观察者模式（Observer Pattern）详解

1. 什么是观察者模式？

观察者模式是一种行为型设计模式，它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。当主题对象状态发生变化时，它的所有依赖者（观察者）都会收到通知并自动更新。

观察者模式又被称为发布-订阅（Publish/Subscribe）模式、模型-视图（Model-View）模式或源-监听器（Source-Listener）模式。

2. 为什么需要观察者模式？

在以下情况下，观察者模式特别有用：

1. 当一个对象的改变需要同时改变其他对象时：观察者模式可以实现这种一对多的通知机制
2. 当一个对象必须通知其他对象，而它又不需要知道这些对象是谁时：主题只需要知道观察者实现了特定接口
3. 当你需要维护对象之间的一致性时：不必使各个对象紧密耦合
4. 当抽象模型有两个方面，其中一个方面依赖于另一个方面时：将这两者封装在独立的对象中允许您分别使用和修改它们

3. 观察者模式的核心概念

观察者模式主要涉及以下角色：

1. 主题（Subject）：

   • 知道它的观察者，可以有任意多个观察者观察同一个主题
   • 提供注册和删除观察者对象的接口

2. 具体主题（Concrete Subject）：

   • 存储观察者感兴趣的状态
   • 当状态发生变化时通知观察者

3. 观察者（Observer）：

   • 为那些在主题状态发生改变时需获得通知的对象定义一个更新接口

4. 具体观察者（Concrete Observer）：

   • 实现观察者更新接口以响应主题状态的变化
   • 保持与主题的一致性

4. 观察者模式的结构

观察者模式的UML类图如下：

+----------------+        +----------------+
| Subject        |<>----->| Observer       |
+----------------+        +----------------+
| attach()       |        | update()       |
| detach()       |        +----------------+
| notify()       |               ^
+----------------+               |^                         ||                         |
+----------------+        +-------------------+
| ConcreteSubject|        | ConcreteObserver  |
+----------------+        +-------------------+
| getState()     |        | update()          |
| setState()     |        | observerState     |
+----------------+        +-------------------+

5. 观察者模式的基本实现

简单的气象站示例

下面是一个简单的气象站示例，展示了观察者模式的基本实现。

首先，定义观察者接口：

// 观察者接口
public interface Observer {void update(float temperature, float humidity, float pressure);
}

然后，定义主题接口：

// 主题接口
public interface Subject {void registerObserver(Observer observer);void removeObserver(Observer observer);void notifyObservers();
}

接着，实现具体主题（气象数据）：

// 具体主题 - 气象数据
public class WeatherData implements Subject {private List<Observer> observers;private float temperature;private float humidity;private float pressure;public WeatherData() {observers = new ArrayList<>();}@Overridepublic void registerObserver(Observer observer) {if (!observers.contains(observer)) {observers.add(observer);}}@Overridepublic void removeObserver(Observer observer) {observers.remove(observer);}@Overridepublic void notifyObservers() {for (Observer observer : observers) {observer.update(temperature, humidity, pressure);}}// 当气象测量数据改变时，通知观察者public void measurementsChanged() {notifyObservers();}// 设置气象测量数据public void setMeasurements(float temperature, float humidity, float pressure) {this.temperature = temperature;this.humidity = humidity;this.pressure = pressure;measurementsChanged();}
}

然后，实现具体观察者（显示器）：

// 具体观察者 - 当前状况显示
public class CurrentConditionsDisplay implements Observer {private float temperature;private float humidity;private Subject weatherData;public CurrentConditionsDisplay(Subject weatherData) {this.weatherData = weatherData;weatherData.registerObserver(this);}@Overridepublic void update(float temperature, float humidity, float pressure) {this.temperature = temperature;this.humidity = humidity;display();}public void display() {System.out.println("当前状况: 温度 " + temperature + "°C, 湿度 " + humidity + "%");}
}// 具体观察者 - 统计信息显示
public class StatisticsDisplay implements Observer {private float maxTemp = 0.0f;private float minTemp = 200.0f;private float sumTemp = 0.0f;private int countReadings = 0;private Subject weatherData;public StatisticsDisplay(Subject weatherData) {this.weatherData = weatherData;weatherData.registerObserver(this);}@Overridepublic void update(float temperature, float humidity, float pressure) {sumTemp += temperature;countReadings++;if (temperature > maxTemp) {maxTemp = temperature;}if (temperature < minTemp) {minTemp = temperature;}display();}public void display() {System.out.println("统计信息: 平均温度 " + (sumTemp / countReadings) + "°C, 最高温度 " + maxTemp + "°C, 最低温度 " + minTemp + "°C");}
}// 具体观察者 - 天气预报显示
public class ForecastDisplay implements Observer {private float currentPressure = 29.92f;private float lastPressure;private Subject weatherData;public ForecastDisplay(Subject weatherData) {this.weatherData = weatherData;weatherData.registerObserver(this);}@Overridepublic void update(float temperature, float humidity, float pressure) {lastPressure = currentPressure;currentPressure = pressure;display();}public void display() {System.out.print("天气预报: ");if (currentPressure > lastPressure) {System.out.println("天气正在好转!");} else if (currentPressure == lastPressure) {System.out.println("天气状况保持不变");} else {System.out.println("天气可能转凉，注意保暖");}}
}

最后，创建一个测试类来演示观察者模式：

public class WeatherStation {public static void main(String[] args) {// 创建主题WeatherData weatherData = new WeatherData();// 创建观察者CurrentConditionsDisplay currentDisplay = new CurrentConditionsDisplay(weatherData);StatisticsDisplay statisticsDisplay = new StatisticsDisplay(weatherData);ForecastDisplay forecastDisplay = new ForecastDisplay(weatherData);// 模拟气象数据变化System.out.println("第一次气象数据更新:");weatherData.setMeasurements(25.0f, 65.0f, 30.4f);System.out.println("\n第二次气象数据更新:");weatherData.setMeasurements(27.0f, 70.0f, 29.2f);System.out.println("\n第三次气象数据更新:");weatherData.setMeasurements(20.0f, 90.0f, 29.2f);// 移除一个观察者System.out.println("\n移除统计信息显示后:");weatherData.removeObserver(statisticsDisplay);weatherData.setMeasurements(22.0f, 80.0f, 31.0f);}
}

输出结果：

第一次气象数据更新:
当前状况: 温度 25.0°C, 湿度 65.0%
统计信息: 平均温度 25.0°C, 最高温度 25.0°C, 最低温度 25.0°C
天气预报: 天气状况保持不变第二次气象数据更新:
当前状况: 温度 27.0°C, 湿度 70.0%
统计信息: 平均温度 26.0°C, 最高温度 27.0°C, 最低温度 25.0°C
天气预报: 天气可能转凉，注意保暖第三次气象数据更新:
当前状况: 温度 20.0°C, 湿度 90.0%
统计信息: 平均温度 24.0°C, 最高温度 27.0°C, 最低温度 20.0°C
天气预报: 天气状况保持不变移除统计信息显示后:
当前状况: 温度 22.0°C, 湿度 80.0%
天气预报: 天气正在好转!

6. 观察者模式的进阶实现

推模型 vs 拉模型

观察者模式有两种常见的实现方式：推模型和拉模型。

6.1 推模型（Push Model）

在推模型中，主题对象向观察者推送所有数据，不管观察者是否需要。上面的例子使用的就是推模型。

6.2 拉模型（Pull Model）

在拉模型中，主题仅通知观察者有数据更新，由观察者自己决定获取哪些数据。下面我们将上面的例子修改为拉模型：

首先，修改观察者接口，update方法不再传递数据：

// 观察者接口 - 拉模型
public interface Observer {void update();
}

修改主题接口，添加获取数据的方法：

// 主题接口 - 拉模型
public interface Subject {void registerObserver(Observer observer);void removeObserver(Observer observer);void notifyObservers();// 获取数据的方法float getTemperature();float getHumidity(<