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设计模式：模板方法模式（Template Method Pattern）

news 2025/9/8 7:11:33

文章目录

- 一、模板方法模式介绍
- 二、实例分析
- 三、示例代码

一、模板方法模式介绍

模板方法模式定义在一个抽象类中，规定了一个操作的执行流程（算法骨架），而将其中的一些步骤延迟到子类中去实现。父类控制整体流程（不会改变）；子类决定某些步骤的具体实现（可扩展）。核心思想就是固定算法框架，变化的部分交给子类去实现。
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模板方法模式结构：

二、实例分析

问题：
假如你正在开发一款分析公司文档的数据挖掘程序。用户需要向程序输入各种格式（PDF、 DOC 或 CSV）的文档，程序则会试图从这些文件中抽取有意义的数据，并以统一的格式将其返回给用户。

该程序的首个版本仅支持 DOC 文件。在接下来的一个版本中，程序能够支持 CSV 文件。一个月后，你 “教会” 了程序从 PDF 文件中抽取数据。
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一段时间后，你发现这三个类中包含许多相似代码。尽管这些类处理不同数据格式的代码完全不同，但数据处理和分析的代码却几乎完全一样。如果能在保持算法结构完整的情况下去除重复代码，这难道不是一件很棒的事情吗？

还有另一个与使用这些类的客户端代码相关的问题：客户端代码中包含许多条件语句，以根据不同的处理对象类型选择合适的处理过程。如果所有处理数据的类都拥有相同的接口或基类，那么你就可以去除客户端代码中的条件语句，转而使用多态机制来在处理对象上调用函数。

解决方案：
模板方法模式建议将算法分解为一系列步骤，然后将这些步骤改写为方法，最后在 “模板方法” 中依次调用这些方法。步骤可以是抽象的，也可以有一些默认的实现。为了能够使用算法，客户端需要自行提供子类并实现所有的抽象步骤。如有必要还需重写一些步骤（但这一步中不包括模板方法自身）。

让我们考虑如何在数据挖掘应用中实现上述方案。我们可为图中的三个解析算法创建一个基类，该类将定义调用了一系列不同文档处理步骤的模板方法。
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首先，我们将所有步骤声明为抽象类型，强制要求子类自行实现这些方法。在我们的例子中，子类中已有所有必要的实现，因此我们只需调整这些方法的签名，使之与超类的方法匹配即可。

现在，让我们看看如何去除重复代码。对于不同的数据格式，打开和关闭文件以及抽取和解析数据的代码都不同，因此无需修改这些方法。但分析原始数据和生成报告等其他步骤的实现方式非常相似，因此可将其提取到基类中，以让子类共享这些代码。

正如你所看到的那样，我们有两种类型的步骤：

抽象步骤必须由各个子类来实现
可选步骤已有一些默认实现，但仍可在需要时进行重写

还有另一种名为钩子的步骤。钩子是内容为空的可选步骤。即使不重写钩子，模板方法也能工作。钩子通常放置在算法重要步骤的前后，为子类提供额外的算法扩展点。

不同的数据格式（DOC、CSV、PDF）都需要执行类似的处理流程：

打开文件
提取原始数据
解析数据
分析数据
生成报告
关闭文件

不同点：每种文件格式提取/解析的方法不同
相同点：文件打开/关闭、分析、报告生成的逻辑相同

UML 类图：

          ┌───────────────────────┐│      DataMiner        │  <-- 抽象类，定义算法骨架│-----------------------││ + mine(path)          │  <-- 模板方法│ + openFile(path)      ││ + closeFile(file)     ││ + analyzeData(data)   ││ + sendReport(result)  ││ # extractData(file)   │  <-- 抽象方法│ # parseData(raw)      │  <-- 抽象方法└─────────▲────────────┘│┌──────────────────┼──────────────────┐│                  │                  ││                  │                  │
▼                  ▼                  ▼
DocDataMiner   CSVDataMiner       PDFDataMiner

示例代码：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;// =============== 抽象基类 ===============
class DataMiner {
public:// 模板方法：固定算法骨架void mine(const string& path) {string file = openFile(path);string rawData = extractData(file);string data = parseData(rawData);string analysis = analyzeData(data);sendReport(analysis);closeFile(file);}protected:// 公共部分string openFile(const string& path) {cout << "打开文件: " << path << endl;return "file_handle";}void closeFile(const string& file) {cout << "关闭文件: " << file << endl;}string analyzeData(const string& data) {cout << "分析数据..." << endl;return "分析结果";}void sendReport(const string& analysis) {cout << "发送报告: " << analysis << endl;}// 需要子类实现的部分virtual string extractData(const string& file) = 0;virtual string parseData(const string& rawData) = 0;
};// =============== 子类：DOC ===============
class DocDataMiner : public DataMiner {
protected:string extractData(const string& file) override {cout << "提取 DOC 数据..." << endl;return "doc_raw";}string parseData(const string& rawData) override {cout << "解析 DOC 数据..." << endl;return "doc_data";}
};// =============== 子类：CSV ===============
class CsvDataMiner : public DataMiner {
protected:string extractData(const string& file) override {cout << "提取 CSV 数据..." << endl;return "csv_raw";}string parseData(const string& rawData) override {cout << "解析 CSV 数据..." << endl;return "csv_data";}
};// =============== 子类：PDF ===============
class PdfDataMiner : public DataMiner {
protected:string extractData(const string& file) override {cout << "提取 PDF 数据..." << endl;return "pdf_raw";}string parseData(const string& rawData) override {cout << "解析 PDF 数据..." << endl;return "pdf_data";}
};// =============== 测试 ===============
int main() {DocDataMiner docMiner;CsvDataMiner csvMiner;PdfDataMiner pdfMiner;cout << "\n=== DOC 数据挖掘 ===" << endl;docMiner.mine("file.doc");cout << "\n=== CSV 数据挖掘 ===" << endl;csvMiner.mine("file.csv");cout << "\n=== PDF 数据挖掘 ===" << endl;pdfMiner.mine("file.pdf");return 0;
}

三、示例代码

示例一：
假设我们要实现一个“数据导入”的流程：

读取数据
解析数据
保存数据

不同数据源（CSV、JSON、XML）处理方式不同。

#include <iostream>
using namespace std;// 抽象类：模板方法模式
class DataImporter {
public:// 模板方法：定义算法骨架void import() {readData();parseData();saveData();}protected:virtual void readData() = 0;   // 由子类实现virtual void parseData() = 0;  // 由子类实现// 公共步骤：保存数据void saveData() {cout << "保存数据到数据库..." << endl;}
};// 具体实现：CSV 导入
class CsvImporter : public DataImporter {
protected:void readData() override {cout << "读取 CSV 文件..." << endl;}void parseData() override {cout << "解析 CSV 数据..." << endl;}
};// 具体实现：JSON 导入
class JsonImporter : public DataImporter {
protected:void readData() override {cout << "读取 JSON 文件..." << endl;}void parseData() override {cout << "解析 JSON 数据..." << endl;}
};// 具体实现：XML 导入
class XmlImporter : public DataImporter {
protected:void readData() override {cout << "读取 XML 文件..." << endl;}void parseData() override {cout << "解析 XML 数据..." << endl;}
};// ================== 测试 ==================
int main() {CsvImporter csv;JsonImporter json;XmlImporter xml;cout << "=== CSV 导入 ===" << endl;csv.import();cout << "\n=== JSON 导入 ===" << endl;json.import();cout << "\n=== XML 导入 ===" << endl;xml.import();return 0;
}

示例二：
主窗口里有三个按钮：CSV 导入、JSON 导入、XML 导入；点击按钮后，会调用不同的导入流程，但流程的骨架由模板方法固定：

读取数据
解析数据
保存数据

在界面上通过 QTextEdit 显示执行结果。

#include <QApplication>
#include <QMainWindow>
#include <QPushButton>
#include <QTextEdit>
#include <QVBoxLayout>
#include <QWidget>// ================= 抽象类：模板方法 =================
class DataImporter : public QObject {Q_OBJECT
public:explicit DataImporter(QTextEdit* output, QObject* parent = nullptr): QObject(parent), m_output(output) {}// 模板方法：固定流程void import() {readData();parseData();saveData();}protected:QTextEdit* m_output;virtual void readData() = 0;   // 子类实现virtual void parseData() = 0;  // 子类实现void saveData() {m_output->append("保存数据到数据库...\n");}
};// ================= CSV 导入 =================
class CsvImporter : public DataImporter {
public:using DataImporter::DataImporter;
protected:void readData() override {m_output->append("读取 CSV 文件...");}void parseData() override {m_output->append("解析 CSV 数据...");}
};// ================= JSON 导入 =================
class JsonImporter : public DataImporter {
public:using DataImporter::DataImporter;
protected:void readData() override {m_output->append("读取 JSON 文件...");}void parseData() override {m_output->append("解析 JSON 数据...");}
};// ================= XML 导入 =================
class XmlImporter : public DataImporter {
public:using DataImporter::DataImporter;
protected:void readData() override {m_output->append("读取 XML 文件...");}void parseData() override {m_output->append("解析 XML 数据...");}
};// ================= 主窗口 =================
class MainWindow : public QMainWindow {Q_OBJECT
public:MainWindow(QWidget* parent = nullptr) : QMainWindow(parent) {QWidget* central = new QWidget(this);QVBoxLayout* layout = new QVBoxLayout(central);m_output = new QTextEdit(this);m_output->setReadOnly(true);QPushButton* btnCsv = new QPushButton("导入 CSV", this);QPushButton* btnJson = new QPushButton("导入 JSON", this);QPushButton* btnXml = new QPushButton("导入 XML", this);layout->addWidget(m_output);layout->addWidget(btnCsv);layout->addWidget(btnJson);layout->addWidget(btnXml);setCentralWidget(central);resize(400, 300);// 连接信号槽connect(btnCsv, &QPushButton::clicked, this, &MainWindow::onCsvClicked);connect(btnJson, &QPushButton::clicked, this, &MainWindow::onJsonClicked);connect(btnXml, &QPushButton::clicked, this, &MainWindow::onXmlClicked);}private slots:void onCsvClicked() {CsvImporter importer(m_output);importer.import();}void onJsonClicked() {JsonImporter importer(m_output);importer.import();}void onXmlClicked() {XmlImporter importer(m_output);importer.import();}private:QTextEdit* m_output;
};// ================= main =================
int main(int argc, char *argv[]) {QApplication app(argc, argv);MainWindow w;w.show();return app.exec();
}