在软件设计中，观察者模式（Observer Pattern） 是一种高频使用的行为型设计模式，它定义了对象之间一对多的依赖关系，使得当一个对象状态改变时，其所有依赖对象（观察者）会自动收到通知并更新。这种模式在事件驱动系统、GUI框架、实时数据处理等领域应用广泛。本文将从模式原理、Java实现、应用场景、源码级优化等角度，深度剖析观察者模式的设计哲学与实践技巧。
一、观察者模式的核心思想
观察者模式的核心是解耦被观察者（Subject）与观察者（Observer），其设计目标包括：
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动态订阅与取消订阅：观察者可以灵活注册或解除对主题的关注。
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状态同步：主题状态变化时，所有观察者能自动响应。
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松耦合：主题无需知道观察者的具体实现细节，仅依赖抽象接口。
模式角色划分
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Subject（主题）：维护观察者列表，提供注册、注销和通知方法。
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ConcreteSubject（具体主题）：实现Subject，存储状态，并在状态变化时触发通知。
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Observer（观察者）：定义更新接口，供主题调用。
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ConcreteObserver（具体观察者）：实现Observer接口，执行具体业务逻辑。
二、Java实现观察者模式：原生支持与自定义实现
1. Java内置观察者模式（java.util.Observable）
Java早期通过 Observable 类和 Observer 接口提供了观察者模式的原生支持，但因其设计缺陷（如Observable是类而非接口），在Java 9后被标记为废弃。以下是经典实现：
// 被观察者（继承Observable）
public class WeatherStation extends Observable {
private float temperature;
public void setTemperature(float temperature) {
this.temperature = temperature;
setChanged(); // 标记状态变化
notifyObservers(temperature); // 通知观察者（可传递数据）
}
}
// 观察者（实现Observer接口）
public class Display implements Observer {
@Override
public void update(Observable o, Object arg) {
if (o instanceof WeatherStation) {
System.out.println("温度更新: " + arg + "°C");
}
}
}
// 使用示例
public class Client {
public static void main(String[] args) {
WeatherStation station = new WeatherStation();
Display display = new Display();
station.addObserver(display);
station.setTemperature(25.5f); // 触发通知
}
}
2. 自定义观察者模式实现（推荐）
为避免Java内置实现的局限性，可自定义观察者模式：
// 主题接口
public interface Subject<T> {
void registerObserver(Observer<T> observer);
void removeObserver(Observer<T> observer);
void notifyObservers(T data);
}
// 具体主题
public class WeatherStation implements Subject<Float> {
private List<Observer<Float>> observers = new ArrayList<>();
private float temperature;
@Override
public void registerObserver(Observer<Float> observer) {
observers.add(observer);
}
@Override
public void notifyObservers(Float data) {
observers.forEach(observer -> observer.update(data));
}
public void setTemperature(float temperature) {
this.temperature = temperature;
notifyObservers(temperature);
}
}
// 观察者接口（泛型支持）
public interface Observer<T> {
void update(T data);
}
// 具体观察者
public class Display implements Observer<Float> {
@Override
public void update(Float temperature) {
System.out.println("[Display] 当前温度: " + temperature);
}
}
优势分析：
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类型安全：通过泛型避免强制类型转换。
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灵活性：Subject和Observer接口可自由扩展。
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解耦彻底：不依赖Java废弃类。
三、观察者模式的进阶应用与优化
1. 异步通知机制
在高并发场景中，同步通知可能阻塞主题线程。可通过线程池实现异步通知：
// 在Subject实现类中注入线程池
private ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
public void notifyObservers(T data) {
observers.forEach(observer ->
executor.submit(() -> observer.update(data))
);
}
2. 防止观察者阻塞
若某个观察者处理时间过长，可能影响整体性能。可引入超时机制或熔断策略。
3. 观察者链与责任传递
观察者可形成责任链，在链中传递事件，直至被处理（类似事件冒泡）。
四、观察者模式的典型应用场景
1. GUI事件监听
例如Java Swing中的ActionListener，Android的OnClickListener。
2. 分布式系统消息队列
如Kafka的生产者-消费者模型，本质是观察者模式的扩展。
3. Spring框架的事件机制
Spring的ApplicationEvent和ApplicationListener实现了观察者模式，支持应用内事件驱动编程。
// 自定义事件
public class OrderEvent extends ApplicationEvent {
public OrderEvent(Object source, String message) {
super(source);
this.message = message;
}
}
// 监听器
@Component
public class OrderListener implements ApplicationListener<OrderEvent> {
@Override
public void onApplicationEvent(OrderEvent event) {
System.out.println("收到订单事件: " + event.getMessage());
}
}
// 发布事件
applicationContext.publishEvent(new OrderEvent(this, "订单创建成功"));
五、观察者模式的优缺点与替代方案
优点
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符合开闭原则：新增观察者无需修改主题代码。
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动态建立对象间关系。
缺点
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通知顺序不可控：观察者接收通知的顺序不确定。
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循环依赖风险：观察者与主题相互引用可能导致内存泄漏。
替代方案
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发布-订阅模式：通过中间代理（如消息队列）彻底解耦生产者和消费者。
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响应式编程：如RxJava、Project Reactor，提供更强大的流处理能力。
六、总结
观察者模式是事件驱动架构的基石，其核心在于构建灵活、松耦合的交互系统。在Java生态中，无论是传统GUI开发，还是现代Spring框架、响应式编程，观察者模式的身影无处不在。开发者需根据场景选择合适实现方式，并注意线程安全、性能优化等关键问题。理解观察者模式，是掌握高扩展性系统设计的重要一步。
