设计模式系列——观察者模式

前言

观察者模式是一个使用率非常高的模式,常用与GUI系统、订阅——发布系统。观察者模式一个重要作用就是解耦,将被观察者和观察者解耦,使得他们之间的依赖性更小,甚至做到毫无依赖。

观察者模式定义

定义对象间一种一对多的依赖关系,使得每当一个对象改变状态,则所有依赖它的对象都会得到通知并被自动更新。

观察者模式的UML类图

观察者模式的UML类图.png
  • Subject: 抽象主题,也就是被观察的角色,抽象主题角色把所有观察者对象的引用保存在一个集合里,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,该角色将有关状态存入具体观察者对象,在具体主题的内部状态发生改变时,给所有注册过的观察者发出通知,具体主题角色又叫具体被观察者(ConcreteObserver)角色。
  • Observer: 抽象观察者,该角色是观察者的抽象类,它定义了一个更新接口,当收到主题的更改通知时更新自己。
  • ConcreteObserver: 具体观察者,该角色实现抽象观察者角色所定义的更新接口,当收到主题变化通知时更新自己。

观察者模式的简单示例

以微信公众号为例,相信每个人都会关注一些自己感兴趣的公众号,比如我关注了InfoQ,这其实就是一种订阅——发布模式,当InfoQ 发布新文章时,所有关注它的人都能收到通知。

/**
 * 抽象主题
 */
public abstract class Subject {

    //保存观察者的集合
    protected List<Observer> observers = new ArrayList<>();

    /**
     * 注册观察者
     *
     * @param observer 观察者
     */
    public void registerObservers(Observer observer) {

    }

    /**
     * 删除观察者
     *
     * @param observer 观察者
     */
    public void unRegisterObservers(Observer observer) {

    }

    /**
     * 通知所有观察者
     */
    @Override
    public void notifyObservers(String content) {
        for (Observer observer : observers) {
            observer.update(content);
        }
    }

}
/**
 * 具体主题
 */
public class InfoQ extends Subject {

    @Override
    public void registerObservers(Observer observer) {
        observers.add(observer);
    }

    @Override
    public void unRegisterObservers(Observer observer) {
        observers.remove(observer);
    }

    @Override
    public void notifyObservers(String content) {
        for (Observer observer : observers) {
            observer.update(content);
        }
    }
}
/**
 * 抽象观察者
 */
public interface Observer {
    /**
     * 用于更新自身的方法
     * @param content 更新的内容
     */
    void update(String content);
}
/**
 * 具体观察者
 */
public class Coder implements Observer {

    private String mName;

    public Coder(String name) {
        mName = name;
    }

    @Override
    public void update(String content) {
        System.out.println("Hi: " + mName + "    " + content);
    }
}
/**
 * 客户端调用
 */
public class Client {
    
    public static void main(String[] args) {

        InfoQ infoQ = new InfoQ();

        Coder coder1 = new Coder("linda");
        Coder coder2 = new Coder("mary");
        Coder coder3 = new Coder("andy");

        infoQ.registerObservers(coder1);
        infoQ.registerObservers(coder2);
        infoQ.registerObservers(coder3);

        infoQ.notifyObservers("InfoQ发布新内容了,快来看看吧。");
    }
}

输出日志如下:

Hi: linda    InfoQ发布新内容了,快来看看吧。
Hi: mary    InfoQ发布新内容了,快来看看吧。
Hi: andy    InfoQ发布新内容了,快来看看吧。

以上示例中,Subject对应抽象主题的角色,InfoQ对应具体主题角色,Observer即抽象观察者角色,Code即具体观察者的角色,当InfoQ状态改变时,会遍历所有的Coder并通知Coder调用update()更新自身状态,完成了一对多的通知功能。在整个过程中InfoQ和Coder完全没有耦合,而是依赖Subject、Observer这些抽象类。保证了系统的灵活性,扩展性。

推模型和拉模型

  • 推模型
    主题对象向观察者推送主题的详细信息,不管观察者是否需要,推送的信息通常是主题对象的全部或部分数据。
  • 拉模型
    被观察者通过把自身的引用传递给观察者,需要观察者自行通过该引用来获取相关的信息。
    如果想换成拉模型,只需要把主题对象自身通过update(Subject subject)方法传递给观察者,这样在观察者就可以根据需要获取数据了。如下:
//具体主题,即被观察者
public class InfoQ extends Subject {

    @Override
    public void registerObservers(Observer observer) {
        observers.add(observer);
    }

    @Override
    public void unRegisterObservers(Observer observer) {
        observers.remove(observer);
    }

    @Override
    public void notifyObservers() {
        for (Observer observer : observers) {
            observer.update(this);
        }
    }

    public String getContent() {
        return "InfoQ发布新内容了,快来看看吧。";
    }
}
/**
 * 具体观察者
 */
public class Coder implements Observer {

    private String mName;

    public Coder(String name) {
        mName = name;
    }

    @Override
    public void update(Subject subject) {
        String content = ((InfoQ) subject).getContent();
        System.out.println("Hi: " + mName + "    " + content);
    }
}

两种模式的比较

  • 推模型是假定主题对象知道观察者需要的数据;而拉模型是主题对象不知道观察者具体需要什么数据,没有办法的情况下,干脆把自身传递给观察者,让观察者自己去按需要取值。
  • 推模型可能会使得观察者对象难以复用,因为观察者的update()方法是按需要定义的参数,可能无法兼顾没有考虑到的使用情况。这就意味着出现新情况的时候,就可能提供新的update()方法,或者是干脆重新实现观察者;而拉模型就不会造成这样的情况,因为拉模型下,update()方法的参数是主题对象本身,这基本上是主题对象能传递的最大数据集合了,基本上可以适应各种情况的需要。

Java中内置的观察者模式

在Java的java.util包中有一个类Observable(被观察者)和一个接口Observable(观察者)共同构成观察者模式。

Observable 源码如下:

public class Observable {
    private boolean changed = false;
    private Vector<Observer> obs;
    
    //创建一个空集合,用来存储观察者
    public Observable() {
        obs = new Vector<>();
    }

    //注册观察者,将一个观察者添加到集合里
    public synchronized void addObserver(Observer o) {
        if (o == null)
            throw new NullPointerException();
        if (!obs.contains(o)) {
            obs.addElement(o);
        }
    }
    
    //删除观察者,将一个观察者从集合里移除
    public synchronized void deleteObserver(Observer o) {
        obs.removeElement(o);
    }

    //通知观察者更新
    public void notifyObservers() {
        notifyObservers(null);
    }

    //通知观察者更新,会调用update方法,并传入自身和arg作为参数。
    public void notifyObservers(Object arg) {
        /*
         * a temporary array buffer, used as a snapshot of the state of
         * current Observers.
         */
        Object[] arrLocal;

        synchronized (this) {
            if (!changed)
                return;
            arrLocal = obs.toArray();
            clearChanged();
        }

        for (int i = arrLocal.length-1; i>=0; i--)
            ((Observer)arrLocal[i]).update(this, arg);
    }

    //清空观察者
    public synchronized void deleteObservers() {
        obs.removeAllElements();
    }

    //将标记changed设为true
    protected synchronized void setChanged() {
        changed = true;
    }
    
    //将标记changed设为false
    protected synchronized void clearChanged() {
        changed = false;
    }

    //检测是否被观察者状态发生变化
    public synchronized boolean hasChanged() {
        return changed;
    }

    //获取观察者的数量
    public synchronized int countObservers() {
        return obs.size();
    }
}

Observer源码如下:

public interface Observer {
    //用于更新观察者自身
    void update(Observable o, Object arg);
}

可以看到 Java 内置的Observable已经帮我们实现了多个方法,方便了开发人员。

使用Java内置的观察者模式实现上面的小例子。

//具体主题,即被观察者
public class InfoQ extends Observable {

    @Override
    public void notifyObservers() {
        setChanged();
        super.notifyObservers();
    }

    public String getContent() {
        return "InfoQ发布新内容了,快来看看吧。";
    }
}
//具体观察者
public class Coder implements Observer {

    private String mName;

    public Coder(String name) {
        mName = name;
    }

    @Override
    public void update(Observable o, Object arg) {
        String content = ((InfoQ)o).getContent();
        System.out.println("Hi: " + mName + "    " + content);
    }

}
public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        InfoQ infoQ = new InfoQ();

        Coder coder1 = new Coder("linda");
        Coder coder2 = new Coder("mary");
        Coder coder3 = new Coder("andy");

        infoQ.addObserver(coder1);
        infoQ.addObserver(coder2);
        infoQ.addObserver(coder3);

        infoQ.notifyObservers();
    }
}

日志如下:

Hi: andy    InfoQ发布新内容了,快来看看吧。
Hi: mary    InfoQ发布新内容了,快来看看吧。
Hi: linda    InfoQ发布新内容了,快来看看吧。

总结

优点
  • 观察者和被观察者之间是抽象耦合,应对业务变化。
  • 增强系统灵活性、可扩展性
缺点

程序中包括一个被观察者、多个观察者,被观察者发出的通知默认顺序执行,一个观察者卡顿,会影响整体的执行效率,这种情况下,一般考虑采用异步的方式。

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