设计模式-Observer模式

参考书籍：

《HeadFirst 设计模式》
《设计模式-可复用面向对象软件的基础》

本文主要介绍对象行为型模式——Observer（观察者）模式，介绍的内容基于HeadFirst设计模式这本书，由于这本书是通过java编写，学习C++的朋友可能有所疑惑，因此本文借助GoF将其例子通过C++进行改编。

简介

观察者模式定义了对象间一对多的依赖关系，当一个对象（本文称其为目标对象）的状态发生改变时，所有依赖它的对象（本文称其为观察者对象）都会得到通知并被自动更新。

可能描述有些抽象，请看下图：

观察者模式主要行为

Observer模式描述了如何建立这种关系。这一模式中的关键对象就是目标（subject）和观察者（observer）。一个目标可以有任意数目的观察者，一但该目标状态发生变化，所有的观察者都会得到通知。而作为对这个通知的相应，每个观察者都会查询目标以使其状态与目标状态同步。这种交互又称为发布-订阅（publish-subscribe），目标是通知发布者，观察者就是订阅者。

描述

以下是观察者模式的类图：
观察者模式类图

问题

根据类图，就可以描述出之前的定义了：

1、观察者模式如何实现一对多的关系？

通过观察者模式，目标是拥有状态的对象，并且可以控制这些状态；观察者使用这些状态，但这些状态都不属于它自己，需要依赖目标提供。这就可以产生一（目标）对多（观察者）的关系。

2、目标和观察者的依赖如何产生？

目标是拥有数据者，而观察者是使用数据者，在数据发生变化时，比起让多个对象共用一份数据来说，是更良好干净的OO设计。

松耦合的优势

观察者模式提供了一种对象设计，让目标和观察者之间松耦合。

对于目标，它只知道观察者实现了某个接口（Observer的接口），目标并不需要知道观察者是谁，它做了什么或其他细节。
因此，在任何时候目标都可以增加或减少观察者，目标唯一依赖的是一个实现Observer接口的对象列表。

在新类型的观察者出现时，目标代码不需要做任何的改变。而观察者只需要实现Observer中要求的接口，并注册为观察者即可。

此时，我们可以独立复用目标和观察者，因为两者并非紧耦合，而是松耦合。改变目标或观察者一方，都不会对另一方产生任何影响，只要它们直接约定的接口被遵守，我们可以自由改变它们。

送耦合的设计建立的有弹性的OO系统，能够应付变化，因为对象之间的互相依赖降到了最低。

实现

接下来，我就以HeadFirst中描述的气象站项目，进行描述和实现观察者模式。

气象站项目的系统主要有三个部分：

  1. 气象站（物理装置，获取实际气象信息）；
  2. WeatherData对象（追踪气象站数据，也就是目标对象）；
  3. 布告板（显示目前天气状态，也就是观察者，不同的布告栏显示不同的天气）。

基类部分

我们根据观察者模式的描述，进行设计目标和观察者的基类部分。

观察者基类

首先，是观察者的基类Observer，该基类只有一个要求，只需提供update()函数的声明即可，因此我把它设计为纯虚类，如下：

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class Observer {
public:
    virtual void update(Subject& theChangeSubject) = 0;
};

我们再设计一个基类DisplayElement，用于输出观察者的数据变化，因为只需满足一个函数，因此设计成纯虚类。

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class DisplayElement {
public:
    virtual void display() = 0;
};

目标基类

接下来是目标的基类Subject，该基类需满足提供：

  • 注册函数——registerObserver();
  • 去注册函数——removeObserver();
  • 通知函数——notifyObservers();
  • 保存订阅的观察者的数据——list容器。

根据描述，Subject类可实现为如下：

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#include <list>
#include <algorithm>

class Subject {
public:
    virtual void registerObserver(Observer& o); //注册函数
    virtual void removeObserver(Observer& o);   //去注册函数
    virtual void notifyObservers();             //通知函数
    void setChange();                           //用于控制通知函数
protected:
    Subject() = default;
private:
    bool change = false;
    std::list<Observer*> observers;             //保存订阅者的容器
};

void Subject::registerObserver(Observer& o) {
    observers.emplace_back(&o);                 //将订阅者加入list，表示观察者已订阅
}

void Subject::removeObserver(Observer& o) {
    auto ret = find(observers.begin(), observers.end(), &o);    //借助标准库函数find，查找list中是否存在该观察者，若存在，则删除
    if (ret != observers.end()) {
        observers.erase(ret);
    }
}

void Subject::notifyObservers() {
    if (change) {                           //当对数据发生改变时，通知观察者
        for (auto& observer: observers) {
            observer->update(*this);        //调用所有订阅观察者的update函数，以更新观察者的数据
        }
        change = false;
    }
}

void Subject::setChange()
{
    change = true;
}

至此，观察者模式的基类部分已设计完成，接下来以气象站项目为实例，介绍派生类的实现。

派生类部分

目标类

在之前的实现章节，讲到了目标是WeatherData类，该类控制气象数据，包括温度temperature、湿度humidity、压强pressure。在之前的类图中，可以看到Subject的派生类需提供设置数据和输出数据的接口，因此添加了setMeasurements()函数用于设置数据，getTemperature()、getHumidity()、getPressure()用于输出数据。

根据上述描述，实现如下所示：

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#include "Subject.h"
class WeatherData: public Subject {         //目标类继承自Subject
public:
    WeatherData() = default;
    WeatherData(float temp, float hum, float pre) :
        temperature(temp), humidity(hum), pressure(pre) {}
    void setMeasurements(float temp, float hum, float pre); //设置目标的数据

    float getTemperature();     //与下述两个函数功能相同，对外提供数据
    float getHumidity();
    float getPressure();
private:
    void measurementsChanged();             //用于通知观察者

private:
    float temperature = 0;      //设置为private，防止其他部分任意修改其参数
    float humidity = 0;
    float pressure = 0;
};

void WeatherData::measurementsChanged() {
    setChange();
    notifyObservers();
}

void WeatherData::setMeasurements(float temp, float hum, float pre)
{
    temperature = temp;
    humidity = hum;
    pressure = pre;
    measurementsChanged();
}

float WeatherData::getTemperature() {
    return temperature;
}
float WeatherData::getHumidity() {
    return humidity;
}
float WeatherData::getPressure() {
    return pressure;
}

可以看到，WeatherData类只需要关心自己控制的数据如何设置和输出，与观察者模式相关的功能均由基类Subject提供。

观察者类

观察者需在构造时描述其关心的目标类，并对目标进行注册；而且需要实现Observer类的update()函数，以保证和目标类可以进行交互，实现DisplayElement的display()输出数据，以供观察变化。

根据以上描述，观察者类设计如下：

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#include "WeatherData.h"
#include <iostream>

class CurrentConditionDisplay: public Observer, public DisplayElement {
public:
    CurrentConditionDisplay(WeatherData& data): weatherData(&data) {
        data.registerObserver(*this);       //向weatherData注册
    }

    virtual void update(Subject& theChangeSubject) {    //当Subject是自己关心的对象时，根据相应的目标，调用相应的接口
        if (&theChangeSubject == weatherData) {
            this->temperature = weatherData->getTemperature();
            this->humidity = weatherData->getHumidity();
            display();
        }
    }
    virtual void display() {    //输出观察者的数据信息
        std::cout << "Current conditions: " << temperature 
                  << "F degrees and " << humidity << "% humidity" << std ::endl; 
    }
private:
    float temperature;
    float humidity;
    WeatherData *weatherData;   //保存自己关心的目标对象，这里只有WeatherData，可以观察多个对象，同样须在构造函数中向目标进行注册，在update函数中添加分支
};

至此，这个基于观察者模式的气象站项目设计完毕，可以看到，通过Subject和Observer类，目标类只需要继承Subject后，只关心自身的数据；观察者类只需要实现Obserer的update函数和向目标类进行注册。

测试

下面的测试函数，当然十分简单：

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#include "WeatherData.h"
#include "CurrentConditionDisplay.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    WeatherData weatherData;                                //目标对象
    CurrentConditionDisplay currentDisplay(weatherData);    //观察者对象1
    CurrentConditionDisplay currentDisplay2(weatherData);   //观察者对象2
    
    weatherData.setMeasurements(80, 65, 30.4f);             //目标对象的数据改变

    weatherData.removeObserver(currentDisplay);             //去注册观察者对象1
    weatherData.setMeasurements(1, 1, 30.4f);               //目标对象数据改变
    return 0;
}

输出为：

Current conditions: 80F degrees and 65% humidity
Current conditions: 80F degrees and 65% humidity
Current conditions: 1F degrees and 1% humidity

可以看到，当有两个观察者对象注册，在目标对象weahterData的数据发生改变时，两个观察者对象都会得到通知，并更新自己的相应数据，当观察者对象1去订阅时，再当目标发生改变时，只会通知观察者对象2，而不会再通知观察者1了。

总结

自此，观察者模式已介绍完毕，事实上，观察者模式具有两个模型：推/拉模型。本文介绍的是推模型——目标改变时即推送给各个观察者；拉模型就是观察者自身去拉取目标数据，目标不再通知观察者。

两种模型都有各自的优缺点，拉模型强调目标不知道它是观察者，推模型假定目标知道一些观察者需要的信息。推模型可能使得观察者相对难以复用，因为目标对观察者的假定可能并不总是正确的；而拉模型效率可能较差，因为观察者对象再没有目标对象帮助的情况下无法确定改变了什么。

要点

  • 观察者模式定义了对象之间一对多的关系；
  • 目标通过一个共同的接口更新观察者；
  • 观察者和目标之间是松耦合的，目标不知道观察者的细节，只知道观察者提供的接口；
  • 观察者模式有推模型和拉模型（然而，推模型被认为是更“正确”的）
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很惭愧<br><br>只做了一点微小的工作<br>谢谢大家