设计模式 - 观察者模式

提纲

• 问题的产生
• 观察者模式主要内容,定义
• 模式UML结构
• 使用场景
• 用户自定义观察者模式通用模式代码(java)
• 模式分类(推模型和拉模型)
• 模式实现(推模型)
• 模式实现(拉模型)
• 推拉两种模式的比较
• 优缺点
• 模式总结
• JAVA提供的对观察者模式的支持
• 怎样使用JAVA对观察者模式的支持
• Ruby中的观察者
• Ruby提供的观察者模式库
• Js中的观察者
• 问题讨论

问题的产生

一个软件系统里面包含了各种对象，就像一片欣欣向荣的森林充满了各种生物一样。在一片森林中，各种生物彼此依赖和约束，形成一个个生物链。一种生物的状态变化会造成其他一些生物的相应行动，每一个生物都处于别的生物的互动之中。

　同样，一个软件系统常常要求在某一个对象的状态发生变化的时候，某些其他的对象做出相应的改变。做到这一点的设计方案有很多，但是为了使系统能够易于复用，应该选择低耦合度的设计方案。减少对象之间的耦合有利于系统的复用，但是同时设计师需要使这些低耦合度的对象之间能够维持行动的协调一致，保证高度的协作。观察者模式是满足这一要求的各种设计方案中最重要的一种。

观察者模式主要内容,定义

观察者模式是对象的行为模式，又叫发布-订阅(Publish/Subscribe)模式、模型-视图(Model/View)模式、源-监听器(Source/Listener)模式或从属者(Dependents)模式。

　观察者模式定义了一种一对多的依赖关系，让多个观察者对象同时监听某一个主题对象。这个主题对象在状态上发生变化时，会通知所有观察者对象，使它们能够自动更新自己。

模式UML结构

观察者模式所涉及的角色有：

• 抽象主题(Subject)角色： 抽象主题角色把所有对观察者对象的引用保存在一个聚集（比如ArrayList对象）里，每个主题都可以有任何数量的观察者。抽象主题提供一个接口，可以增加和删除观察者对象，抽象主题角色又叫做抽象被观察者(Observable)角色。
• 具体主题(ConcreteSubject)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改变时，给所有登记过的观察者发出通知。具体主题角色又叫做具体被观察者(Concrete Observable)角色。
• 抽象观察者(Observer)角色： 为所有的具体观察者定义一个接口，在得到主题的通知时更新自己，这个接口叫做更新接口。
• 具体观察者(ConcreteObserver)角色： 存储与主题的状态自恰的状态。具体观察者角色实现抽象观察者角色所要求的更新接口，以便使本身的状态与主题的状态相协调。如果需要，具体观察者角色可以保持一个指向具体主题对象的引用。

使用场景

• 如果一个系统多个的对象对某些特定的对象的状态或者属性等的改变感兴趣,就可以采取该模式

用户自定义观察者模式通用模式代码(java)

常见抽象Subject类：

 public abstract Subject {
  //向该主题中注册或添加新的观察者
  void registerObserver(Observer obs);
  //从该主题中删除移调某一个观察者
  void removeeObserver(Observer obs);
  //通知该主题下面注册的观察者
  void notifyObservers();
}

Observer接口:

public interface Observer {
  //接受主题变化传递的消息
  void update(Object obj);
}

模式分类(推模型和拉模型)

在观察者模式中，又分为推模型和拉模型两种方式。

• 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
  • 主题对象在通知观察者的时候，只传递少量信息。如果观察者需要更具体的信息，由观察者主动到主题对象中获取，相当于是观察者从主题对象中拉数据。一般这种模型的实现中，会把主题对象自身通过update()方法传递给观察者，这样在观察者需要获取数据的时候，就可以通过这个引用来获取了。

模式实现(推模型)

场景： 假如我们有一个主题,它有一个观察者,当这个主题的状态改变后,通知它的观察者：

抽象主题角色类

public abstract class Subject {
    /**
     * 用来保存注册的观察者对象
     */
    private    List<Observer> list = new ArrayList<Observer>();
    /**
     * 注册观察者对象
     * @param observer    观察者对象
     */
    public void attach(Observer observer){
        
        list.add(observer);
        System.out.println("Attached an observer");
    }
    /**
     * 删除观察者对象
     * @param observer    观察者对象
     */
    public void detach(Observer observer){
        
        list.remove(observer);
    }
    /**
     * 通知所有注册的观察者对象
     */
    public void nodifyObservers(String newState){
        
        for(Observer observer : list){
            observer.update(newState);
        }
    }
}

具体主题角色类

public class ConcreteSubject extends Subject{
    
    private String state;
    
    public String getState() {
        return state;
    }

    public void change(String newState){
        state = newState;
        System.out.println("主题状态为：" + state);
        //状态发生改变，通知各个观察者
        this.nodifyObservers(state);
    }
}

抽象观察者角色类

public interface Observer {
    /**
     * 更新接口
     * @param state    更新的状态
     */
    public void update(String state);
}

具体观察者角色类

public class ConcreteObserver implements Observer {
    //观察者的状态
    private String observerState;
    
    @Override
    public void update(String state) {
        /**
         * 更新观察者的状态，使其与目标的状态保持一致
         */
        observerState = state;
        System.out.println("状态为："+observerState);
    }

}

最后是客户端程序：Client.java

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        //创建主题对象
        ConcreteSubject subject = new ConcreteSubject();
        //创建观察者对象
        Observer observer = new ConcreteObserver();
        //将观察者对象登记到主题对象上
        subject.attach(observer);
        //改变主题对象的状态
        subject.change("new state");
    }

}

运行结果:

Attached an observer
主题状态为:  new state
观察者状态为: new state

模式实现(拉模型)

场景： 与推模型场景一样

两种模式代码大部分相似,类图一样. 我们这里只罗列每个角色中不同部分的代码

抽象主题角色类 不同部分: 拉模型的抽象主题类主要的改变是nodifyObservers()方法。在循环通知观察者的时候，也就是循环调用观察者的update()方法的时候，传入的参数不同了。

public abstract class Subject {
    .
    .
    .
    相同部分代码....
    .
    .
    .
   /**
     * 通知所有注册的观察者对象
     */
    public void nodifyObservers(){
        
        for(Observer observer : list){
            observer.update(this);
        }
    }
}

具体主题角色类 不同部分: 跟推模型相比，有一点变化，就是调用通知观察者的方法的时候，不需要传入参数了。

public class ConcreteSubject extends Subject{
    .
    .
    .
    相同部分代码....
    .
    .
    .
    public void change(String newState){
        state = newState;
        System.out.println("主题状态为：" + state);
        //状态发生改变，通知各个观察者
        this.nodifyObservers();
    }
}

抽象观察者角色类:拉模型通常都是把主题对象当做参数传递。

public interface Observer {
   /**
     * 更新接口
     * @param subject 传入主题对象，方面获取相应的主题对象的状态
     */
    public void update(Subject subject);
}

具体观察者角色类

public class ConcreteObserver implements Observer {
    //观察者的状态
    private String observerState;
    
    @Override
    public void update(Subject subject) {
        /**
         * 更新观察者的状态，使其与目标的状态保持一致
         */
        observerState = ((ConcreteSubject)subject).getState();
        System.out.println("观察者状态为："+observerState);
    }

}

最后是客户端程序不变,运行结果也不变.

推拉两种模式的比较

• 推模型是假定主题对象知道观察者需要的数据；
• 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；
• 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。

优缺点

待定，目前没发现

模式总结

观察者模式的核心是先分清角色、定位好观察者和被观察者、他们是多对一的关系。

实现的关键是要建立观察者和被观察者之间的联系、比如在被观察者类中有个集合是用于存放观察者的、当被检测的东西发生改变的时候就要通知所有观察者。在被观察者中要提供一些对所有观察者管理的一些方法.目的是添加或者删除一些观察者.这样才能让被观察者及时的通知观察者关系的状态已经改变、并且调用观察者通用的方法将变化传递过去。

JAVA提供的对观察者模式的支持

在JAVA语言的java.util库里面，提供了一个Observable类以及一个Observer接口，构成JAVA语言对观察者模式的支持。

• Observer接口
  • 这个接口只定义了一个方法，即update()方法，当被观察者对象的状态发生变化时，被观察者对象的notifyObservers()方法就会调用这一方法。

public interface Observer {

    void update(Observable o, Object arg);
}

• Observable类
  • 被观察者类都是java.util.Observable类的子类。java.util.Observable提供公开的方法支持观察者对象，
  • 这些方法中有两个对Observable的子类非常重要：一个是setChanged()，另一个是notifyObservers()。
  • 第一方法setChanged()被调用之后会设置一个内部标记变量，代表被观察者对象的状态发生了变化。
  • 第二个是notifyObservers()，这个方法被调用时，会调用所有登记过的观察者对象的update()方法，使这些观察者对象可以更新自己。

public class Observable {
    private boolean changed = false;
    private Vector obs;
   
    /** Construct an Observable with zero Observers. */

    public Observable() {
    obs = new Vector();
    }

    /**
     * 将一个观察者添加到观察者聚集上面
     */
    public synchronized void addObserver(Observer o) {
        if (o == null)
            throw new NullPointerException();
    if (!obs.contains(o)) {
        obs.addElement(o);
    }
    }

    /**
     * 将一个观察者从观察者聚集上删除
     */
    public synchronized void deleteObserver(Observer o) {
        obs.removeElement(o);
    }

    public void notifyObservers() {
    notifyObservers(null);
    }

    /**
     * 如果本对象有变化（那时hasChanged 方法会返回true）
     * 调用本方法通知所有登记的观察者，即调用它们的update()方法
     * 传入this和arg作为参数
     */
    public void notifyObservers(Object arg) {

        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);
    }

    /**
     * 将观察者聚集清空
     */
    public synchronized void deleteObservers() {
    obs.removeAllElements();
    }

    /**
     * 将“已变化”设置为true
     */
    protected synchronized void setChanged() {
    changed = true;
    }

    /**
     * 将“已变化”重置为false
     */
    protected synchronized void clearChanged() {
    changed = false;
    }

    /**
     * 检测本对象是否已变化
     */
    public synchronized boolean hasChanged() {
    return changed;
    }

    /**
     * Returns the number of observers of this <tt>Observable</tt> object.
     *
     * @return  the number of observers of this object.
     */
    public synchronized int countObservers() {
    return obs.size();
    }
}

这个类代表一个被观察者对象，有时称之为主题对象。一个被观察者对象可以有数个观察者对象，每个观察者对象都是实现Observer接口的对象。在被观察者发生变化时，会调用Observable的notifyObservers()方法，此方法调用所有的具体观察者的update()方法，从而使所有的观察者都被通知更新自己。

怎样使用JAVA对观察者模式的支持

这里给出一个非常简单的例子，说明怎样使用JAVA所提供的对观察者模式的支持。在这个例子中，被观察对象叫做Watched；而观察者对象叫做Watcher。Watched对象继承自java.util.Observable类；而Watcher对象实现了java.util.Observer接口。另外有一个Test类扮演客户端角色。

被观察者Watched类源代码

public class Watched extends Observable{
    
    private String data = "";
    
    public String getData() {
        return data;
    }

    public void setData(String data) {
        
        if(!this.data.equals(data)){
            this.data = data;
            setChanged();
        }
        notifyObservers();
    }
    
    
}

观察者类源代码

public class Watcher implements Observer{
    
    public Watcher(Observable o){
        o.addObserver(this);
    }
    
    @Override
    public void update(Observable o, Object arg) {
        
        System.out.println("状态发生改变：" + ((Watched)o).getData());
    }

}

测试类源代码

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        
        //创建被观察者对象
        Watched watched = new Watched();
        //创建观察者对象，并将被观察者对象登记
        Observer watcher = new Watcher(watched);
        //给被观察者状态赋值
        watched.setData("start");
        watched.setData("run");
        watched.setData("stop");

    }

}

运行结果：

状态发生改变： start
状态发生改变: run
状态发生改变: stop

Test对象首先创建了Watched和Watcher对象。在创建Watcher对象时，将Watched对象作为参数传入；然后Test对象调用Watched对象的setData()方法，触发Watched对象的内部状态变化；Watched对象进而通知实现登记过的Watcher对象，也就是调用它的update()方法。

 

 

 

Observer（观察者）模式

1.概述

一些面向对象的编程方式，提供了一种构建对象间复杂网络互连的能力。当对象们连接在一起时，它们就可以相互提供服务和信息。

通常来说，当某个对象的状态发生改变时，你仍然需要对象之间能互相通信。但是出于各种原因，你也许并不愿意因为代码环境的改变而对代码做大的修改。也许，你只想根据你的具体应用环境而改进通信代码。或者，你只想简单的重新构造通信代码来避免类和类之间的相互依赖与相互从属。

 

2.问题

当一个对象的状态发生改变时，你如何通知其他对象？是否需要一个动态方案――一个就像允许脚本的执行一样，允许自由连接的方案？

 

3.解决方案

             观测模式：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。

观测模式允许一个对象关注其他对象的状态，并且，观测模式还为被观测者提供了一种观测结构，或者说是一个主体和一个客体。主体，也就是被观测者，可以用来联系所有的观测它的观测者。客体，也就是观测者，用来接受主体状态的改变 观测就是一个可被观测的类（也就是主题）与一个或多个观测它的类（也就是客体）的协作。不论什么时候，当被观测对象的状态变化时，所有注册过的观测者都会得到通知。
观测模式将被观测者（主体）从观测者（客体）种分离出来。这样，每个观测者都可以根据主体的变化分别采取各自的操作。（观测模式和Publish/Subscribe模式一样，也是一种有效描述对象间相互作用的模式。）观测模式灵活而且功能强大。对于被观测者来说，那些查询哪些类需要自己的状态信息和每次使用那些状态信息的额外资源开销已经不存在了。另外，一个观测者可以在任何合适的时候进行注册和取消注册。你也可以定义多个具体的观测类，以便在实际应用中执行不同的操作。
将一个系统分割成一系列相互协作的类有一个常见的副作用：需要维护相关对象间的一致性。我们不希望为了维持一致性而使各类紧密耦合，因为这样降低了它们的可重用性。

 

 

4.适用性

在以下任一情况下可以使用观察者模式:
• 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。
• 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。
• 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。

 

5.结构

 

6.模式的组成

观察者模式包含如下角色：
目标（Subject）: 目标知道它的观察者。可以有任意多个观察者观察同一个目标。 提供注册和删除观察者对象的接口。
具体目标（ConcreteSubject）:  将有关状态存入各ConcreteObserver对象。
观察者(Observer):  为那些在目标发生改变时需获得通知的对象定义一个更新接口。当它的状态发生改变时, 向它的各个观察者发出通知。
具体观察者(ConcreteObserver):   维护一个指向ConcreteSubject对象的引用。存储有关状态，这些状态应与目标的状态保持一致。实现O b s e r v e r的更新接口以使自身状态与目标的状态保持一致。

 

7.效果

Observer模式允许你独立的改变目标和观察者。你可以单独复用目标对象而无需同时复用其观察者, 反之亦然。它也使你可以在不改动目标和其他的观察者的前提下增加观察者。
下面是观察者模式其它一些优点:
1 )观察者模式可以实现表示层和数据逻辑层的分离,并定义了稳定的消息更新传递机制，抽象了更新接口，使得可以有各种各样不同的表示层作为具体观察者角色。
2 )在观察目标和观察者之间建立一个抽象的耦合 ：一个目标所知道的仅仅是它有一系列观察者 , 每个都符合抽象的Observer类的简单接口。目标不知道任何一个观察者属于哪一个具体的类。这样目标和观察者之间的耦合是抽象的和最小的。因为目标和观察者不是紧密耦合的, 它们可以属于一个系统中的不同抽象层次。一个处于较低层次的目标对象可与一个处于较高层次的观察者通信并通知它 , 这样就保持了系统层次的完整。如果目标和观察者混在一块 , 那么得到的对象要么横贯两个层次 (违反了层次性), 要么必须放在这两层的某一层中(这可能会损害层次抽象)。
3) 支持广播通信 :不像通常的请求, 目标发送的通知不需指定它的接收者。通知被自动广播给所有已向该目标对象登记的有关对象。目标对象并不关心到底有多少对象对自己感兴趣 ;它唯一的责任就是通知它的各观察者。这给了你在任何时刻增加和删除观察者的自由。处理还是忽略一个通知取决于观察者。
4) 观察者模式符合“开闭原则”的要求。
观察者模式的缺点
1) 如果一个观察目标对象有很多直接和间接的观察者的话，将所有的观察者都通知到会花费很多时间。
2) 如果在观察者和观察目标之间有循环依赖的话，观察目标会触发它们之间进行循环调用，可能导致系统崩溃。
3) 观察者模式没有相应的机制让观察者知道所观察的目标对象是怎么发生变化的，而仅仅只是知道观察目标发生了变化。
4)  意外的更新 因为一个观察者并不知道其它观察者的存在 , 它可能对改变目标的最终代价一无所知。在目标上一个看似无害的的操作可能会引起一系列对观察者以及依赖于这些观察者的那些对象的更新。此外 , 如果依赖准则的定义或维护不当，常常会引起错误的更新 , 这种错误通常很难捕捉。
      简单的更新协议不提供具体细节说明目标中什么被改变了 , 这就使得上述问题更加严重。如果没有其他协议帮助观察者发现什么发生了改变，它们可能会被迫尽力减少改变。

 

8.实现

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;

class Observer
{
public:
     virtual void Update(int) = 0;
};

class Subject
{
public:
     virtual void Attach(Observer *) = 0;
     virtual void Detach(Observer *) = 0;
     virtual void Notify() = 0;
};

class ConcreteObserver : public Observer
{
public:
     ConcreteObserver(Subject *pSubject) : m_pSubject(pSubject){}

     void Update(int value)
     {
          cout<<"ConcreteObserver get the update. New State:"<<value<<endl;
     }

private:
     Subject *m_pSubject;
};

class ConcreteObserver2 : public Observer
{
public:
     ConcreteObserver2(Subject *pSubject) : m_pSubject(pSubject){}

     void Update(int value)
     {
          cout<<"ConcreteObserver2 get the update. New State:"<<value<<endl;
     }

private:
     Subject *m_pSubject;
};

class ConcreteSubject : public Subject
{
public:
     void Attach(Observer *pObserver);
     void Detach(Observer *pObserver);
     void Notify();

     void SetState(int state)
     {
          m_iState = state;
     }

private:
     std::list<Observer *> m_ObserverList;
     int m_iState;
};

void ConcreteSubject::Attach(Observer *pObserver)
{
     m_ObserverList.push_back(pObserver);
}

void ConcreteSubject::Detach(Observer *pObserver)
{
     m_ObserverList.remove(pObserver);
}

void ConcreteSubject::Notify()
{
     std::list<Observer *>::iterator it = m_ObserverList.begin();
     while (it != m_ObserverList.end())
     {
          (*it)->Update(m_iState);
          ++it;
     }
}

int main()
{
     // Create Subject
     ConcreteSubject *pSubject = new ConcreteSubject();

     // Create Observer
     Observer *pObserver = new ConcreteObserver(pSubject);
     Observer *pObserver2 = new ConcreteObserver2(pSubject);

     // Change the state
     pSubject->SetState(2);

     // Register the observer
     pSubject->Attach(pObserver);
     pSubject->Attach(pObserver2);

     pSubject->Notify();

     // Unregister the observer
     pSubject->Detach(pObserver);

     pSubject->SetState(3);
     pSubject->Notify();

     delete pObserver;
     delete pObserver2;
     delete pSubject;
}

 

9.与其他相关模式

1) 终结者模式Mediator: 通过封装复杂的更新语义 , ChangeManager充当目标和观察者之间的中介者。
2) 单间模式Singleton: ChangeManager可使用Singleton模式来保证它是唯一的并且是可全局访问
的。

 

10.总结与分析

 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。