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C++ 模板方法模式详解

ops 2025/8/30 5:08:50

模板方法模式（Template Method Pattern）是一种行为设计模式，它在父类中定义算法的框架，而将一些步骤的具体实现延迟到子类中，使得子类可以不改变算法结构的情况下重定义某些特定步骤。

核心概念

设计原则

模板方法模式遵循以下设计原则：

好莱坞原则："不要调用我们，我们会调用你" - 父类控制流程，子类提供实现
开闭原则：对扩展开放（通过子类化），对修改关闭（不修改算法结构）
单一职责原则：将可变部分分离到不同方法中

主要优点

代码复用：将公共行为放在父类中
反向控制：父类控制流程，子类提供细节
灵活性：可以覆盖特定步骤而不改变结构
扩展性：容易添加新的具体实现

模式结构

主要组件

AbstractClass（抽象类）
- 定义模板方法和抽象的基本操作
- 模板方法调用基本操作完成算法
ConcreteClass（具体类）
- 实现抽象类定义的基本操作
- 可以覆盖某些默认实现

完整代码示例

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>// ==================== 抽象类 ====================
class DataProcessor {
protected:// 基本操作 - 由子类实现virtual void readData() = 0;virtual void processData() = 0;virtual void writeData() = 0;// 钩子方法 - 可选覆盖virtual bool shouldValidate() const { return true; }virtual void validateData() {std::cout << "默认数据验证..." << std::endl;}// 具体方法 - 公共实现void openConnection() {std::cout << "打开数据库连接..." << std::endl;}void closeConnection() {std::cout << "关闭数据库连接..." << std::endl;}public:// 模板方法 - 定义算法框架void process() {openConnection();readData();if (shouldValidate()) {validateData();}processData();writeData();closeConnection();}virtual ~DataProcessor() = default;
};// ==================== 具体类 ====================
class CsvDataProcessor : public DataProcessor {
protected:void readData() override {std::cout << "从CSV文件读取数据..." << std::endl;}void processData() override {std::cout << "处理CSV数据..." << std::endl;}void writeData() override {std::cout << "将处理结果写入CSV文件..." << std::endl;}bool shouldValidate() const override {return false; // CSV数据不需要验证}
};class DatabaseDataProcessor : public DataProcessor {
protected:void readData() override {std::cout << "从数据库读取数据..." << std::endl;}void processData() override {std::cout << "处理数据库数据..." << std::endl;}void writeData() override {std::cout << "将处理结果写入数据库..." << std::endl;}void validateData() override {std::cout << "执行严格的数据验证..." << std::endl;}
};class ApiDataProcessor : public DataProcessor {
protected:void readData() override {std::cout << "从API获取数据..." << std::endl;}void processData() override {std::cout << "处理API数据..." << std::endl;}void writeData() override {std::cout << "将处理结果通过API发送..." << std::endl;}bool shouldValidate() const override {return true;}void openConnection() { // 覆盖具体方法std::cout << "初始化API连接..." << std::endl;}void closeConnection() { // 覆盖具体方法std::cout << "终止API连接..." << std::endl;}
};// ==================== 客户端代码 ====================
int main() {std::cout << "=== 模板方法模式演示: 数据处理流程 ===" << std::endl;std::cout << "\n处理CSV数据:" << std::endl;CsvDataProcessor csvProcessor;csvProcessor.process();std::cout << "\n处理数据库数据:" << std::endl;DatabaseDataProcessor dbProcessor;dbProcessor.process();std::cout << "\n处理API数据:" << std::endl;ApiDataProcessor apiProcessor;apiProcessor.process();return 0;
}

模式变体

1. 使用钩子方法

class DocumentExporter {
protected:virtual void prepareData() = 0;virtual void generateFile() = 0;// 钩子方法 - 可选步骤virtual bool shouldCompress() const { return false; }virtual void compressFile() {std::cout << "使用默认压缩算法压缩文件..." << std::endl;}public:void exportDocument() {prepareData();generateFile();if (shouldCompress()) {compressFile();}}
};

2. 模板方法与策略模式结合

// 策略接口
class ValidationStrategy {
public:virtual void validate() = 0;virtual ~ValidationStrategy() = default;
};// 模板方法抽象类
class ReportGenerator {std::unique_ptr<ValidationStrategy> validationStrategy_;protected:virtual void fetchData() = 0;virtual void formatReport() = 0;void validateData() {if (validationStrategy_) {validationStrategy_->validate();}}public:void setValidationStrategy(std::unique_ptr<ValidationStrategy> strategy) {validationStrategy_ = std::move(strategy);}void generate() {fetchData();validateData();formatReport();}
};