撰寫程式時,分離程式中通用流程與特定實現的模式經常可見,將通用流程抽取成為共用的程式樣版,可減少程式碼重複,並增加維護性,熟悉後,開發者更易於發現通用流程特徵,避免撰寫重複流程,設計時可專注於特定實作。

實現共用程式樣版的方式之一,是透過繼承來共用父類別中的流程,Gof設計模式分類中,稱此種模式為樣版方法(Template method)。

具體實例是Servlet的實作,在HttpServlet的service方法,實現判斷與預處理GET、POST等HTTP方法的流程樣版,並在GET時呼叫doGet、POST時呼叫doPost等,想實作Servlet進行請求處理與回應,只要繼承HttpServlet,重新定義doGet、doPost即可。

樣版方法模式的特定實現是放在子類別中,這些特定實現可能用於父類別中多個具有共用樣版的方法中。繼承顯然是樣版方法模式的一大特徵,這是考量共用樣版是否放在父類別中的重要因素。

由於具有父子類別關係,父類別中某些需特定實現的方法可有預設實作,減輕子類別須逐一實作方法的負擔,子類別只要依需求重新定義某些方法;由於有繼承關係,子類別可直接取用父類別中權限允許的定義,子類別需實作的方法也不一定要公開(public),而可以是受保護(protected)。

但樣版方法中,有共用流程的類別與具備特定實現的類別,必然具備「是一種」(is a)的關係,在只允許繼承單一實作類別的語言形成最大限制。

在JDK8中,介面允許預設方法(Default method),某類別實現具預設方法的介面時,就可擁有預設方法中的程式樣版,只要再實現未實作的抽象方法,就可擁有完整功能。如果將實作具備預設方法的介面,看作是一種受限多重繼承,實際上此種機制也是樣版方法模式的實現。Scala中的Trait、Ruby中的Module,也是實作樣版方法模式的機制之一。

以組合重用實境類別中的程式樣版

若不想以繼承方式實作程式樣版共用,可採用策略(Strategy)模式,將特定實作定義在策略類別中,共用程式樣版則定義在實境(Context)類別,並以組合(Composition)方式建立完整功能。

具體案例是JDK中的TreeSet或TreeMap,在建立實例時可指定自訂的Comparator,TreeSet或TreeMap在排序插入的元素時有既定流程,實際兩元素的前後順序則委託(Delegate)給Comparator來判斷。

策略模式特定實現是定義在策略類別,而策略物件可能會用於父類別中多個具共用樣版的方法中。組合與委託是策略模式的一大特徵,因而實境類別可於執行時期切換策略物件。例如JDK的Swing可於執行時期切換版面管理員(Layout manager),達到重新配置版面元件的效果。由於需要取得特定實作結果時是採委託方式,策略物件的方法往往必須公開。

樣版方法與策略模式作用上看似雷同,決定採用哪種方式,實際是在繼承與組合之間抉擇。如果要繼承多型,也就是必須以父類別型態來操作子類別實例,像是Web容器(Container)須透過Servlet型態來操作HttpServlet子類別實例,就採用樣版方法。

如果不需要繼承多型,由於採用策略模式時實境類別與策略類別間沒有繼承關係,通常可預留較大彈性。由於繼承一般是比較不鼓勵的,因而可以的情況下採用策略模式,必要的情況下採用樣版模式。

以回呼重用特定方法中的程式樣版
當類別功能繁多,個別功能僅需幾個特定實作時,若採用樣版方法模式,繼承父類別後得一次實作許多特定方法,造成子類別實作時的麻煩;若採用策略模式,策略類別得一次實作許多特定方法,造成策略類別實作時的麻煩。雖然可在父類別或策略類別進行預設實作,減輕子類別或策略類別實作時的負擔,但又會造成必須繼承笨重父類別的問題。

如果類別的功能繁多,可以採用樣版回呼(Template callback)模式,將個別功能所需的特定實作,打散至各個回呼物件。舉例來說,JDBC實作程式碼往往出現許多重複流程,僅小部份需要特定實作,而JDBC操作中有許多增刪查改的小功能,Spring框架在實現JdbcTemplate時,採取樣版回呼模式,在需要某個JDBC操作時,僅要求特定回呼物件。

例如,在update方法需要設定"INSERT INTO user (name,age) VALUES(?,?)"語法中佔位字元實際參數時,可如下實作:

jdbcTemplate.update(sql, new PreparedStatementSetter() {
public void setValues (PreparedStatement ps) throws SQLException {
ps.setString(1, name); ps.setInt(2, age);
}});

JDK的Collections類別sort方法,也是採用樣版回呼模式,使用sort排序List時,可傳入Comparator實例,自訂排序時兩元素的順序。對於非類別基礎(Class-based)語言來說,樣版回呼(Template callback)模式更為重要,不過這類語言通常存在一級(First-class)函式,所以更常見的稱呼是回呼函式(Callback function),比方說對JavaScript的陣列排序可以寫為:

[1, 3, 2, 5, 4].sort(function(a, b) { return a - b; });

回呼方式也有缺點,以Java來說,現階段採用回呼物件須用匿名內部類別實作,語法負擔大,未來JDK8可採用Lambda語法的話,語法可較簡潔。設計時也應避免回呼物件或函式形成過深巢狀結構,形成回呼地獄(Callback hell)的問題。例如:

readXML(function(xml) {
toJSON(xml, function(json) {
sendToServer(json, function(response) {
logToDatabase(response, function(...) {...});});});});

觀察樣版程式碼熟悉重複特徵

有些程式碼可簡單看出重複流程,例如處理輸入輸出或JDBC時的例外處理流程,往往一眼就看得出重複與累贅,因而可直接抽取加以封裝,之後重複運用,然而有些程式碼中即使存在重複流程,也很難直接察覺。舉例來說,如果有個List的albums與加總整數用的total,想計算花在超過40歲歌手的唱片錢有多少,可能如下撰寫:

for(Album album : albums) {
Singer singer = album.getSinger();
if(singer.getAge() > 40) {
total += album.getPrice();
}
}

觀察已抽取出的樣版程式碼,通常可以找出重複的特徵。例如利用迴圈對清單作if判斷,通常代表針對List作過濾(Filter);在迴圈中從某元素取得另一元件值,通常表示從List中匹配(Map)出另一個List;在迴圈中逐一取得元件值作計算,通常代表著左折疊(Fold left)或右折疊(Fold Right)。

因此若List定義有filter、map、reduce方法,可針對albums作filter(album -> album.getSinger().getAge() > 40)取得符合的專輯清單,然後再對傳回的專輯清單map(album -> album.getPrice())匹配出價格清單,最後用reduce(0, (seed, price) -> seed + price)對價格清單加總。如此不僅避免重複流程,語意也簡潔。

 

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