抽象类与模板模式

2024-02-10 13:43:22

引言

最近在看JUC的源码，Lock接口的实现类ReentrantLock中的AQS（AbstractQueuedSynchronizer）使用抽象类构建的模板模式很有意思。

介绍模板模式前我们先回顾一下抽象类。

抽象类

什么是抽象类？

《Java编程思想》（Think in Java）第九章对抽象类的说明，我们简单总结下：

首先Java提供了一个叫抽象方法的机制，抽象方法只有声明，没有实现。抽象方法使用abstract关键字修饰：

abstract void f();

抽象类

包含抽象方法的类叫做抽象类。如果一个类含有抽象方法则这个类是一个抽象类，否则编译不通过（因为使用抽象类创建对象后对象的中的抽象方法没有实现，会导致运行时报错，为了阻止这种情况的发生，提前在编译期捕获这些问题）。

抽象类需要用abstract关键字修饰：

abstract class A {
  abstract void f();
}

抽象类的特点

当然，抽象类也不是只能包含抽象方法，他也可以包含正常的方法和属性。抽象类与正常类的区别主要有以下三点：

抽象方法只能为public或protect，不能为private，因为private方法不能被子类继承。缺省为public。
抽象类不能用来创建对象
如果一个类继承了抽象类，那么他必须实现抽象类的抽象方法，如果没有实现，那这个类也需要有abstract来修饰

抽象类的作用

抽象类和抽象方法非常有用，因为他可以使类的抽象性明确起来，告诉程序员和编译期打算怎样使用他，方便程序员迅速的理清继承关系。抽象类还是很重要的重构工具，因为他使得我们可以很容易的将公共方法沿着继承层次结构向上移动。

模板模式

说了这么多，终于到我们的正题：模板模式。

模板模式是类的行为模式。准备一个抽象类，将部分逻辑以具体方法的形式实现，然后声明一些抽象方法来迫使子类实现剩余的逻辑。不同的子类提供不同的方式实现这些抽象方法，从而对剩余的逻辑有不同的实现。模板模式的关键在于：父类提供框架性的公共逻辑，子类提供个性化的定制逻辑。

模板模式是什么？

模板模式的定义

在模板模式中，由抽象类定义模板方法和钩子方法，模板方法定义一套业务算法框架，算法框架中的某些步骤由钩子方法负责完成。具体的子类可以按需要重写钩子方法。模板方法的调用将通过抽象类的实例来完成。模板模式所包含的角色有抽象类和具体类，二者之间的关系如下图

模板方法和钩子方法

模板方法（Template Method）也常常被称为骨架方法，主要定义了整个方法需要实现的业务操作的算法框架。其中，调用不同方法的顺序因人而异，而且这个方法也可以做成一个抽象方法，要求子类自行定义逻辑流程。钩子方法（Hook Method）是被模板方法的算法框架所调用的，由子类提供具体的实现方法。在抽象父类中，钩子方法常常被定义为一个空方法或者抽象方法，需要由子类去实现。钩子方法的存在可以让子类提供算法框架中的某个细分操作，从而让子类实现算法中可选的、需要变动的部分。

如何使用模板模式？

我们从一个非常经典的例子：ReentrantLock的实现，看一下JUC 的作者 Doug Lea是如何用使用模板模式的。

ReentrantLock是Lock接口的实现类，他实现了Lock接口的所有方法。

通过代码我们发现ReentrantLock把所有Lock接口的实现委托给一个Sync类的对象sync：

    public void lock() {
        sync.lock();
    }

    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    public boolean tryLock() {
        return sync.nonfairTryAcquire(1);
    }

    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }
		
		...

Sync类是一个内部类，也是一个抽象类

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
  ...
}

Sync有一个抽象方法lock()，和一些普通方法。

Sync有两个实现类NonfairSync 非公平锁、FairSync公平锁。

    static final class NonfairSync extends Sync {
    	...
    }

    static final class FairSync extends Sync {
    	...
    }

ReentrantLock的构造参数代码：

    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

当我们用ReentrantLock默认的构造函数实例化一个锁对象时，便是构建了一个NonfairSync 非公平锁对象；当使用了带参数且参数为true时，构建的是一个FairSync公平锁对象。

通过以上委托代码可以看出，ReentrantLock的显式锁操作是委托（或委派）给一个Sync内部类的实例来完成的。而Sync内部类只是AQS的一个子类，所以本质上ReentrantLock的显式锁操作是委托（或委派）给AQS完成的。

至此ReentrantLock的模板是如何使用的我们大概梳理出来了，小结一下：

因为公平锁、非公平锁都是锁，都有加锁、解锁等操作，且除了的尝试获取锁tryAcquire细节实现不一样外其他逻辑都是一样的。在两个子类中分别实现了尝试获取锁的方法。这两个方法便是模板模式中的钩子方法。

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