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Java 设计

模板方法模式，一般是为了统一子类的算法实现步骤，所使用的一种手段或者说是方式。它在父类中定义一系列算法的步骤，而将具体的实现都推迟到子类。
最典型的形式就是一个接口，一个抽象父类中会有一系列的抽象方法，而在子类中去一一实现这些方法。
例如我们有一个接口，里面就一个方法，是用来制造一个HTML页面，如下：

public interface PageBuilder {
    String bulidHtml();
}

这个接口就是直接制造一个Html页面的内容，假设我们不使用模板方法模式，直接让各个子类去直接实现这个接口，那么肯定实现的方式千奇百怪，而且步骤也乱七八糟的，这样实在不利于维护和扩展。所以我们可以使用模板方法模式，将这个过程给制定好，然后把具体的内容填充交给子类就好，这样这些子类生成的HTML页面就会非常一致。
基于这个目的，我们定义如下抽象类，去实现这个接口，并且定义好步骤。

public abstract class AbstractPageBuilder implements PageBuilder{

    private StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();

    public String bulidHtml() {
        //首先加入doctype,因为都是html页面,所以我们父类不需要推迟给子类实现,直接在父类实现
        stringBuffer.append("<!DOCTYPE html PUBLIC \"-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN\" \"http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-strict.dtd\">");
        //页面下面就是成对的一个HTML标签，我们也在父类加入,不需要给子类实现
        stringBuffer.append("<html xmlns=\"http://www.w3.org/1999/xhtml\">");
        //下面就应该是head标签里的内容了,这个我们父类做不了主了,推迟到子类实现,所以我们定义一个抽象方法,让子类必须实现
        appendHead(stringBuffer);
        //下面是body的内容了，我们父类依然无法做主，仍然推迟到子类实现
        appendBody(stringBuffer);
        //html标签的关闭
        stringBuffer.append("</html>");
        return stringBuffer.toString();
    }

    //第一个模板方法
    protected abstract void appendHead(StringBuffer stringBuffer);

    //第二个模板方法
    protected abstract void appendBody(StringBuffer stringBuffer);

}

这下我们如果要制作一个html页面，直接继承抽象父类就可以了，而我们的子类只需要实现两个模板方法，就可以成功完成html页面的创建。下面我们随意制造一个html页面。

public class MyPageBuilder extends AbstractPageBuilder{

    @Override
    protected void appendHead(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<head><title>你好</title></head>");
    }

    @Override
    protected void appendBody(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<body><h1>你好,世界！</h1></body>");
    }

    public static void main(String[] args) {
        PageBuilder pageBuilder = new MyPageBuilder();
        System.out.println(pageBuilder.bulidHtml());
    }

}

简单的加入一个head和body标签，然后创建测试类运行一下，就会发现我们按照父类给的标准模板生成了一个html页面。
这样做的方式的好处是，父类可以规范子类的创建过程，便于我们维护，而且子类也更省事，因为像doctype包括html标签都是一样的，所以子类不再需要关心这些。当然上述写的有点粗糙，其实可以定义的更仔细一点，比如head标签里，第一个是title，然后是meta等等。
模板方法模式的好处是并不强制接口的实现类必须继承，所以不会对子类造成任何影响，而如果子类的实现可以配得上模板类的模板，那么就可以享受模板方法模式带来的好处。
通常情况下，模板方法模式用于定义构建某个对象的步骤与顺序，或者定义一个算法的骨架。
刚才的示例明显就是构建一个String对象的过程，在这里要声明一点，对于模板方法模式，父类提供的构建步骤和顺序或者算法骨架，通常是不希望甚至是不允许子类去覆盖的，所以在某些场景中，可以直接将父类中提供骨架的方法声明为final类型。
模板方法模式还有一种使用的方式，为了给子类足够的自由度，可以提供一些方法供子类覆盖，去实现一些骨架中不是必须但却可以有自定义实现的步骤。
比如上述的例子当中，HTML页面中有一些标签是可有可无的。比如meta标签，link标签，script标签等。那么可以将刚才的例子细化一下。将刚才的抽象父类细化成如下形式：

public abstract class AbstractPageBuilder implements PageBuilder{

    private static final String DEFAULT_DOCTYPE = "<!DOCTYPE html PUBLIC \"-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN\" \"http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-strict.dtd\">";

    private static final String DEFAULT_XMLNS = "http://www.w3.org/1999/xhtml";

    private StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();

    public String bulidHtml() {
        stringBuffer.append(DEFAULT_DOCTYPE);
        stringBuffer.append("<html xmlns=\"" + DEFAULT_XMLNS + "\">");
        stringBuffer.append("<head>");
        appendTitle(stringBuffer);
        appendMeta(stringBuffer);
        appendLink(stringBuffer);
        appendScript(stringBuffer);
        stringBuffer.append("</head>");
        appendBody(stringBuffer);
        stringBuffer.append("</html>");
        return stringBuffer.toString();
    }

    protected void appendMeta(StringBuffer stringBuffer){
    }

    protected void appendLink(StringBuffer stringBuffer){
    }

    protected void appendScript(StringBuffer stringBuffer){
    }

    protected abstract void appendTitle(StringBuffer stringBuffer);

    protected abstract void appendBody(StringBuffer stringBuffer);

}

可以看到，我们将head标签的生成过程更加细化了，分成四个方法，title，meta，link和script。但是这四个里面appendTitle是模板方法，子类必须实现，而其它三个则是普通的空方法，就是留给子类覆盖的.当然子类可以选择不覆盖，那么生成的HTML就没有meta，link和script这三种标签，如果想有的话，就可以覆盖其中任意一个，比如下面这样。

public class MyPageBuilder extends AbstractPageBuilder{

    protected void appendMeta(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<meta http-equiv=\"Content-Type\" content=\"text/html; charset=utf-8\" />");
    }

    protected void appendTitle(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<title>你好</title>");
    }

    protected void appendBody(StringBuffer stringBuffer) {
        stringBuffer.append("<body>你好，世界！</body>");
    }

    public static void main(String[] args) {
        PageBuilder pageBuilder = new MyPageBuilder();
        System.out.println(pageBuilder.bulidHtml());
    }

}

覆盖了appendMeta方法，所以我们就可以在head标签中生成一个meta标签。如果各位看过上章的适配器模式，其实这里和缺省适配很像，目的都是一样的，因为如果把appendMeta也写成抽象方法，那么子类就必须实现，但是meta标签又不是必须的，所以子类就有可能把appendMeta，appendLink，appendScript方法全空着了。
所以为了不强制子类实现不必要的抽象方法，但又不剥夺子类自由选择的权利，我们在父类提供一个默认的空实现，来让子类自由选择是否要覆盖掉这些方法。
说到模板方法模式，我们JDK当中有一个类与它还有一个不得不说的故事，那就是类加载器。
JDK类加载器可以大致分为三类，分别是启动类加载器，扩展类加载器，以及应用程序加载器。
这三者加载类的路径分别为如下：
启动类加载器：JAVA_HOME/lib目录下，以及被-Xbootcalsspath参数设定的路径，不过启动类加载器加载的类是有限制的，如果JVM不认识的话，你放在这些目录下也没用。
扩展类加载器：JAVA_HOME/lib/ext目录下，以及被java.ext.dirs系统变量指定的路径。
应用程序类加载器：用户自己的类路径（classpath），这个类加载器就是我们经常使用的系统类加载器，并且JDK中的抽象类ClassLoader的默认父类加载器就是它。
ClassLoader类就使用了模板模式，保证类加载过程中的唯一性。

public abstract class ClassLoader {
    //这是一个重载方法
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
    }

    //这里就是父类算法的定义
    protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
    {
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
        if (parent != null) {
            c = parent.loadClass(name, false);
        } else {
            c = findBootstrapClass0(name);
        }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        resolveClass(c);
    }
    return c;
    }
    //这里留了一个方法给子类选择性覆盖
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
    }

}

主要的部分是这三个方法,是一个模板方法模式，只是它没有定义抽象方法，因为findClass这个方法，并不是必须实现的，所以JDK选择留给程序员们自己选择是否要覆盖。
从代码上我们可以看出，在ClassLoader中定义的算法顺序是。
1，首先看是否有已经加载好的类。
2，如果父类加载器不为空，则首先从父类类加载器加载。
3，如果父类加载器为空，则尝试从启动加载器加载。
4，如果两者都失败，才尝试从findClass方法加载。
这是JDK类加载器的双亲委派模型，即先从父类加载器加载，直到继承体系的顶层，否则才会采用当前的类加载器加载。这样做的目的是为了JVM中类的一致性。

package com.classloader;

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class<?> clazz = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("com.classloader.ClassLoaderTest");
        Object entity = clazz.newInstance();
        System.out.println(entity instanceof ClassLoaderTest);
    }
}

结果毫无疑问的应该是true，这是因为entity是ClassLoaderTest类的一个实例，instanceof关键字用来判断一个实例是否属于一个特定的类型，所以结果就是true。

package com.classloader;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

class MyClassLoader extends ClassLoader{

    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".")+1) + ".class";
        InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
        if (is == null) {
            return super.loadClass(name);
        }
        try {
            byte[] b = new byte[is.available()];
            is.read(b);
            return defineClass(name, b, 0, b.length);
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException();
        }
    }

}

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
        ClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.classloader.ClassLoaderTest");
        Object entity = clazz.newInstance();
        System.out.println(entity instanceof ClassLoaderTest);
    }

}

结果为false是因为如果没有按照ClassLoader中提供的骨架算法去加载类，可能会造成JVM中有两个一模一样的类信息，他们是来自一个类文件，但却不是一个加载器加载的，所以这两个类不相等。
这也是类加载器为何要使用模板模式给我们定义好查找的算法，是为了保证我们加载的每一个类在虚拟机当中都有且仅有一个。
不过你可能会想，既然如此，为何不把loadClass方法写成final类型的，这样不是更安全吗？这是因为有的时候我们希望JVM当中每一个类有且仅有一个，但有的时候我们希望有两个，甚至N个，就比如我们的tomcat，你可以想象下，你每一个项目假设都有com.xxx.xxxx.BaseDao等等，如果这些类都是一个的话，tomcat就不能同时启动多个WEB服务。虽说tomcat也是遵循的双亲委派模型，但是从此也可以看出来，我们并不是在所有时候都希望同一个全限定名的类在整个JVM里面只有一个。

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