设计模式中的观察者模式

JerryWang_汪子熙 - 2021-09-30 08:36:13

观察者模式是一种软件设计模式，其中一个名为主体(Subject)的对象维护其依赖项列表，称为观察者，并通常通过调用它们(observers)的方法之一来自动通知它们任何状态更改。

观察者模式主要用于在“事件驱动”软件中实现分布式事件处理系统。在这些系统中，主体 Subject 通常被称为“事件流(stream of events)”或“事件流源”，而观察者被称为“事件接收器”。

流命名法暗示了一种物理设置，其中观察者在物理上是分开的，并且无法控制从主题/流源发出的事件。

这种模式非常适合任何进程，其中数据从启动时 CPU 不可用的某些输入到达，而是“随机”到达（HTTP 请求、GPIO 数据、来自键盘/鼠标/的用户输入...、分布式数据库）和区块链，...）。

大多数现代编程语言都包含实现观察者模式组件的内置“事件”结构。虽然不是强制性的，但大多数“观察者”实现将使用后台线程监听主题事件和内核提供的其他支持机制（Linux epoll，...）。

观察者设计模式是二十三个著名的“四人帮”设计模式之一，描述了如何解决反复出现的设计挑战，以设计灵活且可重用的面向对象软件，即更容易实现、更改、测试和重用。

What problems can the Observer design pattern solve?

观察者模式解决了以下问题：

对象之间的一对多依赖关系应该在不使对象紧密耦合的情况下定义。应该确保当一个对象改变状态时，自动更新无限数量的依赖对象。一个对象可以通知无限数量的其他对象应该是可能的。

通过定义一个直接更新依赖对象状态的对象（主体）来定义对象之间的一对多依赖是不灵活的，因为它将主体耦合到特定的依赖对象。尽管如此，从性能的角度来看，或者如果对象实现是紧密耦合的（想想每秒执行数千次的低级内核结构），它仍然有意义。在某些情况下，紧密耦合的对象可能难以实现，并且难以重用，因为它们引用并了解（以及如何更新）具有不同接口的许多不同对象。在其他情况下，紧密耦合的对象可能是更好的选择，因为编译器将能够在编译时检测错误并在 CPU 指令级别优化代码。

What solution does the Observer design pattern describe?

定义主题和观察者对象。

这样当一个主题改变状态时，所有注册的观察者都会被自动通知和更新（可能是异步的）。

主体的唯一职责是维护观察者列表并通过调用它们的 update() 操作通知它们状态变化。观察者的职责是在一个主题上注册（和取消注册）自己（以获得状态变化的通知）并在收到通知时更新他们的状态（将他们的状态与主题的状态同步）。这使得主体和观察者松散耦合。主体和观察者彼此之间没有明确的感知。可以在运行时独立添加和删除观察者。这种通知-注册交互也称为发布-订阅。

Strong vs. weak reference

观察者模式会导致内存泄漏，称为失效侦听器问题，因为在基本实现中，它需要显式注册和显式取消注册，就像在处置模式中一样，因为主体持有对观察者的强引用，使它们保持活动状态。这可以通过主体持有对观察者的弱引用来防止。

Coupling and typical pub-sub implementations

通常，观察者模式被实现，因此被“观察”的“主体”是正在观察状态变化的对象的一部分（并传达给观察者）。这种类型的实现被认为是“紧密耦合的”，迫使观察者和主体相互了解并可以访问它们的内部部分，从而产生可扩展性、速度、消息恢复和维护（也称为事件或通知）的可能问题损失），条件分散缺乏灵活性，以及可能妨碍所需的安全措施。在发布-订阅模式（又名发布-订阅模式）的一些（非轮询）实现中，这是通过创建一个专用的“消息队列”服务器（有时还有一个额外的“消息处理程序”对象）作为额外阶段来解决的观察者和被观察对象之间，从而解耦组件。在这些情况下，消息队列服务器由观察者使用观察者模式访问，“订阅某些消息”只知道预期的消息（或在某些情况下不知道），而对消息发送者本身一无所知；发送者也可能对观察者一无所知。发布订阅模式的其他实现，实现了类似的通知和向感兴趣的各方通信的效果，根本不使用观察者模式。

在 OS/2 和 Windows 等多窗口操作系统的早期实现中，术语“发布-订阅模式”和“事件驱动的软件开发”被用作观察者模式的同义词。

正如 GoF 书中所描述的，观察者模式是一个非常基本的概念，并没有解决在通知观察者之前或之后消除对观察到的“主体”或被观察“主体”所做的特殊逻辑的更改的兴趣。该模式也不处理发送更改通知时的记录或保证收到更改通知。这些问题通常在消息队列系统中处理，其中观察者模式只是其中的一小部分。

观察者模式的 UML 和时序图

在上面的UML类图中，Subject类并没有直接更新依赖对象的状态。相反，Subject 引用 Observer 接口（update()）来更新状态，这使得 Subject 独立于依赖对象的状态如何更新。 Observer1 和 Observer2 类通过将它们的状态与主题的状态同步来实现 Observer 接口。
UML 序列图显示了运行时交互：Observer1 和Observer2 对象调用Subject1 上的attach(this) 来注册它们自己。假设 Subject1 的状态发生了变化，Subject1 会对其自身调用 notify() 。
notify() 对已注册的 Observer1 和 Observer2 对象调用 update()，它们从 Subject1 请求更改的数据 (getState()) 以更新（同步）它们的状态。

UML 类图

看一个 Java 的例子。

Subject 即数据源的实现：

import java.util.List;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Scanner;

class EventSource {
    public interface Observer {
        void update(String event);
    }
  
    private final List<Observer> observers = new ArrayList<>();
  
    private void notifyObservers(String event) {
        observers.forEach(observer -> observer.update(event));
    }
  
    public void addObserver(Observer observer) {
        observers.add(observer);
    }
  
    public void scanSystemIn() {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNextLine()) {
            String line = scanner.nextLine();
            notifyObservers(line);
        }
    }
}

Observer 的实现：

public class ObserverDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Enter Text: ");
        EventSource eventSource = new EventSource();
        
        eventSource.addObserver(event -> {
            System.out.println("Received response: " + event);
        });

        eventSource.scanSystemIn();
    }
}

JavaScript 的实现：

let Subject = {
    _state: 0,
    _observers: [],
    add: function(observer) {
        this._observers.push(observer);
    },
    getState: function() {
        return this._state;
    },
    setState: function(value) {
        this._state = value;
        for (let i = 0; i < this._observers.length; i++)
        {
            this._observers[i].signal(this);
        }
    }
};

let Observer = {
    signal: function(subject) {
        let currentValue = subject.getState();
        console.log(currentValue);
    }
}

Subject.add(Observer);
Subject.setState(10);
//Output in console.log - 10

更多Jerry的原创文章，尽在："汪子熙":