设计模式：

设计模式是对软件设计中普遍存在（反复出现）的各种问题，所提出的解决方案。这个术语是由Erich Gamma等人在1995年的书《设计模式：可复用面向对象软件的基础》中首次引入的。设计模式可以加快开发过程，提供一种通用的、重复使用的、优雅的解决方案，用于在特定的上下文中处理常见的设计问题。

设计模式可以分为三大类：创建型、结构型和行为型。创建型模式关注如何创建对象，结构型模式关注如何组合对象，而行为型模式则关注对象之间的通信。

模板方法模式：

模板方法模式是一种行为设计模式，它在一个方法中定义了一个算法的骨架，并允许子类为一个或多个步骤提供实现。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法的某些步骤。

在模板方法模式中，我们将不变的行为移至父类，将可变的行为留给子类实现。父类中的模板方法可以定义一系列的算法步骤，并且可以提供一个默认的实现。这样，子类在必要时可以覆盖这些方法，但是改变的是步骤的具体实现，而不是步骤的执行顺序。

模板方法模式是一种非常灵活的模式，它可以用来处理许多常见的编程问题，例如代码重用、代码组织和控制复杂性。

模板方法模式的定义：

模板方法模式是一种行为设计模式，它在一个方法中定义了一个算法的骨架，并允许子类为一个或多个步骤提供实现。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法的某些步骤。

模板方法模式的主要特点：

1. 代码复用和封装：模板方法模式通过将公共代码提取到父类中，实现了代码的复用。同时，它封装了具体步骤和数据，保护了算法的完整性和安全性。

2. 提供统一的接口：父类提供了一个模板方法，定义了算法的骨架。这个模板方法对外提供了统一的接口，使得客户端不需要关心具体的实现细节。

3. 支持变化：模板方法模式允许子类重写父类的某些步骤，这使得算法可以在不改变其结构的情况下，有选择地改变其行为。

4. 控制子类的扩展：模板方法模式通过在模板方法中预定义钩子函数，可以控制子类的扩展。钩子是一种特殊的方法，它在父类中声明并给出默认实现，子类可以选择是否覆盖它。

5. 延迟实现：模板方法模式中的具体步骤可以在子类中实现，这样可以延迟到子类中进行实现。这是所谓的“好莱坞原则”——别打电话给我们，我们会打电话给你。这种原则可以防止“依赖腐败”。

模板方法模式是一种非常灵活的模式，它可以用来处理许多常见的编程问题，例如代码重用、代码组织和控制复杂性。

模板方法模式的基本结构：

模板方法模式主要包含以下几个部分：

1. 抽象类（AbstractClass）：这个类定义了一系列的方法，包括模板方法和一些基本方法。模板方法定义了算法的骨架，基本方法是算法中的一个步骤，可以是抽象的，也可以有默认的实现。

2. 具体类（ConcreteClass）：这个类继承抽象类，并实现抽象类中的抽象方法，这些方法是算法中的具体步骤。

UML图解释：

-----------------
| AbstractClass |
-----------------
| +templateMethod() |
| #primitiveOperation1() |
| #primitiveOperation2() |
-----------------
        ^
        |
-----------------
| ConcreteClass |
-----------------
| #primitiveOperation1() |
| #primitiveOperation2() |
-----------------

在这个UML图中：

• AbstractClass 是一个抽象类，它定义了一个模板方法 templateMethod，以及两个基本方法 primitiveOperation1 和 primitiveOperation2。模板方法 templateMethod 定义了算法的骨架，基本方法 primitiveOperation1 和 primitiveOperation2 是算法中的一个步骤，可以是抽象的，也可以有默认的实现。

• ConcreteClass 是一个具体类，它继承了 AbstractClass，并实现了 primitiveOperation1 和 primitiveOperation2。这些方法是算法中的具体步骤。

实例背景介绍：

假设我们正在开发一个工具库，其中有一个DataParser类，这个类的任务是读取数据，解析数据，然后处理数据。我们有两种类型的数据源：一种是从文件中读取的数据，另一种是从数据库中读取的数据。尽管读取数据的方式不同，但解析和处理数据的方式是相同的。

实例设计与实现：

首先，我们定义一个抽象的DataParser类，这个类定义了解析数据的模板方法，模板方法中的一些步骤是抽象的，需要在子类中实现。

public abstract class DataParser {

    // Template method
    public final void parseDataAndGenerateReport() {
        readData();
        processData();
        writeReport();
    }

    // Abstract methods
    protected abstract void readData();
    protected abstract void processData();

    // Common method
    public void writeReport() {
        System.out.println("General Report Generation");
    }
}

然后，我们定义两个DataParser的子类：CSVDataParser和DatabaseDataParser，它们分别实现了读取CSV文件和数据库的方法。

public class CSVDataParser extends DataParser {

    protected void readData() {
        System.out.println("Reading data from CSV file");
    }

    protected void processData() {
        System.out.println("Processing data from CSV file");
    }
}

public class DatabaseDataParser extends DataParser {

    protected void readData() {
        System.out.println("Reading data from database");
    }

    protected void processData() {
        System.out.println("Processing data from database");
    }
}

代码解析：

在上述代码中，DataParser类定义了一个模板方法parseDataAndGenerateReport()，这个方法包含了读取数据，处理数据和生成报告这三个步骤。其中，readData()和processData()是抽象方法，需要在子类中实现，而writeReport()是一个具体方法，已经在DataParser类中实现。

CSVDataParser和DatabaseDataParser类分别实现了readData()和processData()方法，它们分别读取CSV文件和数据库中的数据，并处理这些数据。

这样，无论我们的数据来自于CSV文件还是数据库，我们都可以使用相同的方式来解析数据和生成报告，这就是模板方法模式的优点。

模板方法模式在Java API的应用：

在Java API中，有许多地方使用了模板方法模式。例如，java.io.InputStream、java.io.OutputStream、java.io.Reader和java.io.Writer的所有非抽象方法，都依赖于这些类的抽象方法。例如，InputStream中的read()方法就是一个模板方法，它依赖于read(byte b[], int off, int len)这个抽象方法。

Java中模板方法模式的实际应用案例：

一个常见的Java模板方法模式的应用是在Android的AsyncTask类中。AsyncTask是Android提供的一个轻量级的异步类，它可以直接继承使用。AsyncTask中定义了一些方法，如onPreExecute()、doInBackground()、onProgressUpdate()和onPostExecute()。其中doInBackground()是抽象方法，必须在子类中实现，其他都是模板方法，有默认实现，可以根据需要在子类中重写。

以下是一个简单的示例：

public class DownloadTask extends AsyncTask<String, Integer, String> {

    protected void onPreExecute() {
        // 在主线程执行，用于进行一些界面上的初始化，比如显示一个进度条对话框等。
    }

    protected String doInBackground(String... params) {
        // 在子线程中执行，进行耗时操作，比如下载文件等。可以调用publishProgress方法来更新任务的进度。
        return "Downloaded file";
    }

    protected void onProgressUpdate(Integer... progress) {
        // 在主线程执行，用于更新进度信息。
    }

    protected void onPostExecute(String result) {
        // 在主线程执行，用于处理doInBackground方法的结果。
    }
}

在上述代码中，doInBackground()方法是抽象的，必须在子类中实现，其他的方法都有默认实现，可以在子类中重写。这就是典型的模板方法模式。

模板方法模式的优点：

1. 代码复用：模板方法模式通过在抽象类中定义算法的骨架，将具体步骤的实现延迟到子类，可以避免代码重复，提高代码复用性。

2. 封装不变部分：模板方法模式封装了不变的算法步骤，保证了算法的稳定性和可靠性。

3. 提供扩展点：模板方法模式提供了一个很好的扩展点，即在抽象类中定义的抽象方法，子类可以根据需要重写这些方法，以实现更多的功能。

模板方法模式的缺点：

1. 类数量增多：由于模板方法模式需要为每一个具体的算法步骤定义一个子类，因此可能会导致类的数量增多。

2. 增加了系统的复杂性：模板方法模式虽然可以提高代码的复用性，但是由于需要定义多个子类，可能会增加系统的复杂性。

3. 对子类的设计有限制：模板方法模式把基本方法的执行顺序写在模板方法里，这就限制了子类的行为。如果子类需要改变基本方法的执行顺序，那么就需要修改父类的模板方法，这违反了“开闭原则”。

模板方法模式是一种行为设计模式，它定义了一个操作中的算法的骨架，而将一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，重新定义算法的某些步骤。