圖解九種常見的設計模式

阿寶哥發表於2020-10-09

在軟體工程中,設計模式(Design Pattern)是對軟體設計中普遍存在(反覆出現)的各種問題,所提出的解決方案。根據模式的目的來劃分的話,GoF(Gang of Four)設計模式可以分為以下 3 種型別:

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1、建立型模式:用來描述 “如何建立物件”,它的主要特點是 “將物件的建立和使用分離”。包括單例、原型、工廠方法、抽象工廠和建造者 5 種模式。

2、結構型模式:用來描述如何將類或物件按照某種佈局組成更大的結構。包括代理、介面卡、橋接、裝飾、外觀、享元和組合 7 種模式。

3、行為型模式:用來識別物件之間的常用交流模式以及如何分配職責。包括模板方法、策略、命令、職責鏈、狀態、觀察者、中介者、迭代器、訪問者、備忘錄和直譯器 11 種模式。

接下來阿寶哥將結合一些生活中的場景並通過精美的配圖,來向大家介紹 9 種常用的設計模式。

一、建造者模式

建造者模式(Builder Pattern)將一個複雜物件分解成多個相對簡單的部分,然後根據不同需要分別建立它們,最後構建成該複雜物件。

一輛小汽車 ? 通常由 發動機、底盤、車身和電氣裝置 四大部分組成。汽車電氣裝置的內部構造很複雜,簡單起見,我們只考慮三個部分:引擎、底盤和車身。

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在現實生活中,小汽車也是由不同的零部件組裝而成,比如上圖中我們把小汽車分成引擎、底盤和車身三大部分。下面我們來看一下如何使用建造者模式來造車子。

1.1 實現程式碼
class Car {
  constructor(
    public engine: string,
    public chassis: string, 
    public body: string
  ) {}
}

class CarBuilder {
  engine!: string; // 引擎
  chassis!: string; // 底盤
  body!: string; // 車身

  addChassis(chassis: string) {
    this.chassis = chassis;
    return this;
  }

  addEngine(engine: string) {
    this.engine = engine;
    return this;
  }

  addBody(body: string) {
    this.body = body;
    return this;
  }

  build() {
    return new Car(this.engine, this.chassis, this.body);
  }
}

在以上程式碼中,我們定義一個 CarBuilder 類,並提供了 addChassisaddEngineaddBody 3 個方法用於組裝車子的不同部位,當車子的 3 個部分都組裝完成後,呼叫 build 方法就可以開始造車。

1.2 使用示例
const car = new CarBuilder()
  .addEngine('v12')
  .addBody('鎂合金')
  .addChassis('複合材料')
  .build();
1.3 應用場景及案例
  • 需要生成的產品物件有複雜的內部結構,這些產品物件通常包含多個成員屬性。
  • 需要生成的產品物件的屬性相互依賴,需要指定其生成順序。
  • 隔離複雜物件的建立和使用,並使得相同的建立過程可以建立不同的產品。
  • Github - node-sql-queryhttps://github.com/dresende/n...

二、工廠模式

在現實生活中,工廠是負責生產產品的,比如牛奶、麵包或禮物等,這些產品滿足了我們日常的生理需求。

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在眾多設計模式當中,有一種被稱為工廠模式的設計模式,它提供了建立物件的最佳方式。工廠模式可以分為:簡單工廠模式、工廠方法模式和抽象工廠模式

2.1 簡單工廠

簡單工廠模式又叫 靜態方法模式,因為工廠類中定義了一個靜態方法用於建立物件。簡單工廠讓使用者不用知道具體的引數就可以建立出所需的 ”產品“ 類,即使用者可以直接消費產品而不需要知道產品的具體生產細節。

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在上圖中,阿寶哥模擬了使用者購車的流程,小王和小秦分別向 BMW 工廠訂購了 BMW730 和 BMW840 型號的車型,接著工廠會先判斷使用者選擇的車型,然後按照對應的模型進行生產並在生產完成後交付給使用者。

下面我們來看一下如何使用簡單工廠來描述 BMW 工廠生產指定型號車子的過程。

2.1.1 實現程式碼
abstract class BMW {
  abstract run(): void;
}

class BMW730 extends BMW {
  run(): void {
    console.log("BMW730 發動咯");
  }
}

class BMW840 extends BMW {
  run(): void {
    console.log("BMW840 發動咯");
  }
}

class BMWFactory {
  public static produceBMW(model: "730" | "840"): BMW {
    if (model === "730") {
      return new BMW730();
    } else {
      return new BMW840();
    }
  }
}

在以上程式碼中,我們定義一個 BMWFactory 類,該類提供了一個靜態的 produceBMW() 方法,用於根據不同的模型引數來建立不同型號的車子。

2.1.2 使用示例
const bmw730 = BMWFactory.produceBMW("730");
const bmw840 = BMWFactory.produceBMW("840");

bmw730.run();
bmw840.run();
2.1.3 應用場景
  • 工廠類負責建立的物件比較少:由於建立的物件比較少,不會造成工廠方法中業務邏輯過於複雜。
  • 客戶端只需知道傳入工廠類靜態方法的引數,而不需要關心建立物件的細節。

2.2 工廠方法

工廠方法模式(Factory Method Pattern)又稱為工廠模式,也叫多型工廠(Polymorphic Factory)模式,它屬於類建立型模式。

在工廠方法模式中,工廠父類負責定義建立產品物件的公共介面,而工廠子類則負責生成具體的產品物件, 這樣做的目的是將產品類的例項化操作延遲到工廠子類中完成,即通過工廠子類來確定究竟應該例項化哪一個具體產品類。

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在上圖中,阿寶哥模擬了使用者購車的流程,小王和小秦分別向 BMW 730 和 BMW 840 工廠訂購了 BMW730 和 BMW840 型號的車子,接著工廠按照對應的模型進行生產並在生產完成後交付給使用者。

同樣,我們來看一下如何使用工廠方法來描述 BMW 工廠生產指定型號車子的過程。

2.2.1 實現程式碼
abstract class BMWFactory {
  abstract produceBMW(): BMW;
}

class BMW730Factory extends BMWFactory {
  produceBMW(): BMW {
    return new BMW730();
  }
}

class BMW840Factory extends BMWFactory {
  produceBMW(): BMW {
    return new BMW840();
  }
}

在以上程式碼中,我們分別建立了 BMW730FactoryBMW840Factory 兩個工廠類,然後使用這兩個類的例項來生產不同型號的車子。

2.2.2 使用示例
const bmw730Factory = new BMW730Factory();
const bmw840Factory = new BMW840Factory();

const bmw730 = bmw730Factory.produceBMW();
const bmw840 = bmw840Factory.produceBMW();

bmw730.run();
bmw840.run();
2.2.3 應用場景
  • 一個類不知道它所需要的物件的類:在工廠方法模式中,客戶端不需要知道具體產品類的類名,只需要知道所對應的工廠即可,具體的產品物件由具體工廠類建立;客戶端需要知道建立具體產品的工廠類。
  • 一個類通過其子類來指定建立哪個物件:在工廠方法模式中,對於抽象工廠類只需要提供一個建立產品的介面,而由其子類來確定具體要建立的物件,利用物件導向的多型性和里氏代換原則,在程式執行時,子類物件將覆蓋父類物件,從而使得系統更容易擴充套件。
繼續閱讀:Typescript 設計模式之工廠方法

2.3 抽象工廠

抽象工廠模式(Abstract Factory Pattern),提供一個建立一系列相關或相互依賴物件的介面,而無須指定它們具體的類。

在工廠方法模式中具體工廠負責生產具體的產品,每一個具體工廠對應一種具體產品,工廠方法也具有唯一性,一般情況下,一個具體工廠中只有一個工廠方法或者一組過載的工廠方法。 但是有時候我們需要一個工廠可以提供多個產品物件,而不是單一的產品物件。

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在上圖中,阿寶哥模擬了使用者購車的流程,小王向 BMW 工廠訂購了 BMW730,工廠按照 730 對應的模型進行生產並在生產完成後交付給小王。而小秦向同一個 BMW 工廠訂購了 BMW840,工廠按照 840 對應的模型進行生產並在生產完成後交付給小秦。

下面我們來看一下如何使用抽象工廠來描述上述的購車過程。

2.3.1 實現程式碼
abstract class BMWFactory {
  abstract produce730BMW(): BMW730;
  abstract produce840BMW(): BMW840;
}

class ConcreteBMWFactory extends BMWFactory {
  produce730BMW(): BMW730 {
    return new BMW730();
  }

  produce840BMW(): BMW840 {
    return new BMW840();
  }
}
2.3.2 使用示例
const bmwFactory = new ConcreteBMWFactory();

const bmw730 = bmwFactory.produce730BMW();
const bmw840 = bmwFactory.produce840BMW();

bmw730.run();
bmw840.run();
2.3.3 應用場景
  • 一個系統不應當依賴於產品類例項如何被建立、組合和表達的細節,這對於所有型別的工廠模式都是重要的。
  • 系統中有多於一個的產品族,而每次只使用其中某一產品族。
  • 系統提供一個產品類的庫,所有的產品以同樣的介面出現,從而使客戶端不依賴於具體實現。
繼續閱讀:建立物件的最佳方式是什麼?

三、單例模式

單例模式(Singleton Pattern)是一種常用的模式,有一些物件我們往往只需要一個,比如全域性快取、瀏覽器中的 window 物件等。單例模式用於保證一個類僅有一個例項,並提供一個訪問它的全域性訪問點。

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在上圖中,阿寶哥模擬了借車的流程,小王臨時有急事找阿寶哥借車子,阿寶哥家的車子剛好沒用,就借給小王了。當天,小秦也需要用車子,也找阿寶哥借車,因為阿寶哥家裡只有一輛車子,所以就沒有車可借了。

對於車子來說,它雖然給生活帶來了很大的便利,但養車也需要一筆不小的費用(車位費、油費和保養費等),所以阿寶哥家裡只有一輛車子。在開發軟體系統時,如果遇到建立物件時耗時過多或耗資源過多,但又經常用到的物件,我們就可以考慮使用單例模式。

下面我們來看一下如何使用 TypeScript 來實現單例模式。

3.1 實現程式碼
class Singleton {
  // 定義私有的靜態屬性,來儲存物件例項
  private static singleton: Singleton;
  private constructor() {}

  // 提供一個靜態的方法來獲取物件例項
  public static getInstance(): Singleton {
    if (!Singleton.singleton) {
      Singleton.singleton = new Singleton();
    }
    return Singleton.singleton;
  }
}
3.2 使用示例
let instance1 = Singleton.getInstance();
let instance2 = Singleton.getInstance();

console.log(instance1 === instance2); // true
3.3 應用場景
  • 需要頻繁例項化然後銷燬的物件。
  • 建立物件時耗時過多或耗資源過多,但又經常用到的物件。
  • 系統只需要一個例項物件,如系統要求提供一個唯一的序列號生成器或資源管理器,或者需要考慮資源消耗太大而只允許建立一個物件。
繼續閱讀:TypeScript 設計模式之單例模式

四、介面卡模式

在實際生活中,也存在介面卡的使用場景,比如:港式插頭轉換器、電源介面卡和 USB 轉介面。而在軟體工程中,介面卡模式的作用是解決兩個軟體實體間的介面不相容的問題。 使用介面卡模式之後,原本由於介面不相容而不能工作的兩個軟體實體就可以一起工作。

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4.1 實現程式碼
interface Logger {
  info(message: string): Promise<void>;
}

interface CloudLogger {
  sendToServer(message: string, type: string): Promise<void>;
}

class AliLogger implements CloudLogger {
  public async sendToServer(message: string, type: string): Promise<void> {
    console.info(message);
    console.info('This Message was saved with AliLogger');
  }
}

class CloudLoggerAdapter implements Logger {
  protected cloudLogger: CloudLogger;

  constructor (cloudLogger: CloudLogger) {
    this.cloudLogger = cloudLogger;
  }

  public async info(message: string): Promise<void> {
    await this.cloudLogger.sendToServer(message, 'info');
  }
}

class NotificationService {
  protected logger: Logger;
  
  constructor (logger: Logger) {    
    this.logger = logger;
  }

  public async send(message: string): Promise<void> {
    await this.logger.info(`Notification sended: ${message}`);
  }
}

在以上程式碼中,因為 LoggerCloudLogger 這兩個介面不匹配,所以我們引入了 CloudLoggerAdapter 介面卡來解決相容性問題。

4.2 使用示例
(async () => {
  const aliLogger = new AliLogger();
  const cloudLoggerAdapter = new CloudLoggerAdapter(aliLogger);
  const notificationService = new NotificationService(cloudLoggerAdapter);
  await notificationService.send('Hello semlinker, To Cloud');
})();
4.3 應用場景及案例
繼續閱讀:TypeScript 設計模式之介面卡模式

五、觀察者模式 & 釋出訂閱模式

5.1 觀察者模式

觀察者模式,它定義了一種一對多的關係,讓多個觀察者物件同時監聽某一個主題物件,這個主題物件的狀態發生變化時就會通知所有的觀察者物件,使得它們能夠自動更新自己。

在觀察者模式中有兩個主要角色:Subject(主題)和 Observer(觀察者)。

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在上圖中,Subject(主題)就是阿寶哥的 TS 專題文章,而觀察者就是小秦和小王。由於觀察者模式支援簡單的廣播通訊,當訊息更新時,會自動通知所有的觀察者。

下面我們來看一下如何使用 TypeScript 來實現觀察者模式。

5.1.1 實現程式碼
interface Observer {
  notify: Function;
}

class ConcreteObserver implements Observer{
  constructor(private name: string) {}

  notify() {
    console.log(`${this.name} has been notified.`);
  }
}

class Subject { 
  private observers: Observer[] = [];

  public addObserver(observer: Observer): void {
    console.log(observer, "is pushed!");
    this.observers.push(observer);
  }

  public deleteObserver(observer: Observer): void {
    console.log("remove", observer);
    const n: number = this.observers.indexOf(observer);
    n != -1 && this.observers.splice(n, 1);
  }

  public notifyObservers(): void {
    console.log("notify all the observers", this.observers);
    this.observers.forEach(observer => observer.notify());
  }
}
5.1.2 使用示例
const subject: Subject = new Subject();
const xiaoQin = new ConcreteObserver("小秦");
const xiaoWang = new ConcreteObserver("小王");
subject.addObserver(xiaoQin);
subject.addObserver(xiaoWang);
subject.notifyObservers();

subject.deleteObserver(xiaoQin);
subject.notifyObservers();
5.1.3 應用場景及案例
繼續閱讀:TypeScript 設計模式之觀察者模式

5.2 釋出訂閱模式

在軟體架構中,釋出/訂閱是一種訊息正規化,訊息的傳送者(稱為釋出者)不會將訊息直接傳送給特定的接收者(稱為訂閱者)。而是將釋出的訊息分為不同的類別,然後分別傳送給不同的訂閱者。 同樣的,訂閱者可以表達對一個或多個類別的興趣,只接收感興趣的訊息,無需瞭解哪些釋出者存在。

在釋出訂閱模式中有三個主要角色:Publisher(釋出者)、 Channels(通道)和 Subscriber(訂閱者)。

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在上圖中,Publisher(釋出者)是阿寶哥,Channels(通道)中 Topic A 和 Topic B 分別對應於 TS 專題和 Deno 專題,而 Subscriber(訂閱者)就是小秦、小王和小池。

下面我們來看一下如何使用 TypeScript 來實現釋出訂閱模式。

5.2.1 實現程式碼
type EventHandler = (...args: any[]) => any;

class EventEmitter {
  private c = new Map<string, EventHandler[]>();

  // 訂閱指定的主題
  subscribe(topic: string, ...handlers: EventHandler[]) {
    let topics = this.c.get(topic);
    if (!topics) {
      this.c.set(topic, topics = []);
    }
    topics.push(...handlers);
  }

  // 取消訂閱指定的主題
  unsubscribe(topic: string, handler?: EventHandler): boolean {
    if (!handler) {
      return this.c.delete(topic);
    }

    const topics = this.c.get(topic);
    if (!topics) {
      return false;
    }
    
    const index = topics.indexOf(handler);

    if (index < 0) {
      return false;
    }
    topics.splice(index, 1);
    if (topics.length === 0) {
      this.c.delete(topic);
    }
    return true;
  }

  // 為指定的主題釋出訊息
  publish(topic: string, ...args: any[]): any[] | null {
    const topics = this.c.get(topic);
    if (!topics) {
      return null;
    }
    return topics.map(handler => {
      try {
        return handler(...args);
      } catch (e) {
        console.error(e);
        return null;
      }
    });
  }
}
5.2.2 使用示例
const eventEmitter = new EventEmitter();
eventEmitter.subscribe("ts", (msg) => console.log(`收到訂閱的訊息:${msg}`) );

eventEmitter.publish("ts", "TypeScript釋出訂閱模式");
eventEmitter.unsubscribe("ts");
eventEmitter.publish("ts", "TypeScript釋出訂閱模式");
5.2.3 應用場景
繼續閱讀:如何優雅的實現訊息通訊?

六、策略模式

策略模式(Strategy Pattern)定義了一系列的演算法,把它們一個個封裝起來,並且使它們可以互相替換。策略模式的重心不是如何實現演算法,而是如何組織、呼叫這些演算法,從而讓程式結構更靈活、可維護、可擴充套件。

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目前在一些主流的 Web 站點中,都提供了多種不同的登入方式。比如賬號密碼登入、手機驗證碼登入和第三方登入。為了方便維護不同的登入方式,我們可以把不同的登入方式封裝成不同的登入策略。

下面我們來看一下如何使用策略模式來封裝不同的登入方式。

6.1 實現程式碼

為了更好地理解以下程式碼,我們先來看一下對應的 UML 類圖:

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interface Strategy {
  authenticate(...args: any): any;
}

class Authenticator {
  strategy: any;
  constructor() {
    this.strategy = null;
  }

  setStrategy(strategy: any) {
    this.strategy = strategy;
  }

  authenticate(...args: any) {
    if (!this.strategy) {
      console.log('尚未設定認證策略');
      return;
    }
    return this.strategy.authenticate(...args);
  }
}

class WechatStrategy implements Strategy {
  authenticate(wechatToken: string) {
    if (wechatToken !== '123') {
      console.log('無效的微信使用者');
      return;
    }
    console.log('微信認證成功');
  }
}

class LocalStrategy implements Strategy {
  authenticate(username: string, password: string) {
    if (username !== 'abao' && password !== '123') {
      console.log('賬號或密碼錯誤');
      return;
    }
    console.log('賬號和密碼認證成功');
  }
}
6.2 使用示例
const auth = new Authenticator();

auth.setStrategy(new WechatStrategy());
auth.authenticate('123456');

auth.setStrategy(new LocalStrategy());
auth.authenticate('abao', '123');
6.3 應用場景及案例

七、職責鏈模式

職責鏈模式是使多個物件都有機會處理請求,從而避免請求的傳送者和接受者之間的耦合關係。在職責鏈模式裡,很多物件由每一個物件對其下家的引用而連線起來形成一條鏈。請求在這個鏈上傳遞,直到鏈上的某一個物件決定處理此請求。

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在公司中不同的崗位擁有不同的職責與許可權。以上述的請假流程為例,當阿寶哥請 1 天假時,只要組長審批就可以了,不需要流轉到主管和總監。如果職責鏈上的某個環節無法處理當前的請求,若含有下個環節,則會把請求轉交給下個環節來處理。

在日常的軟體開發過程中,對於職責鏈來說,一種常見的應用場景是中介軟體,下面我們來看一下如何利用職責鏈來處理請求。

7.1 實現程式碼

為了更好地理解以下程式碼,我們先來看一下對應的 UML 類圖:

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interface IHandler {
  addMiddleware(h: IHandler): IHandler;
  get(url: string, callback: (data: any) => void): void;
}

abstract class AbstractHandler implements IHandler {
  next!: IHandler;
  addMiddleware(h: IHandler) {
    this.next = h;
    return this.next;
  }

  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    if (this.next) {
      return this.next.get(url, callback);
    }
  }
}

// 定義Auth中介軟體
class Auth extends AbstractHandler {
  isAuthenticated: boolean;
  constructor(username: string, password: string) {
    super();

    this.isAuthenticated = false;
    if (username === 'abao' && password === '123') {
      this.isAuthenticated = true;
    }
  }

  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    if (this.isAuthenticated) {
      return super.get(url, callback);
    } else {
      throw new Error('Not Authorized');
    }
  }
}

// 定義Logger中介軟體
class Logger extends AbstractHandler {
  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    console.log('/GET Request to: ', url);
    return super.get(url, callback);
  }
}

class Route extends AbstractHandler {
  URLMaps: {[key: string]: any};
  constructor() {
    super();
    this.URLMaps = {
      '/api/todos': [{ title: 'learn ts' }, { title: 'learn react' }],
      '/api/random': Math.random(),
    };
  }

  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    super.get(url, callback);

    if (this.URLMaps.hasOwnProperty(url)) {
      callback(this.URLMaps[url]);
    }
  }
}
7.2 使用示例
const route = new Route();
route.addMiddleware(new Auth('abao', '123')).addMiddleware(new Logger());

route.get('/api/todos', data => {
  console.log(JSON.stringify({ data }, null, 2));
});

route.get('/api/random', data => {
  console.log(data);
});
7.3 應用場景
  • 可處理一個請求的物件集合應被動態指定。
  • 想在不明確指定接收者的情況下,向多個物件中的一個提交一個請求。
  • 有多個物件可以處理一個請求,哪個物件處理該請求執行時自動確定,客戶端只需要把請求提交到鏈上即可。

八、模板方法模式

模板方法模式由兩部分結構組成:抽象父類和具體的實現子類。通常在抽象父類中封裝了子類的演算法框架,也包括實現一些公共方法以及封裝子類中所有方法的執行順序。子類通過繼承這個抽象類,也繼承了整個演算法結構,並且可以選擇重寫父類的方法。

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在上圖中,阿寶哥通過使用不同的解析器來分別解析 CSV 和 Markup 檔案。雖然解析的是不同的型別的檔案,但檔案的處理流程是一樣的。這裡主要包含讀取檔案、解析檔案和列印資料三個步驟。針對這個場景,我們就可以引入模板方法來封裝以上三個步驟的處理順序。

下面我們來看一下如何使用模板方法來實現上述的解析流程。

8.1 實現程式碼

為了更好地理解以下程式碼,我們先來看一下對應的 UML 類圖:

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import fs from 'fs';

abstract class DataParser {
  data: string = '';
  out: any = null;

  // 這就是所謂的模板方法
  parse(pathUrl: string) {
    this.readFile(pathUrl);
    this.doParsing();
    this.printData();
  }

  readFile(pathUrl: string) {
    this.data = fs.readFileSync(pathUrl, 'utf8');
  }

  abstract doParsing(): void;
  
  printData() {
    console.log(this.out);
  }
}

class CSVParser extends DataParser {
  doParsing() {
    this.out = this.data.split(',');
  }
}

class MarkupParser extends DataParser {
  doParsing() {
    this.out = this.data.match(/<\w+>.*<\/\w+>/gim);
  }
}
8.2 使用示例
const csvPath = './data.csv';
const mdPath = './design-pattern.md';

new CSVParser().parse(csvPath);
new MarkupParser().parse(mdPath);
8.3 應用場景
  • 演算法的整體步驟很固定,但其中個別部分易變時,這時候可以使用模板方法模式,將容易變的部分抽象出來,供子類實現。
  • 當需要控制子類的擴充套件時,模板方法只在特定點呼叫鉤子操作,這樣就只允許在這些點進行擴充套件。

九、參考資源

十、推薦閱讀

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