设计模式之美学习(四十七)

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剖析模板模式在JDK、Servlet、JUnit等中的应用

参考:模板模式(上):剖析模板模式在JDK、Servlet、JUnit等中的应用

绝大部分设计模式的原理和实现,都非常简单,难的是掌握应用场景,搞清楚能解决什么问题。模板模式也不例外。模板模式主要是用来解决复用和扩展两个问题。

模板模式的原理与实现

模板模式,全称是模板方法设计模式,英文是 Template Method Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中,它是这么定义的:

Define the skeleton of an algorithm in an operation, deferring some steps to subclasses. Template Method lets subclasses redefine certain steps of an algorithm without changing the algorithm’s structure.

翻译成中文就是:模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架,并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下,重新定义算法中的某些步骤。

这里的“算法”,我们可以理解为广义上的“业务逻辑”,并不特指数据结构和算法中的“算法”。这里的算法骨架就是“模板”,包含算法骨架的方法就是“模板方法”,这也是模板方法模式名字的由来。

模板模式作用一:复用

模板模式把一个算法中不变的流程抽象到父类的模板方法中,将可变的部分留给子类来实现。所有的子类都可以复用父类中模板方法定义的流程代码。

Java InputStream

InputStream 部分相关代码贴在了下面。在代码中,read() 函数是一个模板方法,定义了读取数据的整个流程,并且暴露了一个可以由子类来定制的抽象方法。不过这个方法也被命名为了 read(),只是参数跟模板方法不同。

public abstract class InputStream implements Closeable {
  //...省略其他代码...
  
  public int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
    if (b == null) {
      throw new NullPointerException();
    } else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
      throw new IndexOutOfBoundsException();
    } else if (len == 0) {
      return 0;
    }

    int c = read();
    if (c == -1) {
      return -1;
    }
    b[off] = (byte)c;

    int i = 1;
    try {
      for (; i < len ; i++) {
        c = read();
        if (c == -1) {
          break;
        }
        b[off + i] = (byte)c;
      }
    } catch (IOException ee) {
    }
    return i;
  }
  
  public abstract int read() throws IOException;
}

public class ByteArrayInputStream extends InputStream {
  //...省略其他代码...
  
  @Override
  public synchronized int read() {
    return (pos < count) ? (buf[pos++] & 0xff) : -1;
  }
}

Java AbstractList

Java AbstractList 类中,addAll() 函数可以看作模板方法,add() 是子类需要重写的方法,尽管没有声明为 abstract 的,但函数实现直接抛出了 UnsupportedOperationException 异常。前提是,如果子类不重写是不能使用的。

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    rangeCheckForAdd(index);
    boolean modified = false;
    for (E e : c) {
        add(index++, e);
        modified = true;
    }
    return modified;
}

public void add(int index, E element) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

模板模式作用二:扩展

模板模式的第二大作用的是扩展。这里所说的扩展,并不是指代码的扩展性,而是指框架的扩展性。基于这个作用,模板模式常用在框架的开发中,让框架用户可以在不修改框架源码的情况下,定制化框架的功能。

Java Servlet

对于 Java Web 项目开发来说,常用的开发框架是 SpringMVC。利用它,我们只需要关注业务代码的编写,底层的原理几乎不会涉及。但是,如果我们抛开这些高级框架来开发 Web 项目,必然会用到 Servlet。实际上,使用比较底层的 Servlet 来开发 Web 项目也不难。我们只需要定义一个继承 HttpServlet 的类,并且重写其中的 doGet()doPost() 方法,来分别处理 getpost 请求。具体的代码示例如下所示:

public class HelloServlet extends HttpServlet {
  @Override
  protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
    this.doPost(req, resp);
  }
  
  @Override
  protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
    resp.getWriter().write("Hello World.");
  }
}

除此之外,我们还需要在配置文件 web.xml 中做如下配置。TomcatJettyServlet 容器在启动的时候,会自动加载这个配置文件中的 URLServlet 之间的映射关系。

<servlet>
    <servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
    <servlet-class>com.cd.HelloServlet</servlet-class>
</servlet>

<servlet-mapping>
    <servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
    <url-pattern>/hello</url-pattern>
</servlet-mapping>

当我们在浏览器中输入网址(比如,http://127.0.0.1:8080/hello )的时候,Servlet 容器会接收到相应的请求,并且根据 URLServlet 之间的映射关系,找到相应的 ServletHelloServlet),然后执行它的 service() 方法。service() 方法定义在父类 HttpServlet 中,它会调用 doGet()doPost() 方法,然后输出数据(“Hello world”)到网页。

现在来看,HttpServletservice() 函数长什么样子。

public void service(ServletRequest req, ServletResponse res)
    throws ServletException, IOException
{
    HttpServletRequest  request;
    HttpServletResponse response;
    if (!(req instanceof HttpServletRequest &&
            res instanceof HttpServletResponse)) {
        throw new ServletException("non-HTTP request or response");
    }
    request = (HttpServletRequest) req;
    response = (HttpServletResponse) res;
    service(request, response);
}

protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
    throws ServletException, IOException
{
    String method = req.getMethod();
    if (method.equals(METHOD_GET)) {
        long lastModified = getLastModified(req);
        if (lastModified == -1) {
            // servlet doesn't support if-modified-since, no reason
            // to go through further expensive logic
            doGet(req, resp);
        } else {
            long ifModifiedSince = req.getDateHeader(HEADER_IFMODSINCE);
            if (ifModifiedSince < lastModified) {
                // If the servlet mod time is later, call doGet()
                // Round down to the nearest second for a proper compare
                // A ifModifiedSince of -1 will always be less
                maybeSetLastModified(resp, lastModified);
                doGet(req, resp);
            } else {
                resp.setStatus(HttpServletResponse.SC_NOT_MODIFIED);
            }
        }
    } else if (method.equals(METHOD_HEAD)) {
        long lastModified = getLastModified(req);
        maybeSetLastModified(resp, lastModified);
        doHead(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_POST)) {
        doPost(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_PUT)) {
        doPut(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_DELETE)) {
        doDelete(req, resp);
    } else if (method.equals(METHOD_OPTIONS)) {
        doOptions(req,resp);
    } else if (method.equals(METHOD_TRACE)) {
        doTrace(req,resp);
    } else {
        String errMsg = lStrings.getString("http.method_not_implemented");
        Object[] errArgs = new Object[1];
        errArgs[0] = method;
        errMsg = MessageFormat.format(errMsg, errArgs);
        resp.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_IMPLEMENTED, errMsg);
    }
}

从上面的代码中我们可以看出,HttpServletservice() 方法就是一个模板方法,它实现了整个 HTTP 请求的执行流程,doGet()doPost() 是模板中可以由子类来定制的部分。实际上,这就相当于 Servlet 框架提供了一个扩展点(doGet()doPost() 方法),让框架用户在不用修改 Servlet 框架源码的情况下,将业务代码通过扩展点镶嵌到框架中执行。

JUnit TestCase

Java Servlet 类似,JUnit 框架也通过模板模式提供了一些功能扩展点(setUp()tearDown() 等),让框架用户可以在这些扩展点上扩展功能。

在使用 JUnit 测试框架来编写单元测试的时候,我们编写的测试类都要继承框架提供的 TestCase 类。在 TestCase 类中,runBare() 函数是模板方法,它定义了执行测试用例的整体流程:先执行 setUp() 做些准备工作,然后执行 runTest() 运行真正的测试代码,最后执行 tearDown() 做扫尾工作。

TestCase 类的具体代码如下所示。尽管 setUp()tearDown() 并不是抽象函数,还提供了默认的实现,不强制子类去重新实现,但这部分也是可以在子类中定制的,所以也符合模板模式的定义。

public abstract class TestCase extends Assert implements Test {
  public void runBare() throws Throwable {
    Throwable exception = null;
    setUp();
    try {
      runTest();
    } catch (Throwable running) {
      exception = running;
    } finally {
      try {
        tearDown();
      } catch (Throwable tearingDown) {
        if (exception == null) exception = tearingDown;
      }
    }
    if (exception != null) throw exception;
  }
  
  /**
  * Sets up the fixture, for example, open a network connection.
  * This method is called before a test is executed.
  */
  protected void setUp() throws Exception {
  }

  /**
  * Tears down the fixture, for example, close a network connection.
  * This method is called after a test is executed.
  */
  protected void tearDown() throws Exception {
  }
}

重点

模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架,并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下,重新定义算法中的某些步骤。这里的“算法”,我们可以理解为广义上的“业务逻辑”,并不特指数据结构和算法中的“算法”。这里的算法骨架就是“模板”,包含算法骨架的方法就是“模板方法”,这也是模板方法模式名字的由来。

在模板模式经典的实现中,模板方法定义为 final,可以避免被子类重写。需要子类重写的方法定义为 abstract,可以强迫子类去实现。不过,在实际项目开发中,模板模式的实现比较灵活,以上两点都不是必须的。

模板模式有两大作用:复用和扩展。其中,复用指的是,所有的子类可以复用父类中提供的模板方法的代码。扩展指的是,框架通过模板模式提供功能扩展点,让框架用户可以在不修改框架源码的情况下,基于扩展点定制化框架的功能。