【设计模式系列】模板方法模式

一、什么是模板方法模式

模板方法模式（Template Method Pattern）是一种行为型设计模式，它在父类中定义一个算法的框架，允许子类在不改变算法结构的情况下重写算法的某些特定步骤。这种模式非常适合于那些存在共同行为的类，但具体实现需要根据不同情况定制的场景。

二、模板方法模式的角色

1. 抽象类（Abstract Class）：

   • 定义模板方法和钩子方法。模板方法是一个定义算法骨架的方法，它调用一系列钩子方法来完成具体的操作。
   • 模板方法可以是具体方法，也可以是抽象方法，取决于算法框架是否允许子类改变执行顺序。

2. 具体类（Concrete Class）：

   • 实现抽象类中定义的钩子方法，填充算法的特定步骤。
   • 具体类可以完全实现钩子方法，也可以再次声明为抽象类，让更具体的子类去实现。

3. 钩子方法（Hook Method）：

   • 抽象类中定义的可以被子类重写的方法，用于在模板方法中定义算法的特定步骤。
   • 钩子方法可以是抽象的，也可以提供默认实现。

4. 模板方法（Template Method）：

   • 抽象类中的一个具体方法，定义了算法的骨架，按顺序调用一系列钩子方法。
   • 模板方法可以调用其他模板方法，形成一个模板方法的继承体系。

三、模板方法模式的典型应用场景

1. 代码复用： 当希望复用某个算法或操作的不同部分时，模板方法模式可以将通用的部分封装在父类中，而将变化的部分留给子类实现。

2. 依赖倒置： 当高层模块不应该依赖于低层模块，两者都应该依赖于抽象时，模板方法模式可以在抽象层定义算法框架，具体的实现依赖于子类的具体实现。

四、模板方法模式在ThreadPoolExecutor中的应用

ThreadPoolExecutor 是 Java 并发包中的一个类，它使用模板方法模式来定义线程池的任务执行流程。以下是它如何应用模板方法模式的详细解释：

1. 模板方法：

   • execute(Runnable command)：这是 Executor 接口中的一个方法，ThreadPoolExecutor 实现了这个方法。它是一个模板方法，定义了任务执行的框架。这个方法负责将任务提交给线程池执行，包括任务队列的添加、线程的创建和启动等。

2. 钩子方法：

   • beforeExecute(Thread t, Runnable r)：在线程执行任务之前调用，可以被子类重写来执行一些准备工作，如资源初始化。
   • afterExecute(Runnable r, Throwable t)：在线程执行任务之后调用，可以被子类重用来执行一些清理工作，如资源释放。
   • terminated()：在所有任务执行完毕后调用，可以被子类重用来执行线程池关闭后的清理工作。

3. 保护方法：

   • addWorker(Runnable firstTask, boolean core)：尝试添加一个新的 worker 线程到线程池，可以是核心线程或非核心线程。
   • runWorker(Worker w)：执行 worker 线程的任务。

4. 拒绝策略：

   • reject(Runnable r)：定义了当任务不能被执行时的拒绝策略，如抛出异常或运行任务。

ThreadPoolExecutor 的模板方法模式使用示例：

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    
    // 模板方法
    public void execute(Runnable command) {
        if (!addWorker(command, false)) {
            reject(command);
        }
    }
    
    // 钩子方法
    protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
        // 可以被子类重写
    }
    
    protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        // 可以被子类重写
    }
    
    protected void terminated() {
        // 可以被子类重写
    }
    
    protected void reject(Runnable r) {
        // 默认的拒绝策略，可以被子类重写
        throw new RejectedExecutionException();
    }
    
    // ... 其他方法 ...
}

在 ThreadPoolExecutor 中，execute 方法是模板方法，它定义了任务执行的框架，并调用了 addWorker 和 reject 方法。beforeExecute、afterExecute 和 terminated 是钩子方法，它们可以被子类重写来添加特定的逻辑。通过这种方式，ThreadPoolExecutor 允许子类在不改变任务执行基本流程的情况下，插入特定的行为。这种设计使得线程池的行为可以灵活地被定制，同时保持了核心执行逻辑的一致性。