.NET设计模式（19）：观察者模式（Observer Pattern）

概述

在软件构建过程中，我们需要为某些对象建立一种“通知依赖关系” ——一个对象（目标对象）的状态发生改变，所有的依赖对象（观察者对象）都将得到通知。如果这样的依赖关系过于紧密，将使软件不能很好地抵御变化。使用面向对象技术，可以将这种依赖关系弱化，并形成一种稳定的依赖关系。从而实现软件体系结构的松耦合。

意图

定义对象间的一种一对多的依赖关系,当一个对象的状态发生改变时, 所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。[GOF 《设计模式》]

结构图

图1 Observer模式结构图

生活中的例子

观察者定义了对象间一对多的关系，当一个对象的状态变化时，所有依赖它的对象都得到通知并且自动地更新。拍卖演示了这种模式。每个投标人都有一个标有数字的牌子用于出价。拍卖师开始拍卖时，他观察是否有牌子举起出价。每次接受一个新的出价都改变了拍卖的当前价格，并且广播给所有的投标人进行新的出价。

图2 使用拍卖例子的观察者模式

Observer模式解说

下面通过一个例子来说明Observer模式。监控某一个公司的股票价格变化，可以有多种方式，通知的对象可以是投资者，或者是发送到移动设备，还有电子邮件等。一开始我们先不考虑Observer模式，通过一步步地重构，最终重构为Observer模式。现在有这样两个类：Microsoft和Investor，如下图所示：

图3 UML静态图示例

它们的实现如下：

public class Microsoft

{
    private Investor _investor;

    private String _symbol;

    private double _price;


    public void Update()

    {
        _investor.SendData(this);
    }

    public Investor Investor

    {
        get { return _investor; }

        set { _investor = value; }
    }

    public String Symbol

    {
        get { return _symbol; }

        set { _symbol = value; }
    }

    public double Price
    {
        get { return _price; }

        set { _price = value; }
    }
}


public class Investor

{
    private string _name;

    public Investor(string name)

    {
        this._name = name;
    }

    public void SendData(Microsoft ms)

    {
        Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, ms.Symbol,ms.Price);

    }

}

简单的客户端实现：

class Program

{

    static void Main(string[] args)

    {

        Investor investor = new Investor("Jom");

        Microsoft ms = new Microsoft();

        ms.Investor = investor;

        ms.Symbol = "Microsoft";

        ms.Price = 120.00;


        ms.Update();

        Console.ReadLine();

    }

}

运行后结果如下：

Notified Jom of Microsoft's change to ￥120

可以看到，这段代码运行并没有问题，也确实实现了我们最初的设想的功能，把Microsoft的股票价格变化通知到了Jom投资者那儿。但是这里面出现了如下几个问题：

1．Microsoft和Investor之间形成了一种双向的依赖关系，即Microsoft调用了Investor的方法，而Investor调用了Microsoft类的属性。如果有其中一个类变化，有可能会引起另一个的变化。

2．当出现一种的通知对象，比如说是移动设备Mobile：

public class Mobile

{
    private string _no;

    public Mobile(string No)

    {
        this._no = No;
    }

    public void SendData(Microsoft ms)

    {
        Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _no, ms.Symbol, ms.Price);

    }

}

这时候对应的Microsoft的类就应该改变为如下代码，在Microsot类中增加Mobile，同时修改Update()方法使其可以通知到移动设备：

public class Microsoft

{
    private Investor _investor;

    private Mobile _mobile;

    private String _symbol;

    private double _price;
 

    public void Update()

    {
        _investor.SendData(this);

        _mobile.SendData(this);
    }

 

    public Mobile Mobile

    {
        get { return _mobile; }

        set { _mobile = value; }
    }

    public Investor Investor

    {
        get { return _investor; }

        set { _investor = value; }
    } 

    public String Symbol

    {
        get { return _symbol; }

        set { _symbol = value; }
    }

    public double Price

    {
        get { return _price; }

        set { _price = value; }
    }

}

显然这样的设计极大的违背了“开放-封闭”原则，这不是我们所想要的，仅仅是新增加了一种通知对象，就需要对原有的Microsoft类进行修改，这样的设计是很糟糕的。对此做进一步的抽象，既然出现了多个通知对象，我们就为这些对象之间抽象出一个接口，用它来取消Microsoft和具体的通知对象之间依赖。

图4 静态UML图示例

实现代码如下：

public interface IObserver

{
    void SendData(Microsoft ms);
}

 

public class Investor : IObserver

{
    private string _name;

    public Investor(string name)

    {
        this._name = name;
    }

    public void SendData(Microsoft ms)

    {
        Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, ms.Symbol,ms.Price);

    }
}

public class Microsoft

{
    private IObserver _investor;


    private String _symbol;

    private double _price;


    public void Update()

    {
        _investor.SendData(this);
    }

 

    public String Symbol

    {
        get { return _symbol; }

        set { _symbol = value; }
    }


    public double Price

    {
        get { return _price; }

        set { _price = value; }
    }


    public IObserver Investor

    {
        get { return _investor; }

        set { _investor = value; }
    }

}

做到这一步，可以看到，我们在降低两者的依赖性上已经迈进了一小步，正在朝着弱依赖性这个方向变化。在Microsoft类中已经不再依赖于具体的Investor，而是依赖于接口IObserver。

但同时我们看到，再新出现一个移动设备这样的通知对象，Microsoft类仍然需要改变，对此我们再做如下重构，在Microsoft中维护一个IObserver列表，同时提供相应的维护方法。

图5 静态UML示例图

Microsoft类的实现代码如下：

public class Microsoft

{
    private List<IObserver> observers = new List<IObserver>();

    private String _symbol;

    private double _price;

    public void Update()

    {
        foreach (IObserver ob in observers)
        {
            ob.SendData(this);
        }

    }

    public void AddObserver(IObserver observer)

    {
        observers.Add(observer);
    }

    public void RemoveObserver(IObserver observer)

    {
        observers.Remove(observer);
    }

    public String Symbol

    {
        get { return _symbol; }

        set { _symbol = value; }
    }

    public double Price

    {
        get { return _price; }

        set { _price = value; }
    }

}

此时客户端的调用代码：

class Program

{
    static void Main(string[] args)

    {
        IObserver investor1 = new Investor("Jom");

        IObserver investor2 = new Investor("TerryLee");

        Microsoft ms = new Microsoft();

        ms.Symbol = "Microsoft";

        ms.Price = 120.00;

        ms.AddObserver(investor1);

        ms.AddObserver(investor2);

        ms.Update();

        Console.ReadLine();
    }
}

走到这一步，已经有了Observer模式的影子了，Microsoft类不再依赖于具体的Investor，而是依赖于抽象的IOberver。存在着的一个问题是Investor仍然依赖于具体的公司Microsoft，况且公司还会有很多IBM，Google等，解决这样的问题很简单，只需要再对Microsoft类做一次抽象。如下图所示：

图6 静态UML示例图

实现代码如下：

public abstract class Stock

{
    private List<IObserver> observers = new List<IObserver>();

    private String _symbol;

    private double _price;

    public Stock(String symbol, double price)

    {
        this._symbol = symbol;

        this._price = price;
    }

    public void Update()

    {
        foreach (IObserver ob in observers)

        {
            ob.SendData(this);
        }

    }

    public void AddObserver(IObserver observer)

    {
        observers.Add(observer);
    }

    public void RemoveObserver(IObserver observer)

    {
        observers.Remove(observer);
    }

    public String Symbol

    {
        get { return _symbol; }
    }

    public double Price

    {
        get { return _price; }
    }
}

public class Microsoft : Stock

{

    public Microsoft(String symbol, double price)

        : base(symbol, price)

    { }
}

public interface IObserver

{
    void SendData(Stock stock);
}

public class Investor : IObserver

{
    private string _name;

    public Investor(string name)

    {
        this._name = name;
    }

    public void SendData(Stock stock)

    {
        Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, stock.Symbol,stock.Price);

    }

}

客户端程序代码如下：

class Program

{
    static void Main(string[] args)

    {
        Stock ms = new Microsoft("Microsoft",120.00);

        ms.AddObserver(new Investor("Jom"));

        ms.AddObserver(new Investor("TerryLee"));

        ms.Update();

        Console.ReadLine();
    }

}

到这里我们可以看到，通过不断的重构，不断地抽象，我们由一开始的很糟糕的设计，逐渐重构为使用Observer模式的这样一个方案。在这个例子里面，IOberser充当了观察者的角色，而Stock则扮演了主题对象角色，在任何时候，只要调用了Stock的Update()方法，它就会通知它的所有观察者对象。同时可以看到，通过Observer模式，取消了直接依赖，变为间接依赖，这样大大提供了系统的可维护性和可扩展性。

推模式与拉模式

对于发布-订阅模型，大家都很容易能想到推模式与拉模式，用SQL Server做过数据库复制的朋友对这一点很清楚。在Observer模式中同样区分推模式和拉模式，我先简单的解释一下两者的区别：推模式是当有消息时，把消息信息以参数的形式传递（推）给所有观察者，而拉模式是当有消息时，通知消息的方法本身并不带任何的参数，是由观察者自己到主体对象那儿取回（拉）消息。知道了这一点，大家可能很容易发现上面我所举的例子其实是一种推模式的Observer模式。我们先看看这种模式带来了什么好处：当有消息时，所有的观察者都会直接得到全部的消息，并进行相应的处理程序，与主体对象没什么关系，两者之间的关系是一种松散耦合。但是它也有缺陷，第一是所有的观察者得到的消息是一样的，也许有些信息对某个观察者来说根本就用不上，也就是观察者不能“按需所取”；第二，当通知消息的参数有变化时，所有的观察者对象都要变化。鉴于以上问题，拉模式就应运而生了，它是由观察者自己主动去取消息，需要什么信息，就可以取什么，不会像推模式那样得到所有的消息参数。OK，说到这儿，你是否对于推模式和拉模式有了一点了解呢？我把前面的例子修改为了拉模式，供大家参考，可以看到通知方法是没有任何参数的：

public abstract class Stock

{
    private List<IObserver> observers = new List<IObserver>();

    private String _symbol;

    private double _price;

    public Stock(String symbol, double price)

    {
        this._symbol = symbol;

        this._price = price;
    }

    public void Update()

    {
        foreach (IObserver ob in observers)

        {
            ob.SendData();
        }
    }

    public void AddObserver(IObserver observer)

    {
        observers.Add(observer);
    }

    public void RemoveObserver(IObserver observer)

    {
        observers.Remove(observer);
    }

    public String Symbol

    {
        get { return _symbol; }
    }

    public double Price

    {
        get { return _price; }
    }
}

public class Microsoft : Stock

{
    public Microsoft(String symbol, double price)

        : base(symbol, price)
    { }
}

public interface IObserver

{
    void SendData();
}

public class Investor : IObserver

{
    private string _name;

    private Stock _stock;

    public Investor(string name,Stock stock)

    {
        this._name = name;

        this._stock = stock;
    }

    public void SendData()

    {
        Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, _stock.Symbol, _stock.Price);

    }
}


class Program

{
    static void Main(string[] args)

    {
        Stock ms = new Microsoft("Microsoft", 120.00);

        ms.AddObserver(new Investor("Jom",ms));

        ms.AddObserver(new Investor("TerryLee",ms));

        ms.Update();

        Console.ReadLine();
    }

}

当然拉模式也是有一些缺点的，主体对象和观察者之间的耦合加强了，但是这可以通过抽象的手段使这种耦合关系减到最小。[感谢idior的意见]

.NET中的Observer模式

在.NET中，相信大家对于事件和委托都已经不陌生了，这里就不具体多说了。利用事件和委托来实现Observer模式我认为更加的简单和优雅，也是一种更好的解决方案。因为在上面的示例中我们可以看到，虽然取消了直接耦合，但是又引入了不必要的约束（暂且这么说吧）。即那些子类必须都继承于主题父类，还有观察者接口等。网上有很多这方面的例子，上面的例子简单的用事件和委托实现如下，仅供大家参考：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Stock stock = new Stock("Microsoft", 120.00);

        Investor investor = new Investor("Jom");

        stock.NotifyEvent += new NotifyEventHandler(investor.SendData);

        stock.Update();

        Console.ReadLine();
    }
}

public delegate void NotifyEventHandler(object sender);


public class Stock

{
    public NotifyEventHandler NotifyEvent;

    private String _symbol;

    private double _price;

    public Stock(String symbol, double price)

    {
        this._symbol = symbol;

        this._price = price;
    }

    public void Update()

    {
        OnNotifyChange();    
    }

    public void OnNotifyChange()

    {
        if (NotifyEvent != null)

        {
            NotifyEvent(this);
        }

    }

    public String Symbol

    {
        get { return _symbol; }
    }

    public double Price

    {
        get { return _price; }
    }
}

 

public class Investor

{
    private string _name;

    public Investor(string name)

    {
        this._name = name;
    }

    public void SendData(object obj)

    {
        if (obj is Stock)

        {
            Stock stock = (Stock)obj;

            Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, stock.Symbol, stock.Price);
        }

    }

}

效果及实现要点

1．使用面向对象的抽象，Observer模式使得我们可以独立地改变目标与观察者，从而使二者之间的依赖关系达到松耦合。

2．目标发送通知时，无需指定观察者，通知（可以携带通知信息作为参数）会自动传播。观察者自己决定是否需要订阅通知。目标对象对此一无所知。

3．在C#中的Event。委托充当了抽象的Observer接口，而提供事件的对象充当了目标对象，委托是比抽象Observer接口更为松耦合的设计。

适用性

1．当一个抽象模型有两个方面, 其中一个方面依赖于另一方面。将这二者封装在独立的对象中以使它们可以各自独立地改变和复用。

2．当对一个对象的改变需要同时改变其它对象, 而不知道具体有多少对象有待改变。

3．当一个对象必须通知其它对象，而它又不能假定其它对象是谁。换言之, 你不希望这些对象是紧密耦合的。

总结

通过Observer模式，把一对多对象之间的通知依赖关系的变得更为松散，大大地提高了程序的可维护性和可扩展性，也很好的符合了开放-封闭原则。

参考资料

Erich Gamma等，《设计模式：可复用面向对象软件的基础》，机械工业出版社

Robert C.Martin，《敏捷软件开发：原则、模式与实践》，清华大学出版社

阎宏，《Java与模式》，电子工业出版社

Alan Shalloway James R. Trott，《Design Patterns Explained》，中国电力出版社

MSDN WebCast 《C#面向对象设计模式纵横谈(19)：Observer 观察者模式(行为型模式)》

 

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