[Day 13] 封裝演算法元素 - 樣板方法模式 (Template Method Pattern)

15th鐵人賽 design pattern cpp

2023-09-25 11:43:26

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定義

Template Method is a behavioral pattern that allows you to defines a skeleton of an algorithm in a base class and let subclasses override the steps without changing the overall algorithm’s structure
UML 示意

組成

Abstract Class: 直接實例化的 Class。存在的目的主要是為了定義一個公共的 Interface 和演算法框架，供其子類別繼承和實現
- Algorithm Skeleton: 確定算法的基本結構和執行流程
- Abstract Methods: 由子類實現的方法，通常沒有預設實作
- 程式碼片段:
```
class AbstractClass {
public:
    virtual void step1() = 0;
    virtual void step2() = 0;
    virtual void step3() = 0;
};
```

Concrete Class: 具體類是繼承自抽象類的類，它必須實現抽象類中所有的抽象方法。具體類的實例可以直接創建和使用

程式碼片段:

class ConcreteClass1 : public AbstractClass {
public:
    void step1() override {
        // 具體實現
    }
    void step2() override {
        // 具體實現
    }
    void step3() override {
        // 具體實現
    }
};

class ConcreteClass2 : public AbstractClass {
public:
    void step1() override {
        // 具體實現2
    }
    void step2() override {
        // 具體實現2
    }
    void step3() override {
        // 具體實現2
    }
};

Hook Method (Optional): 是一種特殊的方法，通常在抽象類中有預設實現，但可以被具體類覆寫（Override）。它通常用於擴展或修改算法骨架中的某些步驟，而不需要改變整個算法的結構
- 在抽象類中宣告
```
class AbstractClass {
public:
    virtual void hook() {
        // 預設實現（可為空）
    }
};
```
- 在具體類中宣告
```
class ConcreteClass : public AbstractClass {
public:
    void hook() override {
        // 客製化實現
    }
};
```

範例 (翻譯自 Guru)

/**
 * 抽象類定義了一個模板方法，該方法包含某種算法的骨架，
 * 由對（通常是）抽象基本操作的呼叫組成。
 * 
 * 具體子類應實現這些操作，但保持模板方法本身不變。
 */
class AbstractClass {
  /**
   * 模板方法定義算法的骨架。
   */
 public:
  void TemplateMethod() const {
    this->BaseOperation1();
    this->RequiredOperations1();
    this->BaseOperation2();
    this->Hook1();
    this->RequiredOperation2();
    this->BaseOperation3();
    this->Hook2();
  }
  /**
   * 這些操作已經有實現。
   */
 protected:
  void BaseOperation1() const {
    std::cout << "AbstractClass：我正在做大部分的工作\n";
  }
  void BaseOperation2() const {
    std::cout << "AbstractClass：但我允許子類覆寫一些操作\n";
  }
  void BaseOperation3() const {
    std::cout << "AbstractClass：但我仍然在做大部分的工作\n";
  }
  /**
   * 這些操作必須在子類中實現
   */
  virtual void RequiredOperations1() const = 0;
  virtual void RequiredOperation2() const = 0;
  /**
   * 這些是"Hook"。子類可能覆寫它們，但這不是必須的，
   * 因為Hook已經有預設（但空的）實現。鉤子在算法的一些關鍵位置提供額外的擴展點。
   */
  virtual void Hook1() const {}
  virtual void Hook2() const {}
};

/**
 * 具體類必須實現基類的所有抽象操作
 * 它們也可以覆寫具有預設實現的一些操作
 */
class ConcreteClass1 : public AbstractClass {
 protected:
  void RequiredOperations1() const override {
    std::cout << "ConcreteClass1：實現Operation1\n";
  }
  void RequiredOperation2() const override {
    std::cout << "ConcreteClass1：實現Operation2\n";
  }
};

/**
 * 通常，具體類只覆寫基類操作的一部分
 */
class ConcreteClass2 : public AbstractClass {
 protected:
  void RequiredOperations1() const override {
    std::cout << "ConcreteClass2：實現Operation1\n";
  }
  void RequiredOperation2() const override {
    std::cout << "ConcreteClass2：實現Operation2\n";
  }
  void Hook1() const override {
    std::cout << "ConcreteClass2：覆寫Hook1\n";
  }
};

/**
 * 客戶端代碼調用模板方法以執行算法。客戶端代碼不必知道它所使用的對象的具體類
 * 只要它通過基類的接口與對象交互即可
 */
void ClientCode(AbstractClass *class_) {
  // ...
  class_->TemplateMethod();
  // ...
}

int main() {
  std::cout << "同一客戶端代碼可以與不同的子類一起工作：\n";
  ConcreteClass1 *concreteClass1 = new ConcreteClass1;
  ClientCode(concreteClass1);

  std::cout << "\n";
  
  std::cout << "同一客戶端代碼可以與不同的子類一起工作：\n";
  ConcreteClass2 *concreteClass2 = new ConcreteClass2;
  ClientCode(concreteClass2);
}

Output:

// ConcreteClass1
同一客戶端代碼可以與不同的子類一起工作：
AbstractClass：我正在做大部分的工作
ConcreteClass1：實現Operation1
AbstractClass：但我允許子類覆寫一些操作
ConcreteClass1：實現Operation2
AbstractClass：但我仍然在做大部分的工作

// ConcreteClass2
同一客戶端代碼可以與不同的子類一起工作：
AbstractClass：我正在做大部分的工作
ConcreteClass2：實現Operation1
AbstractClass：但我允許子類覆寫一些操作
ConcreteClass2：覆寫Hook1
ConcreteClass2：實現Operation2
AbstractClass：但我仍然在做大部分的工作