C++设计模式——Observer观察者模式

news2024/9/21 18:30:25

一，观察者模式的定义

观察者模式是一种行为型设计模式，又被称为"发布-订阅"模式，它定义了对象之间的一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生变化时，所有依赖于它的对象都会收到通知并自动更新。

观察者模式的关注点是对象之间的通信以及被观察对象的状态。

观察者模式在现实生活中的抽象实例：

报纸订阅：报纸的内容发生变化时，订阅了该报纸的读者们都会收到通知并阅读最新的内容。

股票投资：股票的价格发生波动时，投资者们会根据最新价格修改相应的投资决策。

天气预报：当天气发生变化时，订阅了该服务的用户们会收到通知。

网络论坛：当论坛中有新的帖子或回复出现时，论坛的用户们会收到通知并可以参与讨论。

二，观察者模式的结构

观察者模式主要包含以下组件：

1.被观察者(Subject)：

被观察的对象，它的内部包含了观察者对象的集合，并提供了添加、通知和删除观察者对象的统一接口。

2.观察者(Observer)：

接收Subject通知的对象，它订阅了Subject的状态，并提供了更新操作的统一接口。

3.具体的被观察者(ConcreteSubject)：

包含Subject类接口的具体实现，维护了观察者的列表，自身状态发生变化时通知所有的观察者。

4.具体的观察者(ConcreteObserver)：

包含Observer类接口的具体实现，提供了更新操作的具体实现细节，一旦收到Subject的通知便进行更新操作。

组件之间的工作步骤如下：

1.被观察者维护一个观察者的列表，并提供了管理和通知观察者的方法。

2.观察者与被观察者绑定(attach)，并将自己添加到观察者列表中。

3.当被观察者的状态发生变化时，开始通知观察者，通知的方式一般是遍历观察者列表，遍历时会调用每个观察者的更新方法。

4.观察者完成具体的更新操作。

对应UML类图：

三，观察者模式代码样例

Demo1：subject只完成通知

#include <iostream>
#include <vector>

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

class ConcreteObserver : public Observer {
public:
    ConcreteObserver(std::string name)
    {
        observer_name = name;
    }
    void update() {
        std::cout << observer_name <<  " received notify." << std::endl;
    }
private:
    std::string observer_name = "";
};

class Subject {
private:
    //观察者集合
    std::vector<Observer*> observers;
public:
    //添加观察者
    void attach(Observer* observer) {
        observers.push_back(observer);
    }
    //移除观察者
    void detach(Observer* observer) {
        for (auto it = observers.begin(); it != observers.end(); ++it) {
            if (*it == observer) {
                observers.erase(it);
                break;
            }
        }
    }
    //通知观察者
    void notify() {
        for (auto observer : observers) {
            observer->update();
        }
    }
};

int main() {
    Subject subject;
    ConcreteObserver observer1("observer_1");
    ConcreteObserver observer2("observer_2");
    subject.attach(&observer1);
    subject.attach(&observer2);
    subject.notify();
    subject.detach(&observer2);
    subject.notify();
    return 0;
}

运行结果：

observer_1 received notify.
observer_2 received notify.
observer_1 received notify.

Demo2：subject完成通知并传参

#include <iostream>
#include <vector>

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

class ConcreteObserver : public Observer {
public:
    ConcreteObserver(std::string name)
    {
        observer_name = name;
    }
    void update(int data) override {
        std::cout << observer_name << " received data: " << data << std::endl;
    }
private:
    std::string observer_name = "";
};

class Subject {
public:
    virtual void attach(Observer* observer) = 0;
    virtual void detach(Observer* observer) = 0;
    virtual void notify(int data) = 0;
};

class ConcreteSubject : public Subject {
private:
    std::vector<Observer*> observers;
public:
    void attach(Observer* observer) override {
        observers.push_back(observer);
    }
    void detach(Observer* observer) override {
        for (auto it = observers.begin(); it != observers.end(); ++it) {
            if (*it == observer) {
                observers.erase(it);
                break;
            }
        }
    }
    void notify(int data) override {
        for (auto observer : observers) {
            observer->update(data);
        }
    }
};

int main() {
    ConcreteSubject subject;
    ConcreteObserver observer1("observer_1");
    ConcreteObserver observer2("observer_2");
    ConcreteObserver observer3("observer_3");
    subject.attach(&observer1);
    subject.attach(&observer2);
    subject.attach(&observer3);
    subject.notify(30);
    subject.detach(&observer1);
    subject.detach(&observer2);
    subject.notify(40);
    return 0;
}

运行结果：

observer_1 received data: 30
observer_2 received data: 30
observer_3 received data: 30
observer_3 received data: 40

四，观察者模式的应用场景

事件驱动编程：GUI界面开发时，监听用户在界面的各种操作，如按钮点击、窗口关闭等。
监控服务开发：当系统状态发生变化时（例如磁盘空间不足），工具会收到通知。
消息队列开发：基于"消费者-生产者"模式进行通信，当消息队列中有新的消息时，消费者会收到通知。

五，观察者模式的优缺点

观察者模式的优点：
符合"开闭原则"的要求。
支持广播的通信方式。
支持事件驱动编程。
可以动态添加观察者，代码扩展性好。
观察者模式的缺点：
每次状态变化都要遍历所有观察者，性能开销大。
每次状态变化都要通知所有的观察者，通信时间变长。
观察者数量过多会使代码的可读性变差。
当有多个客户端操作观察者的删除时，会带来数据安全问题。

六，代码实战

Demo1：基于观察者模式实现的模拟时钟定时 
#include <iostream>
#include <vector>

class Subject;

class Observer
{
public:
    virtual ~Observer() = default;
    virtual void Update(Subject&) = 0;
};

class Subject
{
public:
    virtual ~Subject() = default;
    void Attach(Observer& o) { observers.push_back(&o); }
    void Detach(Observer& o)
    {
        observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), &o));
    }
    void Notify()
    {
        for (auto* o : observers) {
            o->Update(*this);
        }
    }
private:
    std::vector<Observer*> observers;
};

class ClockTimer : public Subject
{
public:
    void SetTime(int hour, int minute, int second)
    {
        this->hour = hour;
        this->minute = minute;
        this->second = second;
        Notify();
    }
    int GetHour() const { return hour; }
    int GetMinute() const { return minute; }
    int GetSecond() const { return second; }
private:
    int hour;
    int minute;
    int second;
};

class DigitalClock : public Observer
{
public:
    explicit DigitalClock(ClockTimer& s) : subject(s) { subject.Attach(*this); }
    ~DigitalClock() { subject.Detach(*this); }
    void Update(Subject& theChangedSubject) override
    {
        if (&theChangedSubject == &subject) {
            Draw();
        }
    }
    void Draw()
    {
        int hour = subject.GetHour();
        int minute = subject.GetMinute();
        int second = subject.GetSecond();
        std::cout << "Digital time is " << hour << ":"
            << minute << ":"
            << second << std::endl;
    }
private:
    ClockTimer& subject;
};

class AnalogClock : public Observer
{
public:
    explicit AnalogClock(ClockTimer& s) : subject(s) { subject.Attach(*this); }
    ~AnalogClock() { subject.Detach(*this); }
    void Update(Subject& theChangedSubject) override
    {
        if (&theChangedSubject == &subject) {
            Draw();
        }
    }
    void Draw()
    {
        int hour = subject.GetHour();
        int minute = subject.GetMinute();
        int second = subject.GetSecond();
        std::cout << "Analog time is " << hour << ":"
            << minute << ":"
            << second << std::endl;
    }
private:
    ClockTimer& subject;
};

int main()
{
    ClockTimer timer;
    DigitalClock digitalClock(timer);
    AnalogClock analogClock(timer);
    timer.SetTime(14, 41, 36);
    timer.SetTime(18, 00, 00);
}

运行结果：

Digital time is 14:41:36
Analog time is 14:41:36
Digital time is 18:0:0
Analog time is 18:0:0

Demo2：基于观察者模式实现的模拟天气预报

#include <iostream>
#include <vector>

class Observer {
public:
    virtual void update(float temperature, float humidity, float pressure) = 0;
};

class WeatherStation {
private:
    float temperature;
    float humidity;
    float pressure;
    std::vector<Observer*> observers;
public:
    void registerObserver(Observer* observer) {
        observers.push_back(observer);
    }
    void removeObserver(Observer* observer) {
    }
    void notifyObservers() {
        for (Observer* observer : observers) {
            observer->update(temperature, humidity, pressure);
        }
    }
    void setMeasurements(float temp, float hum, float press) {
        temperature = temp;
        humidity = hum;
        pressure = press;
        notifyObservers();
    }
};

class Display : public Observer {
public:
    void update(float temperature, float humidity, float pressure) {
        std::cout<< " Display: Temperature = " << temperature
            << " °C, Humidity = " << humidity
            << " %, Pressure = " << pressure << " hPa"
            << std::endl;
    }
};

int main() {
    WeatherStation weatherStation;
    Display display1;
    Display display2;
    weatherStation.registerObserver(&display1);
    weatherStation.registerObserver(&display2);
    weatherStation.setMeasurements(25.5, 60, 1013.2);
    weatherStation.setMeasurements(24.8, 58, 1014.5);
    return 0;
}

运行结果：

Display: Temperature = 25.5 °C, Humidity = 60 %, Pressure = 1013.2 hPa
Display: Temperature = 25.5 °C, Humidity = 60 %, Pressure = 1013.2 hPa
Display: Temperature = 24.8 °C, Humidity = 58 %, Pressure = 1014.5 hPa
Display: Temperature = 24.8 °C, Humidity = 58 %, Pressure = 1014.5 hPa

七，参考阅读

https://sourcemaking.com/design_patterns/observer
https://www.modernescpp.com/index.php/the-observer-pattern/
https://www.geeksforgeeks.org/observer-pattern-c-design-patterns/
https://refactoringguru.cn/design-patterns/observer

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