【Java泛型与设计模式】：模板方法模式+泛型，双剑合璧

# 1. Java泛型与设计模式概述

## Java泛型的引入与优势

Java泛型是在Java 5中引入的一个特性，旨在提高代码的类型安全性和复用性。泛型允许在编译时提供类型检查和类型推断，消除了类型转换的需要，并允许开发者编写可适用于多种数据类型的通用算法和数据结构。其优势主要体现在以下几个方面：

- **类型安全**：泛型在编译时进行类型检查，减少了运行时出现`ClassCastException`的风险。
- **代码复用**：通过定义通用的接口和类，避免了代码重复，并允许用户在不同数据类型上复用同一套代码。
- **易于维护**：泛型使得代码更加清晰，通过减少类型转换和错误，使得维护工作更为简单。

## 设计模式与Java泛型的结合

设计模式是软件开发中经过时间检验的解决方案模板，用于解决特定问题，提高代码的可读性和可维护性。Java泛型可以与设计模式结合使用，以实现更高的类型安全性和灵活性。结合泛型的设计模式有：

- **工厂模式**：结合泛型可以创建更为通用和类型安全的工厂方法。
- **策略模式**：泛型可以用于定义不同算法策略的接口和实现。
- **模板方法模式**：通过泛型，可以在不同的数据类型上重用算法模板。

本文将深入探讨模板方法模式与Java泛型的结合，通过理论分析和实际案例来展示如何利用泛型提升模板方法模式的灵活性和代码复用性。我们将逐步分析模板方法模式的基本原理和应用场景，然后转向泛型的核心概念、类型约束与通配符的高级特性，最后通过结合模式设计和实战演练，探讨泛型如何提升模板方法模式的灵活性和易用性。

# 2. 模板方法模式深度解析

### 2.1 模板方法模式的基本原理

#### 2.1.1 定义与结构
模板方法模式是一种行为设计模式，它在超类中定义了一个算法的骨架，将某些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下重新定义算法中的某些特定步骤。

模板方法模式通常包含以下几个关键角色：

- **AbstractClass（抽象类）**：定义抽象的原语操作（primitive operations），具体的子类将重定义它们以实现一个算法的各步骤。它还实现了一个模板方法，定义了算法的骨架。该模板方法不仅调用原语操作，也调用定义在AbstractClass或其它对象中的操作。

- **ConcreteClass（具体类）**：实现原语操作以完成算法中与特定子类相关的步骤。

模板方法模式的类图结构如下：

classDiagram
class AbstractClass {
    +templateMethod()
    +primitiveOperationA()
    +primitiveOperationB()
}
class ConcreteClassA {
    +primitiveOperationA()
}
class ConcreteClassB {
    +primitiveOperationB()
}
AbstractClass <|-- ConcreteClassA
AbstractClass <|-- ConcreteClassB

#### 2.1.2 模板方法与钩子方法
模板方法定义了算法的骨架，其关键在于 `templateMethod()` 方法，这个方法调用了一个或多个 `primitiveOperation()` 原语操作。

钩子方法（Hook Method）是模板方法的特殊形式，它在抽象类中提供了一个默认的空实现。钩子的存在使得子类可以提供默认的行为或者完全覆写它们。在模板方法中使用钩子可以使算法的某些步骤具有可选性，为子类提供了一个“挂钩”以插入自定义的行为。

### 2.2 模板方法模式的应用场景

#### 2.2.1 代码复用的典型范例
模板方法模式非常擅长于通过继承来实现代码复用，尤其是当一系列算法有共同的结构而只是在某些步骤上不同的情况下。

例如，当我们有一个数据处理流程，其中大部分步骤是通用的，但是不同数据类型可能需要不同处理，模板方法模式就非常适用。通用步骤可以放在抽象类中，特定数据处理步骤留给具体的子类实现。

public abstract class DataProcessor {
    public final void process() {
        // 通用处理步骤
        commonStep1();
        commonStep2();
        // 具体处理步骤由子类实现
        concreteStep();
    }
    private void commonStep1() {
        // 通用步骤的实现
    }
    private void commonStep2() {
        // 通用步骤的实现
    }
    protected abstract void concreteStep();
}

public class SpecificDataProcessor extends DataProcessor {
    @Override
    protected void concreteStep() {
        // 特定数据类型的具体处理
    }
}

#### 2.2.2 与回调函数的相似之处
模板方法模式可以看作是一种静态的回调，它的回调函数是在子类中实现的，而不是通过接口或匿名内部类的方式动态决定的。这使得在编译时就确定了要执行的具体算法。

例如，考虑一个排序算法的模板方法，排序步骤是固定的，但比较器是由子类提供的：

public abstract class Sorter {
    public void sort(Comparator comparator) {
        // 排序模板方法
        for (int i = 0; i < array.length - 1; i++) {
            int minIndex = i;
            for (int j = i + 1; j < array.length; j++) {
                if (***pare(array[minIndex], array[j]) > 0) {
                    minIndex = j;
                }
            }
            // 交换元素位置
            swap(i, minIndex);
        }
    }
    protected abstract void swap(int i, int j);
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] arr = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6};
        Sorter sorter = new IntegerSorter();
        sorter.sort((a, b) -> a - b); // 升序排序
    }
}

public class IntegerSorter extends Sorter {
    @Override
    protected void swap(int i, int j) {
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = temp;
    }
}

### 2.3 模板方法模式的扩展性分析

#### 2.3.1 抽象类与接口的抉择
在选择实现模板方法模式时，需要考虑使用抽象类还是接口。通常，当需要封装算法骨架的共有部分时，使用抽象类会更加合适。抽象类允许包含一些共有代码，以及私有字段和方法，这可以避免子类中重复的实现。

而接口则更适合定义一些可选的操作，供子类实现。如果算法中的步骤变化不大，且都为抽象行为，使用接口也可以达到模板方法模式的效果。

public interface DataProcessor {
    void process();
    void commonStep1();
    void commonStep2();
}

public class SpecificDataProcessor implements DataProcessor {
    @Override
    public void process() {
        commonStep1();
        commonStep2();
        concreteStep();
    }

    @Override
    public void commonStep1() {
        // 通用步骤的实现
    }

    @Override
    public void commonStep2() {
        // 通用步骤的实现
    }

    @Override
    public void concreteStep() {
        // 特定处理
    }
}

#### 2.3.2 抽象方法与具体方法的比例
在模板方法模式中，保持抽象方法与具体方法的适当比例是很重要的。理想情况下，抽象类应该包含尽可能多的抽象方法，因为它们定义了算法的可定制点。然而，过多的抽象方法会增加复杂性，使得子类难以实现。因此，抽象方法的数量应该恰到好处。

具体方法则用于实现算法中的不变部分。如果一个算法的大部分步骤都是固定的，那么这个模式可能不是最佳选择。相反，如果一个算法的大部分步骤都是可变的，那么模板方法模式将非常适合。

### 代码块使用示例

public abstract class AbstractClass {