设计模式 (二)——观察者模式（Observer，行为型）

1.概述

使用设计模式可以提高代码的可复用性、可扩充性和可维护性。观察者模式（Observer Pattern）属于行为型模式，在对象之间定义一对多的依赖，这样一来，当一个对象改变状态，依赖它的对象都会收到通知，并自动更新。

例如，在实际生活中，报纸出版社和订阅者之间存在着一对多的关系。当你向出版社订阅报纸时，只要他们有新报纸出版，就会送一份过来。当你不需要看报纸，可以取消订阅。只要报社还在运营，就会一直有人（或单位）向他们订阅报纸或取消报纸。实际上，出版社+订阅者=观察者模式。观察者模式中，出版社被称为”主题”（Subject），订阅者被称为”观察者”（Observer）。关系如下图所示：

主题与观察者定义了一对多的关系。观察者依赖于此主题，只要主题状态一有变化，观察者就会被通知。

观察者模式结构图：

Subject：抽象主题（抽象被观察者），抽象主题对象把所有观察者对象保存在一个集合里，每个主题都可以有任意数量的观察者。抽象主题提供一个接口，可以增加和删除观察者对象。

ConcreteSubject：具体主题（具体被观察者），将有关状态存入具体观察者对象，在具体主题内部状态发生改变时，给所有注册的观察者发送通知。

Observer：抽象观察者，是观察者的抽象类，它定义了一个更新接口，使得在得到主题更改通知时更新自己。

ConcrereObserver：具体观察者，是实现抽象观察者定义的更新接口，以便在得到主题更改通知时更新自身的状态。

2.实例

下面给出实际的应用场景，以C++为例，使用观察者模式来解决问题。

假设现在需要完成公司的一个项目，气象站项目。气象站的数据由WeatherData对象提供，包括温度、湿度和气压。项目要求有两种布告板，分别显示目前状况(CurrentStatus)和气象统计(Statistics)。当WeatherData对象获得最新的测量数据时，两种布告板必须实时更新。而且，这是一个可以扩展的气象站，需要公布一组API，好让其他开发人员可以写出自己的布告板。

2.1丑陋的设计

//C++示例代码，运行于VS2015

#include <stdlib.h>
#include <iostream>
using namespace std;

//目前状况类：CurrentStatus
class CurrentStatus {
    float temperature=0;  //C++11特性，可直接给类成员数据赋默认值
    float humidity=0;
    float pressure=0;
public:
    //显示当前气象信息
    void display() {
        cout << "CurrentStatus :"<< endl;
        cout << "temperature:" << temperature << " humidity:" << humidity<<" pressure:" <<pressure << endl;
    }

    //更新状态
    void update(float temperature,float humidity,float pressure) {
        this->temperature= temperature;
        this->humidity= humidity;
        this->pressure= pressure;
        display();//显示当前气象信息
    };
};

//气象统计类：Statistics
class Statistics {
    float minTemperature=3.4e+38;//最低温度
    float maxTemperature=-3.4e+38; //最高温度
public:
    //显示气象统计
    void display() {
        cout << "Statistics :" << endl;
        cout << "minTemperature:" << minTemperature << " " << "maxTemperature:" << maxTemperature << endl;
    }

    //更新状态
    void update(float temperature,float humidity,float pressure) {
        this->minTemperature = temperature<this->minTemperature? temperature: this->minTemperature;
        this->maxTemperature= temperature>this->maxTemperature ? temperature : this->maxTemperature;
        display();//显示气象统计
    };
};

//WeatherData类
class WeatherData {
public:
    float getTemperature(){ return 1; };//仅作示意，简单实现
    float getHumidity(){ return 2; };
    float getPressure(){ return 3; };
    void measurementChanged();
};

void WeatherData::measurementChanged(){
    float temp = getTemperature();
    float humidity = getHumidity();
    float pressure = getPressure();

    CurrentStatus cs;
    cs.update(temp, humidity, pressure);
    Statistics sta;
    sta.update(temp,humidity, pressure);
}

int main() {
    WeatherData wd;
    wd.measurementChanged();
    system("pause");
}

程序执行结果：

CurrentStatus :
temperature:1 humidity:2 pressure:3
Statistics :
minTemperature:1 maxTemperature:1

上面的实现我们能够初步完成气象站所需的功能 ，但是存在以下缺点：在实现函数measurementChanged时，当气象站数据更新时，可以及时的使每一个布告板进行实时更新。但是针对具体实现编程，会导致以后再增加或删除布告板时必须修改measurementChanged。

2.2使用观察者模式

具体实现如下。

抽象观察者（Observer）。里面定义了一个更新的方法：

class Observer {
public:
    virtual void update(float temperature,float humidity,float pressure)=0;
};

具体观察者（Concrete Observer）。布告板是观察者，里面实现了更新的方法：

//目前状况布告板：CurrentStatus
class CurrentStatus:public Observer{
    ...
public:
    //具体实现更新接口函数
    void update(float temperature,float humidity,float pressure){
         //同上
    }

    //显示当前气象信息
    void display(){...} //同上
};

//气象信息统计布告板：Statistics
class Statistics:public Observer{
    ...
public:
    //具体实现更新接口函数
    void update(float temperature,float humidity,float pressure{
         //同上
    }

    //显示气象统计信息
    void display(){...} //同上

抽象被观察者（Subject）。抽象主题提供了注册attach、移除detach和通知notify三个纯虚函数，供具体被观察者实现：

class Subject{
public:
   virtual void attach(Observer*)=0;
   virtual void detach(Observer*)=0;
   virtual void notify()=0;
};

具体被观察者（Concrete Subject）。这里的WeatherData类是具体主题（具体被观察者），具体实现如下：

class WeatherData:public Subject{
    float temperature=0;
    float humidity=0;
    float pressure=0;
    list<Observer*> list; //用于记录注册的观察者
public:
    //实现注册
    void attach(Observer* o){
        list.push_back(o);
    }
    //实现移除
    void detach(Observer* o){
        for(auto it=list.begin();it!=list.end();++it){
            if(*it==o){
                list.erase(it);
                break;
            }
        }
    }
    //实现通知所有的观察者
    void notify(){
         for(auto it=list.begin();it!=list.end();++it){
                (*it)->update(temperature,humidity,pressure);
            }
        }

    //设置观测值
    void setMeasurements(float temperature,float humidity,float pressure){
        this->temperature= temperature;
        this->humidity= humidity;
        this->pressure= pressure;
        this->notify();//观测值更新，通知观察者
    }

    //WeatherData的其他方法
};

气象站已经通过观察者模式完成了建立，下面开始测试。

int main() {
    WeatherData wd;
    //注册布告板（观察者）
    wd.attach(new CurrentStatus);
    wd.attach(new Statistics);

    //检测到新的气象值，通知布告板进行更新
    wd.setMeasurements(1.0,2.0,3.0);
    wd.setMeasurements(1.1, 2.1, 3.1);
    system("pause");
}

程序运行结果：

CurrentStatus :
temperature:1 humidity:2 pressure:3
Statistics :
minTemperature:1 maxTemperature:1
CurrentStatus :
temperature:1.1 humidity:2.1 pressure:3.1
Statistics :
minTemperature:1 maxTemperature:1.1

我们成功了使用了观察者模式，完成了气象站项目的设计和实现。观察者模式提供了一种对象设计，让主题和观察者之间松耦合，它们之间依然可以交互，但是不太清楚彼此的细节。

任何时候我们都可以增加新的观察者，因为主题唯一依赖的东西是一个实现Observer接口的对象列表。事实上，在运行时我们可以用新的观察者取代现有的观察者，主题不会受到任何影响。同样的，也可以在任何时候删除某些观察者，或者注册某些观察者。此外，当有新类型的观察者出现时，主题的代码不需要修改，只要将新类型的观察者实现Observer接口，然后注册即可。

事实上，我们还可以独立的复用主题或观察者，并且改变主题或观察者中的一方，不会影响另一方，因为二者是松耦合。松耦合的设计可以让我们建立有弹性的OO系统，能够应对变化，因为对象之间的相互依赖降到了最低。所以，我们要坚持一个OO设计原则：为了交互对象之间的松耦合设计而努力。

3.观察者模式的应用场景和优缺点

使用场景：

（1）关联行为场景。需要注意的是，关联行为是可拆分的，而不是“组合”关系。

（2）事件多级触发场景。跨系统的消息交换场景，如消息队列、事件总线的处理机制。

优点:

解除耦合，让耦合的双方都依赖于抽象，从而使得各自的变换都不会影响另一边的变换。

缺点:

在应用观察者模式时需要考虑一下开发效率和运行效率的问题。程序中包括一个被观察者、多个观察者，开发、调试等内容会比较复杂，而且消息的通知一般是顺序执行，如果一个观察者卡顿，会影响整体的执行效率，在这种情况下，一般会采用异步实现。

4.小结

（1）OO设计原则：为了交互对象之间的松耦合设计而努力。

（2）观察者模式：在对象之间定义一对多的依赖，这样一来，当一个对象改变状态时，它的所有依赖者都会收到通知并自动更新。

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参考文献

[1]Freeman E.,Freeman E.,Sierra K.,et al.设计模式[M].第一版O’Reilly Taiwan公司译.北京：中国电力出版社，2015：38-75

[2]设计模式（五）观察者模式