设计模式 --- 观察者模式

news2025/4/18 10:18:10

设计模式 --- 观察者模式

  • 什么是观察者模式
  • 观察者模式典型应用 --- C#中的事件
  • 使用观察者模式实现事件处理机制

什么是观察者模式

  • 观察者模式（Observer Pattern）是一种行为型设计模式，用于在对象之间建立一对多的依赖关系。当一个对象（称为“主题”Subject）的状态发生改变时，所有依赖它的对象（称为“观察者”Observer）会自动收到通知并更新。这种模式的核心是解耦主题和观察者，让它们可以独立变化。
  • 核心思想
    主题（Subject）：维护一个观察者列表，提供注册、注销和通知机制。
    观察者（Observer）：定义统一的更新接口，当主题状态变化时被调用。
    松耦合：主题不需要知道观察者的具体实现，只需通过接口通知

观察者模式典型应用 — C#中的事件

事件是什么？

  • 事件（Event）是 C# 中的一种语言机制，允许一个对象（发布者）在特定动作发生时，通知其他对象（订阅者）执行响应逻辑。
    它本质上是基于委托（Delegate）的封装，提供了一种安全、可控的观察者模型。
  • 核心特点：
  • 主题定义事件：声明事件并决定何时触发。
  • 观察者注册方法：将方法绑定到事件，事件触发时自动调用。
  • 解耦设计：主题和观察者无需直接依赖彼此的具体实现。

事件的原理

  • 底层机制：委托 + 观察者模式

  • 委托（Delegate）：
    事件本质是一个多播委托（MulticastDelegate），可以存储多个方法引用。当事件触发时，所有绑定的方法会被依次调用。

  • 观察者模式（Observer Pattern）：

    • 发布者（Subject）：维护一个订阅者列表（通过委托链实现），提供订阅（+=）和取消订阅（-=）接口。
    • 订阅者（Observer）：向发布者注册事件处理方法，事件触发时自动执行。

完整示例：温度监控系统

  • 场景描述
  • 发布者：TemperatureMonitor 类，监控温度变化。
  • 订阅者：
    • AlertSystem：温度过高时触发警报。
    • Logger：记录温度事件到日志。
  • 关键流程：
  • 定义事件：使用 event 关键字声明一个委托类型的事件。
  • 订阅事件：通过 += 将方法添加到事件的委托链。
  • 触发事件：在特定条件下调用事件，执行所有订阅的方法。

代码实现

using System;

// 1. 定义事件参数（传递温度数据）
public class TemperatureEventArgs : EventArgs
{
    public double Temperature { get; }
    public TemperatureEventArgs(double temperature)
    {
        Temperature = temperature;
    }
}

// 2. 发布者（Subject）
public class TemperatureMonitor
{
    // 声明事件（基于泛型 EventHandler<T> 委托）
    // EventHandler<T> 是 .NET 内置的泛型委托，定义形式为：  
    // delegate void EventHandler<TEventArgs>(object sender, TEventArgs e)
    public event EventHandler<TemperatureEventArgs> TemperatureExceeded;

    private double _currentTemperature;
    public double Threshold { get; set; } = 30.0;

    public void UpdateTemperature(double newTemperature)
    {
        _currentTemperature = newTemperature;
        Console.WriteLine($"当前温度: {_currentTemperature}°C");

        // 触发条件：温度超过阈值
        if (_currentTemperature > Threshold)
        {
            OnTemperatureExceeded(new TemperatureEventArgs(_currentTemperature));
        }
    }

    // 触发事件的方法（protected virtual 便于派生类扩展）
    protected virtual void OnTemperatureExceeded(TemperatureEventArgs e)
    {
        // 线程安全：临时保存事件引用，避免多线程下订阅者被移除导致的空引用
        var handler = TemperatureExceeded;
        handler?.Invoke(this, e); // 等同于 if (handler != null) handler(this, e);
    }
}

// 3. 订阅者（Observer）
public class AlertSystem
{
    public void HandleHighTemperature(object sender, TemperatureEventArgs e)
    {
        Console.WriteLine($"警报！温度过高: {e.Temperature}°C");
    }
}

public class Logger
{
    public void LogTemperatureEvent(object sender, TemperatureEventArgs e)
    {
        Console.WriteLine($"[日志] 温度事件: {e.Temperature}°C");
    }
}

// 4. 使用示例
class Program
{
    static void Main()
    {
        var monitor = new TemperatureMonitor();
        var alert = new AlertSystem();
        var logger = new Logger();

        // 订阅事件
        monitor.TemperatureExceeded += alert.HandleHighTemperature;
        monitor.TemperatureExceeded += logger.LogTemperatureEvent;

        // 模拟温度变化
        monitor.UpdateTemperature(25); // 不触发
        monitor.UpdateTemperature(32); // 触发事件
        monitor.UpdateTemperature(28); // 不触发
        monitor.UpdateTemperature(35); // 再次触发

        // 取消订阅
        monitor.TemperatureExceeded -= logger.LogTemperatureEvent;
        monitor.UpdateTemperature(40); // 仅触发警报
    }
}

输出结果

当前温度: 25°C
当前温度: 32°C
警报！温度过高: 32°C
[日志] 温度事件: 32°C
当前温度: 28°C
当前温度: 35°C
警报！温度过高: 35°C
[日志] 温度事件: 35°C
当前温度: 40°C
警报！温度过高: 40°C
  • 观察者模式：
  • TemperatureMonitor 是 Subject，维护订阅者列表（通过 TemperatureExceeded 事件的委托链）。
  • AlertSystem和Logger` 是 Observers，通过订阅事件实现解耦。

总结

  • C# 中的事件是基于委托的观察者模式实现，通过 event 关键字提供安全的订阅机制。它广泛用于:
  • GUI 编程（如按钮点击）
  • 异步通知等场景，是解耦代码的关键工具

使用观察者模式实现事件处理机制

以下是一个使用 Java 手动实现事件处理机制的完整示例，基于观察者模式和自定义接口，支持线程安全的订阅、取消订阅和事件触发功能。

事件对象（Event）

public class Event {
    private String message;
    private long timestamp;

    public Event(String message) {
        this.message = message;
        this.timestamp = System.currentTimeMillis();
    }

    public String getMessage() {
        return message;
    }

    public long getTimestamp() {
        return timestamp;
    }
}

事件监听器接口（EventListener）

@FunctionalInterface
public interface EventListener {
    void onEvent(Event event);
}

事件发布者（EventPublisher）

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.List;

public class EventPublisher {
    // 使用线程安全的集合存储监听器
    private final List<EventListener> listeners = new CopyOnWriteArrayList<>();

    // 订阅事件
    public void subscribe(EventListener listener) {
        listeners.add(listener);
        System.out.println("订阅成功: " + listener);
    }

    // 取消订阅
    public void unsubscribe(EventListener listener) {
        listeners.remove(listener);
        System.out.println("取消订阅: " + listener);
    }

    // 触发事件
    public void publishEvent(String message) {
        Event event = new Event(message);
        System.out.println("触发事件: " + event.getMessage());
        for (EventListener listener : listeners) {
            try {
                listener.onEvent(event);
            } catch (Exception e) {
                System.err.println("监听器处理异常: " + e.getMessage());
            }
        }
    }
}

定义具体监听器

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        EventPublisher publisher = new EventPublisher();

        // 监听器1：Lambda表达式实现
        EventListener listener1 = event -> 
            System.out.printf("[Listener1] 收到事件: %s (时间: %d)%n",
                event.getMessage(), event.getTimestamp());

        // 监听器2：匿名类实现
        EventListener listener2 = new EventListener() {
            @Override
            public void onEvent(Event event) {
                System.out.printf("[Listener2] 处理事件: %s%n", event.getMessage());
            }
        };

        // 订阅
        publisher.subscribe(listener1);
        publisher.subscribe(listener2);

        // 触发事件
        publisher.publishEvent("Hello World!");

        // 取消订阅listener2后再次触发
        publisher.unsubscribe(listener2);
        publisher.publishEvent("Another Message");
    }
}

输出结果

订阅成功: Main$$Lambda$1/0x0000000800b8a440@6d311334
订阅成功: Main$1@75bd9247
触发事件: Hello World!
[Listener1] 收到事件: Hello World! (时间: 1717500000000)
[Listener2] 处理事件: Hello World!
取消订阅: Main$1@75bd9247
触发事件: Another Message
[Listener1] 收到事件: Another Message (时间: 1717500001000)

关键设计解析

  • 3.1 线程安全
  • CopyOnWriteArrayList：
    使用线程安全的集合存储监听器，确保在遍历过程中（如触发事件时）修改监听器列表不会导致 ConcurrentModificationException。
  • 无锁设计：
    添加/删除监听器时自动处理并发，无需显式加锁。
  • 观察者模式
  • Subject（主题）：EventPublisher 维护监听器列表并提供订阅/取消订阅接口。
  • Observer（观察者）：EventListener 接口的实现类，定义事件响应逻辑。

如果需要，可改为异步事件处理

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class AsyncEventPublisher extends EventPublisher {
    private final ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

    @Override
    public void publishEvent(String message) {
        Event event = new Event(message);
        System.out.println("触发事件: " + event.getMessage());
        for (EventListener listener : listeners) {
            executor.submit(() -> {
                try {
                    listener.onEvent(event);
                } catch (Exception e) {
                    System.err.println("监听器处理异常: " + e.getMessage());
                }
            });
        }
    }
}

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