtd\">");
        //页面下面就是成对的一个HTML标签，我们也在父类加入,不需要给子类实现
        stringBuffer.append("<html xmlns=\"http://www.w3.org/1999/xhtml\">");
        //下面就应该是head标签里的内容了,这个我们父类做不了主了,推迟到子类实现,所以我们定义一个抽象方法,让子类必须实现
        appendHead(stringBuffer);
        //下面是body的内容了，我们父类依然无法做主，仍然推迟到子类实现
        appendBody(stringBuffer);
        //html标签的关闭
        stringBuffer.append("</html>");
        return stringBuffer.toString();
    }
    
    //第一个模板方法
    protected abstract void appendHead(StringBuffer stringBuffer);
    
    //第二个模板方法
    protected abstract void appendBody(StringBuffer stringBuffer);

}

上面LZ已经加了注释，这下我们如果要制作一个html页面，就直接继承我们的抽象父类就可以了，而我们的子类只需要实现两个模板方法，就可以成功完成html页面的创建，下面LZ给出一个子类，我们随意制造一个html页面。

public class MyPageBuilder extends AbstractPageBuilder{

    @Override
    protected void appendHead(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<head><title>你好</title></head>");
    }

    @Override
    protected void appendBody(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<body><h1>你好,世界！</h1></body>");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        PageBuilder pageBuilder = new MyPageBuilder();
        System.out.println(pageBuilder.bulidHtml());
    }

}

我们简单的加入一个head和body标签，然后创建测试类运行一下，就会发现，我们按照父类给的标准模板，生成了一个html页面。

这样做的方式的好处是，父类可以规范子类的创建过程，便于我们维护，而且子类也更省事，因为像doctype包括html标签都是一样的，所以子类不再需要关心这些。当然上述LZ写的有点粗糙，其实我们可以定义的更仔细一点，比如head标签里，第一个是title，然后是meta等等。但作为例子，我们还是遵循简单的原则，主要还是想给各位传达模板方法模式的思想。

模板方法模式是所有设计模式当中，LZ觉得最无侵入性的模式，因为它的好处实在是太明显了。模板方法模式并不强制接口的实现类必须继承，所以不会对子类造成任何影响，而如果子类的实现可以配得上模板类的模板，那么就可以享受模板方法模式带来的好处。

通常情况下，模板方法模式用于定义构建某个对象的步骤与顺序，或者定义一个算法的骨架。

我们刚才的示例明显就是构建一个String对象的过程，在这里要声明一点，对于模板方法模式，父类提供的构建步骤和顺序或者算法骨架，通常是不希望甚至是不允许子类去覆盖的，所以在某些场景中，可以直接将父类中提供骨架的方法声明为final类型。

模板方法模式还有一种使用的方式，为了给子类足够的自由度，可以提供一些方法供子类覆盖，去实现一些骨架中不是必须但却可以有自定义实现的步骤。

比如上述的例子当中，我们应该都知道，HTML页面中有一些标签是可有可无的。比如meta标签，link标签，script标签等。那么我们可以将刚才的例子细化一下，去看一下上面说的供子类覆盖的方法是什么。我们将刚才的抽象父类细化成如下形式。

public abstract class AbstractPageBuilder implements PageBuilder{

    private static final String DEFAULT_DOCTYPE = "<!DOCTYPE html PUBLIC \"-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN\" \"http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-strict.dtd\">";
    
    private static final String DEFAULT_XMLNS = "http://www.w3.org/1999/xhtml";
    
    private StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
    
    public String bulidHtml() {
        stringBuffer.append(DEFAULT_DOCTYPE);
        stringBuffer.append("<html xmlns=\"" + DEFAULT_XMLNS + "\">");
        stringBuffer.append("<head>");
        appendTitle(stringBuffer);
        appendMeta(stringBuffer);
        appendLink(stringBuffer);
        appendScript(stringBuffer);
        stringBuffer.append("</head>");
        appendBody(stringBuffer);
        stringBuffer.append("</html>");
        return stringBuffer.toString();
    }
    
    protected void appendMeta(StringBuffer stringBuffer){
    }
    
    protected void appendLink(StringBuffer stringBuffer){
    }
    
    protected void appendScript(StringBuffer stringBuffer){
    }
    
    protected abstract void appendTitle(StringBuffer stringBuffer);
    
    protected abstract void appendBody(StringBuffer stringBuffer);

}

可以看到，我们将head标签的生成过程更加细化了，分成四个方法，title，meta，link和script。但是这四个里面appendTitle是模板方法，子类必须实现，而其它三个则是普通的空方法。

那么上述三个方法，就是留给子类覆盖的，当然子类可以选择不覆盖，那么生成的HTML就没有meta，link和script这三种标签，如果想有的话，就可以覆盖其中任意一个，比如下面这样。

public class MyPageBuilder extends AbstractPageBuilder{
    
    protected void appendMeta(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<meta http-equiv=\"Content-Type\" content=\"text/html; charset=utf-8\" />");
    }

    protected void appendTitle(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<title>你好</title>");
    }

    protected void appendBody(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<body>你好，世界！</body>");
    }

    public static void main(String[] args) {
        PageBuilder pageBuilder = new MyPageBuilder();
        System.out.println(pageBuilder.bulidHtml());
    }
    
}

我们覆盖了appendMeta方法，所以我们就可以在head标签中生成一个meta标签。如果各位看过上章的适配器模式，其实这里和缺省适配很像，目的都是一样的，因为如果把appendMeta也写成抽象方法，那么子类就必须实现，但是meta标签又不是必须的，所以子类就有可能把appendMeta，appendLink，appendScript方法全空着了。

所以为了不强制子类实现不必要的抽象方法，但又不剥夺子类自由选择的权利，我们在父类提供一个默认的空实现，来让子类自由选择是否要覆盖掉这些方法。

说到模板方法模式，我们JDK当中有一个类与它还有一个不得不说的故事，那就是类加载器。

JDK类加载器可以大致分为三类，分别是启动类加载器，扩展类加载器，以及应用程序加载器。

这三者加载类的路径分别为如下：

启动类加载器：JAVA_HOME/lib目录下，以及被-Xbootcalsspath参数设定的路径，不过启动类加载器加载的类是有限制的，如果JVM不认识的话，你放在这些目录下也没用。

扩展类加载器：JAVA_HOME/lib/ext目录下，以及被java.ext.dirs系统变量指定的路径。

应用程序类加载器：用户自己的类路径（classpath），这个类加载器就是我们经常使用的系统类加载器，并且JDK中的抽象类ClassLoader的默认父类加载器就是它。

在这里为什么说类加载器和模板方法模式有关呢，是因为ClassLoader类就使用了模板模式，去保证类加载过程中的唯一性。LZ先给各位看下这个类当中的模板模式的应用。

public abstract class ClassLoader {
    //这是一个重载方法
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
    }
    
    //这里就是父类算法的定义
    protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
    {
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
        if (parent != null) {
            c = parent.loadClass(name, false);
        } else {
            c = findBootstrapClass0(name);
        }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        resolveClass(c);
    }
    return c;
    }
    //这里留了一个方法给子类选择性覆盖
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
    }

}

LZ截取了主要的部分，为了突出这三个方法。在上面LZ加了简单的注释，相信经过刚才的介绍，各位应该能看出来这是一个模板方法模式，只是它没有定义抽象方法，因为findClass这个方法，并不是必须实现的，所以JDK选择留给程序员们自己选择是否要覆盖。

从代码上我们可以看出，在ClassLoader中定义的算法顺序是。

1，首先看是否有已经加载好的类。

2，如果父类加载器不为空，则首先从父类类加载器加载。

3，如果父类加载器为空，则尝试从启动加载器加载。

4，如果两者都失败，才尝试从findClass方法加载。

这是JDK类加载器的双亲委派模型，即先从父类加载器加载，直到继承体系的顶层，否则才会采用当前的类加载器加载。这样做的目的刚才已经说了，是为了JVM中类的一致性。

如果有读者第一次接触这方面的知识，估计会比较迷茫，下面LZ给出一个例子。各位猜测下下面程序的运行结果会是什么？

package com.classloader;

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class<?> clazz = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("com.classloader.ClassLoaderTest");
        Object entity = clazz.newInstance();
        System.out.println(entity instanceof ClassLoaderTest);
    }
}

相信各位都可以毫无疑问的猜测出来，结果应该是true，这是因为entity是ClassLoaderTest类的一个实例，instanceof关键字用来判断一个实例是否属于一个特定的类型，所以结果就是true。

那么各位再来猜猜下面这段代码的运行结果会是什么？

package com.classloader;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

class MyClassLoader extends ClassLoader{
    
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".")+1) + ".class";
        InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
        if (is == null) {
            return super.loadClass(name);
        }
        try {
            byte[] b = new byte[is.available()];
            is.read(b);
            return defineClass(name, b, 0, b.length);
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException();
        }
    }
    
}

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
        ClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.classloader.ClassLoaderTest");
        Object entity = clazz.newInstance();
        System.out.println(entity instanceof ClassLoaderTest);
    }
    
}

对于类加载器比较熟悉的读者们可能觉得这个结果并不出乎意料，可是或许还是有人会比较意外，为什么结果会是false呢？

这是因为如果没有按照ClassLoader中提供的骨架算法去加载类的话，可能会造成JVM中有两个一模一样的类信息，他们是来自一个类文件，但却不是一个加载器加载的，所以这两个类不相等。

这也是类加载器为何要使用模板模式给我们定义好查找的算法，是为了保证我们加载的每一个类在虚拟机当中都有且仅有一个。

不过你可能会想，既然如此，为何不把loadClass方法写成final类型的，这样不是更安全吗？

这是因为有的时候我们希望JVM当中每一个类有且仅有一个，但有的时候我们希望有两个，甚至N个，就比如我们的tomcat，你可以想象下，你每一个项目假设都有com.xxx.xxxx.BaseDao等等，如果这些类都是一个的话，你的tomcat还能同时启动多个WEB服务吗？虽说tomcat也是遵循的双亲委派模型，但是从此也可以看出来，我们并不是在所有时候都希望同一个全限定名的类在整个JVM里面只有一个。

这里提到类加载器，是为了给模板方法一个现有的现实中的例子，以便于有些看多了自己制造的例子的读者可以换个口味，如果有机会，LZ会在这个系列完结以后，专门开一个系列来和各位分享学习虚拟机过程中的感悟，本次不再过多介绍类加载器的相关内容。

另外，如果多掌握一些类加载器的知识，还是对平时的工作和学习有很大帮助的，各位也可以私下去搜索下相关资料。

好了，模板方法模式就介绍到这里吧，希望各位都有自己的收获。

谢谢观看。

下期预告，装饰器模式。