Java : Template Method パターン (図解/デザインパターン)

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Template Method パターンとは、GoF によって定義されたデザインパターンの１つです。
ベースとなるクラスで処理の大まかな流れを実装して、具体的な実装はサブクラスに任せる、という設計です。

本記事では、Template Method パターンを Java のコード付きで解説していきます。

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図解/デザインパターン一覧

• 生成に関するパターン
  • Abstract Factory
  • Builder
  • Factory Method
  • Prototype
  • Singleton

• 構造に関するパターン
  • Adapter
  • Bridge
  • Composite
  • Decorator
  • Facade
  • Flyweight
  • Proxy

• 振る舞いに関するパターン
  • Chain of Responsibility
  • Command
  • Interpreter
  • Iterator
  • Mediator
  • Memento
  • Observer
  • State
  • Strategy
  • Template Method
  • Visitor

概要

Template Method パターンは、

• 大まかな処理はベースクラスで共通化
• 具体的な処理はサブクラスで実装

という設計です。

大まかな処理は共通化して、処理の一部をサブクラスごとに切り替えたい、というときに便利です。

ベースクラスとサブクラスは次の図のような関係です。

class Base {
}

class SubA extends Base {
}

class SubB extends Base {
}

class SubC extends Base {
}

ベースクラスを継承したのがサブクラスですね。
Template Method パターンでは、サブクラスが複数になることが一般的です。

クラス図とコード例

上の図は、Template Method パターンの一般的なクラス図です。

まずは AbstractClass を見てみましょう。

public abstract class AbstractClass {

    public void templateMethod() {
        method1();
        method2();
    }

    protected abstract void method1();

    protected abstract void method2();
}

AbstractClass は abstract キーワードがあるので 抽象クラス です。

public abstract class AbstractClass {
       ^^^^^^^^       ^^^^^^^^^^^^^ <---- 抽象クラス
    ...
}

また、method1 と method2 にも abstract キーワードがあります。
この２つは 抽象メソッド ですね。

protected abstract void method1();
          ^^^^^^^^      ^^^^^^^ <---- 抽象メソッド

protected abstract void method2();
          ^^^^^^^^      ^^^^^^^ <---- 抽象メソッド

templateMethod は abstract キーワードがないので通常のメソッドです。

public void templateMethod() {
    ...
}

さて、Template Method パターンのキモはずばり、

• 抽象クラスの 通常のメソッド から 抽象メソッド を呼び出す

ことにあります。

public void templateMethod() {
            ^^^^^^^^^^^^^^ <--- 通常のメソッド

    method1(); <--- 抽象メソッド呼び出し
    method2(); <--- 抽象メソッド呼び出し
}

AbstractClass から見ると、抽象メソッドである method1 と method2 は何が実行されるか分かりません。
サブクラスに処理をゆだねるわけですね。

そのサブクラスである ConcreteClass では、AbstractClass の抽象メソッドである method1 と method2 を実装します。

public class ConcreteClass extends AbstractClass {
    @Override
    protected void method1() {
        System.out.println("method1 is called!");
    }

    @Override
    protected void method2() {
        System.out.println("method2 is called!");
    }
}

この例では、ConcreteClass は１つだけですが、一般的には２つ以上になることが多いでしょう。

最後に、ConcreteClass を使う例です。

final AbstractClass ac = new ConcreteClass();
ac.templateMethod();

// 結果
// ↓
//method1 is called!
//method2 is called!

AbstractClass(ベースクラス) の templateMethod を経由して、ConcreteClass(サブクラス) の method1 と method2 が無事に呼び出されました。

これが Template Method パターンです。

利用例

もう少し具体的な例で考えてみましょう。

上の図のような Event クラスを考えます。

Event クラスは、action メソッドを実行することで、さまざまな処理を行います。
getType メソッドは、イベント種別を文字列で返します。

そして、具体的な処理はサブクラスで実装します。
今回、サブクラスは

• 犬用のイベント : DogEvent
• 猫用のイベント : CatEvent

の２つを作ることにしました。

Template Method を使わない例

まずは Template Method パターンを使わない例です。

チームリーダーの Aさんが、最初にベースとなる Event クラスを作りました。

public abstract class Event {

    private final String type;

    public Event(String type) {
        this.type = type;
    }

    public String getType() {
        return type;
    }

    public abstract void action();
}

そして、そのサブクラスである DogEvent と CatEvent の実装を Bさんと Cさんにお願いしました。

• Bさん : DogEvent
• Cさん : CatEvent

さらに、A さんは１つ注文しました。

Event の action メソッドを呼び出したときに

• イベント種別
• action の開始と終了

が分かるようにログを出力してください、と。

今回は、ログは簡易的に System.out でコンソールに出力しましょう。

しばらくして、Bさんと Cさんの実装が終わりました。

public class DogEvent extends Event {
    public DogEvent() {
        super("犬イベント");
    }

    @Override
    public void action() {
        System.out.println("--- 開始 ---");
        System.out.println("種別 : " + getType());

        System.out.println("わんわん");

        System.out.println("--- 終了 ---");
    }
}

public class CatEvent extends Event {
    public CatEvent() {
        super("猫イベント");
    }

    @Override
    public void action() {
        System.out.println("start : " + getType());

        System.out.println("にゃーにゃー");

        System.out.println("end");
    }
}

さっそく、２つの Event を実行してみましょう。

final var events = List.of(
        new DogEvent(),
        new CatEvent()
);

for (final var event : events) {
    event.action();
    System.out.println();
}

// 結果
// ↓
//--- 開始 ---
//種別 : 犬イベント
//わんわん
//--- 終了 ---
//
//start : 猫イベント
//にゃーにゃー
//end

ログをどのように出力するか、というのを決めていなかったので、Bさんと Cさんとでフォーマットが微妙に違っていますね。
できればフォーマットは統一したいところです。

とはいえ、綿密にフォーマットを決めて、Bさんと Cさんで連携して同じように実装する、というのも大変です。
できれば、ログ出力という処理を 共通化 したいですね。

Template Method を使う例

チームリーダーの Aさんは、先ほどの Event クラスを修正することにしました。
Template Method パターンを導入します。

public abstract class Event {

    private final String type;

    public Event(String type) {
        this.type = type;
    }

    public String getType() {
        return type;
    }

    public void action() {
        try {
            System.out.println("--- 開始 (" + type + ") ---");
            onAction();
        } finally {
            System.out.println("--- 終了 ---");
        }
    }

    protected abstract void onAction();
}

Event クラスの action メソッドで、共通で必要となるログを出力します。
onAction で例外が発生しても、action の "終了" ログが出力されるように try ～ finally 構文を使っています。

そして、実際のアクション処理は、抽象(abstract) メソッドである onAction で実装します。

public class DogEvent extends Event {
    public DogEvent() {
        super("犬イベント");
    }

    @Override
    protected void onAction() {
        System.out.println("わんわん");
    }
}

public class CatEvent extends Event {
    public CatEvent() {
        super("猫イベント");
    }

    @Override
    protected void onAction() {
        System.out.println("にゃーにゃー");
    }
}

サブクラス側は、ログ出力という余計なことは考えずに、アクション処理の実装に専念できます。
これは大きなメリットですね。サブクラス側はだいぶすっきりしました。

public class ErrorEvent extends Event {
    public ErrorEvent() {
        super("エラーイベント");
    }

    @Override
    protected void onAction() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

ErrorEvent クラスは、意図的に 非チェック例外 を発生させるイベントです。

それでは、３つのイベントを実行してみましょう。

final var events = List.of(
        new DogEvent(),
        new CatEvent(),
        new ErrorEvent()
);

for (final var event : events) {
    event.action();
    System.out.println();
}

// 結果
// ↓
//--- 開始 (犬イベント) ---
//わんわん
//--- 終了 ---
//
//--- 開始 (猫イベント) ---
//にゃーにゃー
//--- 終了 ---
//
//--- 開始 (エラーイベント) ---
//--- 終了 ---

無事に、３つのイベントが実行できました。
ログのフォーマットも統一されていて良い感じですね。

まとめ

Template Method パターンは、

• 大まかな処理はベースクラスで共通化
• 具体的な処理はサブクラスで実装

という設計です。

大まかな処理は共通化して、処理の一部をサブクラスごとに切り替えたい、というときに便利です。

ただし、クラスの継承は強い依存も生むので、よく検討してから使いたいですね。

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