【C++设计模式】第二十一篇：模板方法模式（Template Method）

news2025/3/16 22:56:40

注意：复现代码时，确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。

算法骨架的标准化定义

1. 模式定义与用途

核心思想

模板方法模式：在父类中定义算法的骨架，将某些步骤延迟到子类实现，使得子类不改变算法结构即可重写特定步骤。
关键用途：
1.代码复用：提取多个类的共同流程到父类。
2.流程标准化：确保算法步骤的执行顺序不变。
3.扩展性：子类仅需关注差异化的实现细节。

经典场景

数据解析框架（固定解析流程，支持多种格式）。
游戏角色行为（如攻击流程统一，子类实现不同攻击方式）。
自动化测试框架（测试步骤固定，具体操作可定制）。

2. 模式结构解析

UML类图

+---------------------+       
|   AbstractClass     |      
+---------------------+        
| + templateMethod() |       
| + step1()           |     
| + step2()           |  
| + step3()           |  
+---------------------+  
          ^  
          |  
          |  
   +-----------------+  
   |   ConcreteClass |  
   +-----------------+  
   | + step2()       |  
   +-----------------+

角色说明

AbstractClass：抽象类，定义模板方法（算法骨架）和抽象步骤（step2()）。
ConcreteClass：具体子类，实现父类定义的抽象步骤。

3. 现代C++实现示例

场景：数据报告生成器

步骤1：定义抽象模板类

#include <iostream>  
#include <memory>  

// 抽象报告生成器  
class ReportGenerator {  
public:  
    virtual ~ReportGenerator() = default;  

    // 模板方法（固定流程）  
    void generateReport() {  
        collectData();  
        processData();  // 抽象步骤  
        formatReport();  
        saveReport();  
    }  

protected:  
    // 通用步骤（已实现）  
    void collectData() {  
        std::cout << "收集数据...\n";  
    }  

    virtual void processData() = 0;  // 抽象步骤  

    void formatReport() {  
        std::cout << "格式化报告为PDF...\n";  
    }  

    void saveReport() {  
        std::cout << "保存报告到服务器\n";  
    }  
};

步骤2：实现具体子类

// 销售报告生成器  
class SalesReport : public ReportGenerator {  
protected:  
    void processData() override {  
        std::cout << "处理销售数据：计算总销售额和增长率\n";  
    }  
};  

// 库存报告生成器  
class InventoryReport : public ReportGenerator {  
protected:  
    void processData() override {  
        std::cout << "处理库存数据：分析缺货商品和周转率\n";  
    }  

    // 扩展：重写非抽象步骤  
    void saveReport() {  
        std::cout << "保存报告到本地数据库\n";  
    }  
};

步骤3：客户端代码

int main() {  
    SalesReport salesReport;  
    salesReport.generateReport();  
    /* 输出：  
        收集数据...  
        处理销售数据：计算总销售额和增长率  
        格式化报告为PDF...  
        保存报告到服务器  
    */  

    InventoryReport inventoryReport;  
    inventoryReport.generateReport();  
    /* 输出：  
        收集数据...  
        处理库存数据：分析缺货商品和周转率  
        格式化报告为PDF...  
        保存报告到本地数据库  
    */  
}

4. 应用场景示例

场景1：游戏角色攻击流程

class Character {  
public:  
    void attack() {  
        aim();  
        loadWeapon();   // 抽象方法  
        fire();  
    }  

protected:  
    virtual void loadWeapon() = 0;  
    void aim() { std::cout << "瞄准目标\n"; }  
    void fire() { std::cout << "开火！\n"; }  
};  

class Sniper : public Character {  
protected:  
    void loadWeapon() override {  
        std::cout << "装填狙击步枪\n";  
    }  
};  

class Mage : public Character {  
protected:  
    void loadWeapon() override {  
        std::cout << "凝聚魔法能量\n";  
    }  
};

场景2：跨平台文件解析器

class FileParser {  
public:  
    void parse(const std::string& path) {  
        openFile(path);  
        validateHeader();  // 抽象方法  
        extractContent();  
        closeFile();  
    }  

protected:  
    virtual void validateHeader() = 0;  
    void openFile(const std::string& path) { /* 通用实现 */ }  
    void extractContent() { /* 通用实现 */ }  
    void closeFile() { /* 通用实现 */ }  
};  

class XMLParser : public FileParser {  
protected:  
    void validateHeader() override {  
        std::cout << "验证XML头部...\n";  
    }  
};

5. 优缺点分析

优点	缺点
避免重复代码，提升复用性	父类修改可能影响所有子类
确保核心流程不可变	子类可能被迫实现无用的抽象方法
通过钩子方法（Hook）灵活扩展	过度继承可能导致类层次复杂

6. 调试与优化策略

调试技巧（VS2022）

1. 跟踪模板方法执行流程：

在generateReport()方法内设置断点，验证步骤顺序是否正确。

2. 验证子类方法覆盖：

使用重写指示符override 确保子类正确实现抽象方法。

性能优化

1. 钩子方法（Hook）：

在父类中提供空实现的钩子方法，允许子类选择性扩展。

class ReportGenerator {  
protected:  
    virtual void preSaveHook() {}  // 钩子方法  
    void saveReport() {  
        preSaveHook();  
        std::cout << "保存报告到服务器\n";  
    }  
};  

class InventoryReport : public ReportGenerator {  
protected:  
    void preSaveHook() override {  
        std::cout << "压缩报告数据...\n";  
    }  
};