设计模式入门（二）观察者模式

news2025/1/18 1:54:53

设计模式入门

本系列所有内容参考自《HeadFirst设计模式》。因为书中的代码是采用java语言写的，博主这里用C++语言改写。
这里采用讲故事的方式进行讲解。若有错误之处，非常欢迎大家指导。
设计模式：模式不是代码，而针对设计问题的通用解决方案，被认为是历经验证的OO设计经验。设计模式告诉我们如何组织类和对象以解决某种问题。
如果你输出一个helloworld都想使用设计模式的话，那可能真的就有问题了。

正文

提出问题

我们现在手头有一个气象检测应用。气象站接收湿度感应装置、温度感应装置、气压感应装置的数据，然后我们有一个WeatherData对象，它负责追踪来自气象站的数据，并更新布告板（显示目前天气状况给用户看）。
图片来自HeadFirst设计模式
如果我们要接手这个项目，我们的工作就是建立一个应用，利用WeatherData对象取得数据，并更新三个布告板：目前状况、气象统计和天气预报。三个布告板如下图所示：
在这里插入图片描述

现有的WeatherData类源码如下：

class WeatherData {
    float getTemperature();  //返回温度
    float getHumidity();     //返回湿度
    float getPressure();     //返回气压
    void measurementsChanged()
    {
        /*一旦气象测量更新，此方法会被调用*/
        //我们的代码加在这里
    }
};

我们的工作是实现measurementsChanged()，好让它更新目前状况、气象统计、天气预报的显示布告板。

我们目前知道的：WeatherData类有三个方法，可以取得三个测量值；当新的数据来临时，measurementsChanged()方法就会被调用(我们不在乎此方法是如何被调用的，我们只在乎它被调用了)；我们需要实现三个使用天气数据的布告板，一旦WeatherData有新的测量，这些布告必须马上更新。

一个我们可能想到的measurementsChanged()实现如下：

class WeatherData {
	// 实例变量声明
    void measurementsChanged()
    {
    	// 获取最新的测量值
        float temp = getTemperature();
        float humidity = getHumidity();
        float pressure = getPressure();
        
        // 调用每个布告板更新显示
        currtenConditionsDisplay.update(temp, humidity, pressure);  // 目前状况布告板更新
        statisticsDisplay.update(temp, humidity, pressure);  // 气象统计布告板更新
        forecastDisplay.update(temp, humidity, pressure);   // 天气预报布告板更新
    }
};

但是这与一些软件设计原则发生了矛盾。上面代码中调用每个布告板更新显示函数是针对具体实现编程，会导致我们以后在增加或删除布告板时必须修改程序；三个接口都是update，传入的参数也是一样的，所以看起来更像是一个统一的接口。

那我们该如何解决这个问题呢？观察者模式可以帮助我们很好地解决这个问题。

观察者模式

一个很简单的例子就是杂志订阅。
假设我们订阅了一款杂志，每当这款杂志更新时，它都会给我们送一份。这就是观察者模式，杂志相当于“主题”，我们相当于“观察者”，当主题发生改变时，就是通知“观察者”。这里要注意的一点是：主题来增加或删除观察者。 还是杂志订阅这个问题，我们想订阅杂志的时候，杂志出版社便会将我们加到它们的订阅名单里，我们不想订阅杂志时，杂志出版社便会将我们从订阅名单里删除。

观察者模式：观察者模式定义了对象之间的一对多依赖（“一个主题”对“多个观察者”），这样一来，当一个对象改变状态时，它的所有依赖者（因为主题是真正拥有数据的人，观察者是主题的依赖者）都会收到通知并自动更新。

实现代码如下：

#include<iostream>
#include<vector>

using namespace std;

class Observer {  // 观察者
public:
    virtual void update(float temp, float humidity, float pressure) = 0;
};

class Subject {  // 抽象主题
    virtual void registerObserver(Observer *o)=0;
    virtual void removeObserver(Observer *o)=0;
    virtual void notifyObserver()=0;
};

class DisplayElement {
    virtual void display()=0;
};

class WeatherData : public Subject  // 具象主题
{
private:
    vector<Observer*> observers;
    float temperature;
    float humidity;
    float pressure;
public:
    void registerObserver(Observer *o)  // 注册观察者
    {
        observers.push_back(o);
    }

    void removeObserver(Observer *o)   // 取消观察者
    {
        auto it = std::find(observers.begin(), observers.end(), o);

        if (it != observers.end())
        {
            int index = std::distance(observers.begin(), it);
            cout << "索引是：" << index << endl;;
            observers.erase(observers.begin() + index);
            cout << "成功删除元素" << endl;
        }
        else
        {
            cout << "未找到元素" << endl;
        }
    }

    void notifyObserver()  // 通知观察者
    {
        for (int i = 0; i < observers.size(); i++)
        {
            Observer *observer = observers[i];
            observer->update(temperature, humidity, pressure);
        }
    }
    void measurementsChanged()
    {
        notifyObserver();  // 通知观察者
    }

    void setMeasurements(float temperature, float humidity, float pressure)
    {
        this->temperature = temperature; 
        this->humidity = humidity;
        this->pressure = pressure;
        measurementsChanged();
    }
};

class StatisticsDisplay : public Observer, public DisplayElement  // 观察者
{
private:
    float temperature;
    float humidity;
    WeatherData *weatherData;
public:
    StatisticsDisplay(WeatherData *weather)
    {
        weatherData = weather;
        weatherData->registerObserver(this);  //主题注册观察者
    }

    void remove()
    {
        weatherData->removeObserver(this); // 主题取消观察者
    }

    void update(float temperature, float humidity, float pressure)
    {
        this->temperature = temperature;
        this->humidity = humidity;
        display();
    }
    void display()
    {
        cout << "statisticsDisplay: " << temperature << "F degress and " << humidity << "% humidity" << endl;
    }
};

class ForecastDisplay : public Observer, public DisplayElement  // 观察者
{
private:
    float temperature;
    float humidity;
    WeatherData *weatherData;
public:
    ForecastDisplay(WeatherData *weather)
    {
        weatherData = weather;
        weatherData->registerObserver(this);  //主题注册观察者
    }

    void remove()
    {
        weatherData->removeObserver(this); // 主题取消观察者
    }

    void update(float temperature, float humidity, float pressure)
    {
        this->temperature = temperature;
        this->humidity = humidity;
        display();
    }
    void display()
    {
        cout << "ForecastDisplay: " << temperature << "F degress and " << humidity << "% humidity" << endl;
    }
};

class CurrentConditionsDisplay : public Observer, public DisplayElement  // 观察者
{
private:
    float temperature;
    float humidity;
    WeatherData *weatherData;
public:
    CurrentConditionsDisplay(WeatherData *weather)
    {
        weatherData = weather;
        weatherData->registerObserver(this);  //主题注册观察者
    }

    void remove()
    {
        weatherData->removeObserver(this); // 主题取消观察者
    }

    void update(float temperature, float humidity, float pressure)
    {
        this->temperature = temperature;
        this->humidity = humidity;
        display();
    }
    void display()
    {
        cout << "CurrentConditionsDisplay: " << temperature << "F degress and " << humidity << "% humidity" << endl;
    }
};
int main()
{
    WeatherData *weatherData = new WeatherData; // 定义一个主题对象即可
    CurrentConditionsDisplay currentDisplay(weatherData);  // 第一个观察者
    StatisticsDisplay statisDisplay(weatherData);   // 第二个观察者
    ForecastDisplay foreDisplay(weatherData);   // 第三个观察者
    weatherData->setMeasurements(80, 65, 30.4);   // 主题信息发生变更
    
    currentDisplay.remove();   // 该观察者取消对主题的订阅

    weatherData->setMeasurements(40, 25, 15.4);

    foreDisplay.remove();   // 该观察者取消对主题的订阅

    weatherData->setMeasurements(15.5, 26, 34);
    return 0;
}

以上就是使用C++实现观察者模式的全部代码。

设计原则

  1. 找出程序中会变化的方面，然后将其和固定不变的方面相分离。
    在观察中模式中，会改变的是主题的状态，以及观察者的数目和类型。用这个模式，你可以改变依赖于主题状态的对象，却不必改变主题。
  2. 针对接口编程，不针对实现编程。
    主题与观察者都是用接口：观察者利用主题的接口向主题注册，而主题利用观察者接口通知观察者。这样可以让两者之间运作正常，又同时具有松耦合的优点。

观察者模式较为重要，在很多软件框架和软件设计中都可以看到它的身影，所以大家可以根据代码仔细体会它的思想。工作的那几个月在公司的软件里看到过观察者模式，但是没有自己动手实现，只是明白它的意思。今天自己动手实现了一下，感悟又深了一些。

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