(Credits: Blog von Vishal Chovatiya)
„Das Template Method Pattern definiert den grundlegenden Ablauf eines Algorithmus in einer Basisklasse und überlässt einzelne Schritte davon den abgeleiteten Klassen.”
Das Template Method Pattern gehört zu den Verhaltensmustern (Behavioral Patterns) und wird eingesetzt, wenn mehrere Algorithmen (beziehungsweise der grundlegende Ablauf eines Algorithmus) eine gemeinsame Struktur besitzen, sich aber in einzelnen Schritten unterscheiden.
Die Basisklasse definiert dazu eine sogenannte „Template Method” – eine Methode, die den festen Ablauf des Algorithmus als Sequenz von Teilschritten vorgibt. Einzelne dieser Teilschritte werden als virtuelle Methoden deklariert, die in der Basisklasse entweder eine Standardimplementierung besitzen oder rein abstrakt sind.
Abgeleitete Klassen überschreiben genau diese Schritte, um das Verhalten an ihre speziellen Bedürfnisse anzupassen, während der übergeordnete Ablauf unangetastet bleibt. Dadurch wird Code-Duplizierung vermieden, da der gemeinsame Steuerungsfluss nur einmal implementiert werden muss.
Gleichzeitig bleibt die Reihenfolge der Schritte konsistent, da sie zentral in der Basisklasse festgelegt und nicht von den Subklassen beeinflusst wird.
Ein wesentlicher Vorteil des Patterns besteht darin, dass Änderungen am gemeinsamen Ablauf nur an einer Stelle vorgenommen werden müssen.
Dieses Prinzip wird häufig auch als „Hollywood-Prinzip” bezeichnet: „Don't call us, we'll call you” – die Basisklasse ruft die spezialisierten Methoden der Subklasse auf, nicht umgekehrt.
In C++ lässt sich das Pattern besonders elegant umsetzen, indem die Template Method als nicht-virtuelle (oder finale) Methode implementiert wird, während die austauschbaren Schritte als virtuelle (ggf. protected) Methoden bereitgestellt werden.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Template Method Patterns.
Bemerkung:
Die Template Methode (Steuerungsfunktion) sollte public und nicht-virtuell sein.
Die überschreibbaren Methoden sollten idealerweise private sein. Abgeleitete Klassen in C++ können
private, virtualle Methoden problemlos überschreiben. Das kapselt die Erweiterungspunkte noch besser.
In Spezialisierungen der Oberklasse können bzw. sollten ein oder mehrere Teilmethoden überschrieben werden, um die Template Methode in der Oberklasse zu vervollständigen.
Die Skelett-Methode ist davon ausgenommen - die prinzipielle Struktur des Algorithmus ist beizubehalten, also nicht zu verändern.
Sobald eine Klasse polymorph ist (virtueller Destruktor), sollte man sich explizit zu Copy/Move äußern, sonst drohen Slicing-Bugs,
wenn jemand AbstractClass per Wert kopieren sollte:
class AbstractClass {
public:
virtual ~AbstractClass() = default;
AbstractClass(const AbstractClass&) = delete;
AbstractClass& operator=(const AbstractClass&) = delete;
AbstractClass(AbstractClass&&) = delete;
AbstractClass& operator=(AbstractClass&&) = delete;
protected:
AbstractClass() = default; // // Base class should not be directly instantiable
...
};Damit verhindert man auch versehentliches direktes Instanziieren der Basisklasse (falls das gewünscht ist).
Im „Real-World” Beispiel zu diesem Entwurfsmuster definiert die Template-Methode einen Algorithmus für die Arbeit mit einem sozialen Netzwerk. Unterklassen, die einem bestimmten sozialen Netzwerk entsprechen, implementieren diese Schritte gemäß der vom sozialen Netzwerk bereitgestellten API.
Die Klasse SocialNetwork repräsentiert die Basisklasse des sozialen Netzwerks.
Zwei weitere Klassen Twitter und Facebook stehen für konkrete Beispiele sozialer Netzwerke.
Die „Vorlagenmethode” ist in der Klasse SocialNetwork vorgegeben, sie lautet post:
bool post(const std::string& message);Ihre Implementierung darf nicht verändert werden, um dem Charakter des Entwurfsmusters gerecht zu werden.
Die Teilschritte, die zur Realisierung der post-Methode erforderlich sind, lauten in dem Beispiel
logIn, logOut und sendData. Diese drei Methoden sind geeignet von konkreten Social Media Klassen
zu überschreiben, siehe dazu auch Abbildung 2:
Abbildung 2: Das Template Method Pattern am Beispiel sozialer Netzwerke.
Die Anwendungsfälle des Template Method-Pattern und des Strategy-Pattern sind ziemlich ähnlich. Beide Muster ermöglichen es, Variationen eines Algorithmus bereitzustellen. Das Template Method-Pattern basiert auf der Ebene von Klassen und der Bildung von Unterklassen, das Strategiemuster auf der Ebene von Objekten und deren Komposition.
Das Strategy-Pattern erhält unterschiedliche Strategien in der Gestalt von Objekten und kann somit zur Laufzeit seine Strategien austauschen.
Die Template-Methode kehrt den Kontrollfluss nach dem Hollywood-Prinzip um: „Don't call us, we call you”.
Das Strategy-Pattern gleicht mehr einer Black Box. Es ermöglicht, eine Strategie durch eine andere zu ersetzen, ohne deren Details zu kennen.
Frage: Was ist der Unterschied zwischen dem Strategy- und Template Method-Pattern?
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Das Template Method-Pattern basiert auf Vererbung: Es werden Teile eines Algorithmus verändert, indem diese Teile in abgeleiteten Klassen erweitert werden.
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Strategy-Pattern basiert auf der Komposition: Es werden Teile des Verhaltens eines Objekts verändert, indem es verschiedene Strategien haben kann, die unterschiedlichem Verhalten entsprechen.
oder auch:
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Template Method-Pattern: Funktioniert auf Klassenebene, es ist also ein statisches Konzept.
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Strategy-Pattern: Funktioniert auf Objektebene, das Verhalten wird zur Laufzeit geändert.
Die Anregungen zum konzeptionellen Beispiel finden Sie unter
https://refactoring.guru/design-patterns
und
vor.