设计模式之观察者模式及典型应用

2023年7月28日 290次阅读来源: 算法小白

本文主要内容：

介绍观察者模式
微信公众号的发布/订阅示例
观察者模式总结
分析观察者模式的典型应用

JDK 提供的观察者接口中的观察者模式
Guava EventBus 中的观察者模式
JDK 委托事件模型DEM中的观察者模式
Spring ApplicationContext 事件机制中的观察者模式

观察者模式

观察者模式是设计模式中的 “超级模式”，其应用随处可见，我们以微信公众号为例。

微信公众号有服务号、订阅号和企业号之分。以我的公众号为例，我的公众号类型是订阅号，名称是 “小旋锋”，专注于大数据，Java后端类技术分享。目前主要是分享学习笔记为主，尽量做到 “原创”、”高质量”、”成体系”。每当我发布一篇博文推送，订阅的用户都能够在我发布推送之后及时接收到推送，即可方便地在手机端进行阅读。

《设计模式之观察者模式及典型应用》微信公众号.发布/订阅

观察者模式(Observer Pattern)：定义对象之间的一种一对多依赖关系，使得每当一个对象状态发生改变时，其相关依赖对象皆得到通知并被自动更新。观察者模式是一种对象行为型模式。

观察者模式的别名包括发布-订阅（Publish/Subscribe）模式、模型-视图（Model/View）模式、源-监听器（Source/Listener）模式或从属者（Dependents）模式。

观察者模式包含观察目标和观察者两类对象，一个目标可以有任意数目的与之相依赖的观察者，一旦观察目标的状态发生改变，所有的观察者都将得到通知。

角色

Subject（目标）：目标又称为主题，它是指被观察的对象。在目标中定义了一个观察者集合，一个观察目标可以接受任意数量的观察者来观察，它提供一系列方法来增加和删除观察者对象，同时它定义了通知方法notify()。目标类可以是接口，也可以是抽象类或具体类。

ConcreteSubject（具体目标）：具体目标是目标类的子类，通常它包含有经常发生改变的数据，当它的状态发生改变时，向它的各个观察者发出通知；同时它还实现了在目标类中定义的抽象业务逻辑方法（如果有的话）。如果无须扩展目标类，则具体目标类可以省略。

Observer（观察者）：观察者将对观察目标的改变做出反应，观察者一般定义为接口，该接口声明了更新数据的方法update()，因此又称为抽象观察者。

ConcreteObserver（具体观察者）：在具体观察者中维护一个指向具体目标对象的引用，它存储具体观察者的有关状态，这些状态需要和具体目标的状态保持一致；它实现了在抽象观察者Observer中定义的update()方法。通常在实现时，可以调用具体目标类的attach()方法将自己添加到目标类的集合中或通过detach()方法将自己从目标类的集合中删除。

示例

首先需要一个订阅者接口（观察者），该接口有一个 receive 方法，用于接收公众号推送通知

public interface Subscriber {    int receive(String publisher, String articleName);}

然后是一个微信客户端（具体观察者），实现了 receive 方法

public class WeChatClient implements Subscriber {    private String username;    public WeChatClient(String username) {        this.username = username;    }    @Override    public int receive(String publisher, String articleName) {        // 接收到推送时的操作        System.out.println(String.format("用户<%s> 接收到 <%s>微信公众号 的推送，文章标题为 <%s>", username, publisher, articleName));        return 0;    }}

发布者类（目标，被观察对象），该类维护了一个订阅者列表，实现了订阅、取消订阅、通知所有订阅者等功能

public class Publisher {    private List<Subscriber> subscribers;    private boolean pubStatus = false;    public Publisher() {        subscribers = new ArrayList<Subscriber>();    }    protected void subscribe(Subscriber subscriber) {        this.subscribers.add(subscriber);    }    protected void unsubscribe(Subscriber subscriber) {        if (this.subscribers.contains(subscriber)) {            this.subscribers.remove(subscriber);        }    }    protected void notifySubscribers(String publisher, String articleName) {        if (this.pubStatus == false) {            return;        }        for (Subscriber subscriber : this.subscribers) {            subscriber.receive(publisher, articleName);        }        this.clearPubStatus();    }    protected void setPubStatus() {        this.pubStatus = true;    }    protected void clearPubStatus() {        this.pubStatus = false;    }}

微信公众号类（具体目标），该类提供了 publishArticles 方法，用于发布推送，当文章发布完毕时调用父类的通知所有订阅者方法

public class WeChatAccounts extends Publisher {    private String name;    public WeChatAccounts(String name) {        this.name = name;    }    public void publishArticles(String articleName, String content) {        System.out.println(String.format("\n<%s>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <%s>，内容为 <%s> ", this.name, articleName, content));        setPubStatus();        notifySubscribers(this.name, articleName);    }}

测试

public class Test {    public static void main(String[] args) {        WeChatAccounts accounts = new WeChatAccounts("小旋锋");        WeChatClient user1 = new WeChatClient("张三");        WeChatClient user2 = new WeChatClient("李四");        WeChatClient user3 = new WeChatClient("王五");        accounts.subscribe(user1);        accounts.subscribe(user2);        accounts.subscribe(user3);        accounts.publishArticles("设计模式 | 观察者模式及典型应用", "观察者模式的内容...");        accounts.unsubscribe(user1);        accounts.publishArticles("设计模式 | 单例模式及典型应用", "单例模式的内容....");    }}

结果如下，符合预期，当公众号发布一篇推送时，订阅该公众号的用户可及时接收到推送的通知

<小旋锋>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>，内容为 <观察者模式的内容...> 用户<张三> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>用户<李四> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>用户<王五> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用><小旋锋>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <设计模式 | 单例模式及典型应用>，内容为 <单例模式的内容....> 用户<李四> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 单例模式及典型应用>用户<王五> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 单例模式及典型应用>

可画出类图如下

《设计模式之观察者模式及典型应用》示例.观察者模式类图

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观察者模式总结

观察者模式的主要优点如下：

观察者模式可以实现表示层和数据逻辑层的分离，定义了稳定的消息更新传递机制，并抽象了更新接口，使得可以有各种各样不同的表示层充当具体观察者角色。
观察者模式在观察目标和观察者之间建立一个抽象的耦合。观察目标只需要维持一个抽象观察者的集合，无须了解其具体观察者。由于观察目标和观察者没有紧密地耦合在一起，因此它们可以属于不同的抽象化层次。
观察者模式支持广播通信，观察目标会向所有已注册的观察者对象发送通知，简化了一对多系统设计的难度。
观察者模式满足 “开闭原则” 的要求，增加新的具体观察者无须修改原有系统代码，在具体观察者与观察目标之间不存在关联关系的情况下，增加新的观察目标也很方便。

观察者模式的主要缺点如下：

如果一个观察目标对象有很多直接和间接观察者，将所有的观察者都通知到会花费很多时间。
如果在观察者和观察目标之间存在循环依赖，观察目标会触发它们之间进行循环调用，可能导致系统崩溃。
观察者模式没有相应的机制让观察者知道所观察的目标对象是怎么发生变化的，而仅仅只是知道观察目标发生了变化。

适用场景：

一个抽象模型有两个方面，其中一个方面依赖于另一个方面，将这两个方面封装在独立的对象中使它们可以各自独立地改变和复用。
一个对象的改变将导致一个或多个其他对象也发生改变，而并不知道具体有多少对象将发生改变，也不知道这些对象是谁。
需要在系统中创建一个触发链，A对象的行为将影响B对象，B对象的行为将影响C对象……，可以使用观察者模式创建一种链式触发机制。

观察者模式的典型应用

JDK 提供的观察者接口

观察者模式在Java语言中的地位非常重要。在JDK的 java.util 包中，提供了 Observable 类以及 Observer 接口，它们构成了JDK对观察者模式的支持。

其中的 Observer 接口为观察者，只有一个 update 方法，当观察目标发生变化时被调用，其代码如下：

public interface Observer {    void update(Observable o, Object arg);}

Observable 类则为目标类，相比我们的示例中的 Publisher 类多了并发和NPE方面的考虑

public class Observable {    private boolean changed = false;    private Vector<Observer> obs = new Vector();    public Observable() {    }    // 用于注册新的观察者对象到向量中    public synchronized void addObserver(Observer var1) {        if (var1 == null) {            throw new NullPointerException();        } else {            if (!this.obs.contains(var1)) {                this.obs.addElement(var1);            }        }    }    // 用于删除向量中的某一个观察者对象    public synchronized void deleteObserver(Observer var1) {        this.obs.removeElement(var1);    }    public void notifyObservers() {        this.notifyObservers((Object)null);    }    // 通知方法，用于在方法内部循环调用向量中每一个观察者的update()方法    public void notifyObservers(Object var1) {        Object[] var2;        synchronized(this) {            if (!this.changed) {                return;            }            var2 = this.obs.toArray();            this.clearChanged();        }        for(int var3 = var2.length - 1; var3 >= 0; --var3) {            ((Observer)var2[var3]).update(this, var1);        }    }    // 用于清空向量，即删除向量中所有观察者对象    public synchronized void deleteObservers() {        this.obs.removeAllElements();    }    // 该方法被调用后会设置一个boolean类型的内部标记变量changed的值为true，表示观察目标对象的状态发生了变化    protected synchronized void setChanged() {        this.changed = true;    }    // 用于将changed变量的值设为false，表示对象状态不再发生改变或者已经通知了所有的观察者对象，调用了它们的update()方法    protected synchronized void clearChanged() {        this.changed = false;    }    // 返回对象状态是否改变    public synchronized boolean hasChanged() {        return this.changed;    }    // 返回向量中观察者的数量    public synchronized int countObservers() {        return this.obs.size();    }}

我们可以使用 Observable 类以及 Observer 接口来重新实现微信公众号示例。

增加一个通知类 WechatNotice，用于推送通知的传递

@Data@AllArgsConstructorpublic class WechatNotice {    private String publisher;    private String articleName;}

然后改写 WeChatClient 和 WeChatAccounts，分别实现JDK的 Observer 接口和继承 Observable 类

public class WeChatClient implements Observer {    private String username;    public WeChatClient(String username) {        this.username = username;    }    @Override    public void update(Observable o, Object arg) {        //WeChatAccounts weChatAccounts = (WeChatAccounts) o;        WechatNotice notice = (WechatNotice) arg;        System.out.println(String.format("用户<%s> 接收到 <%s>微信公众号 的推送，文章标题为 <%s>", username, notice.getPublisher(), notice.getArticleName()));    }}public class WeChatAccounts extends Observable {    private String name;    public WeChatAccounts(String name) {        this.name = name;    }    public void publishArticles(String articleName, String content) {        System.out.println(String.format("\n<%s>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <%s>，内容为 <%s> ", this.name, articleName, content));        setChanged();        notifyObservers(new WechatNotice(this.name, articleName));    }}

测试，与示例中的测试代码的区别在于调用的方法不同

public class Test {    public static void main(String[] args) {        WeChatAccounts accounts = new WeChatAccounts("小旋锋");        WeChatClient user1 = new WeChatClient("张三");        WeChatClient user2 = new WeChatClient("李四");        WeChatClient user3 = new WeChatClient("王五");        accounts.addObserver(user1);        accounts.addObserver(user2);        accounts.addObserver(user3);        accounts.publishArticles("设计模式 | 观察者模式及典型应用", "观察者模式的内容...");        accounts.deleteObserver(user1);        accounts.publishArticles("设计模式 | 单例模式及典型应用", "单例模式的内容....");    }}

测试结果如下，可以发现结果如示例一致

<小旋锋>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>，内容为 <观察者模式的内容...> 用户<王五> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>用户<李四> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>用户<张三> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用><小旋锋>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <设计模式 | 单例模式及典型应用>，内容为 <单例模式的内容....> 用户<王五> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 单例模式及典型应用>用户<李四> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 单例模式及典型应用>

Guava EventBus 中的观察者模式

Guava 中的 EventBus 封装了友好的 “生产/消费模型”，通过非常简单的方式，实现了观察者模式中的监听注册，事件分发。

使用了 Guava EventBus 之后，如果需要订阅消息，不需要实现任何接口，只需在监听方法上加上 @Subscribe 注解即可，EventBus 提供了 register 和 unregister 方法用于注册与取消注册事件，当 EventBus 调用 post 方法时将把事件分发给注册的对象

使用 Guava 重新实现示例

@Data@AllArgsConstructorpublic class WechatNotice {    private String publisher;    private String articleName;}public class WeChatClient  {    private String username;    public WeChatClient(String username) {        this.username = username;    }    @Subscribe    public void listen(WechatNotice notice) {        System.out.println(String.format("用户<%s> 接收到 <%s>微信公众号 的推送，文章标题为 <%s>", username, notice.getPublisher(), notice.getArticleName()));    }}public class WeChatAccounts {    private String name;    private EventBus eventBus;    public WeChatAccounts(String name) {        this.name = name;        this.eventBus = new EventBus();    }    public void publishArticles(String articleName, String content) {        System.out.println(String.format("\n<%s>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <%s>，内容为 <%s> ", this.name, articleName, content));        this.eventBus.post(new WechatNotice(this.name, articleName));    }    public void register(WeChatClient weChatClient) {        this.eventBus.register(weChatClient);    }    public void unregister(WeChatClient weChatClient) {        this.eventBus.unregister(weChatClient);    }}

测试

public class Test {    public static void main(String[] args) {        WeChatAccounts accounts = new WeChatAccounts("小旋锋");        WeChatClient user1 = new WeChatClient("张三");        WeChatClient user2 = new WeChatClient("李四");        WeChatClient user3 = new WeChatClient("王五");        accounts.register(user1);        accounts.register(user2);        accounts.register(user3);        accounts.publishArticles("设计模式 | 观察者模式及典型应用", "观察者模式的内容...");        accounts.unregister(user1);        accounts.publishArticles("设计模式 | 单例模式及典型应用", "单例模式的内容....");    }}

不出意料，输出的内容与上面两个示例一样

<小旋锋>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>，内容为 <观察者模式的内容...> 用户<张三> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>用户<李四> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>用户<王五> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用><小旋锋>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <设计模式 | 单例模式及典型应用>，内容为 <单例模式的内容....> 用户<李四> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 单例模式及典型应用>用户<王五> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 单例模式及典型应用>

Guava EventBus 的更多用法可自行查看相关文档 Guava EventBus 源码分析可看这篇 http://t.cn/EZzC35B

JDK 委托事件模型DEM中的观察者模式

首先来敲一个AWT按钮监听事件的Demo

import java.awt.*;import java.awt.event.MouseAdapter;import java.awt.event.MouseEvent;import java.awt.event.WindowAdapter;import java.awt.event.WindowEvent;public class MouseEvents {    private Frame frame;    private Button button;    MouseEvents() {        frame = new Frame("点击按钮触发点击事件，控制台将打印日志");        frame.setBounds(300, 200, 600, 300);        frame.setLayout(new FlowLayout());        button = new Button("this is a button");        button.setFont(new Font("Default", 0, 30));        frame.add(button);        dealwithEvent();        frame.setVisible(true);    }    //事件监听器以及处理事件    private void dealwithEvent() {        // 监听窗体关闭事件        frame.addWindowListener(new WindowAdapter() {            @Override            public void windowClosing(WindowEvent e) {                System.exit(0);            }        });        button.addActionListener(new ActionListener() {            private int eventCount = 1;            @Override            public void actionPerformed(ActionEvent e) {                System.out.println(String.format("动作事件发生 %d 次", eventCount++));            }        });    }    public static void main(String[] args) {        new MouseEvents();    }}

运行 main 方法桌面将弹出下面的面板和按钮

《设计模式之观察者模式及典型应用》按钮监听鼠标事件

按钮的 addActionListener 添加指定的动作侦听器，以接收发自此按钮的动作事件，当用户在按钮上按下或释放鼠标时，JVM将产生一个相应的 ActionEvent 类型的事件对象，并在触发事件时将调用按钮的 fireXXX() 方法（继承自 Component），在该方法内部，将调用注册到按钮中的 ActionListener 对象的 actionPerformed() 方法（也就是我们实现的匿名事件处理类），实现对事件的处理

动作事件发生 1 次动作事件发生 2 次动作事件发生 3 次动作事件发生 4 次

Spring ApplicationContext 事件机制中的观察者模式

spring的事件机制是从java的事件机制拓展而来，ApplicationContext 中事件处理是由 ApplicationEvent 类和 ApplicationListener 接口来提供的。如果一个Bean实现了 ApplicationListener 接口，并且已经发布到容器中去，每次 ApplicationContext 发布一个 ApplicationEvent 事件，这个Bean就会接到通知

ApplicationContext：事件源，其中的 publishEvent()方法用于触发容器事件
ApplicationEvent：事件本身，自定义事件需要继承该类，可以用来传递数据
ApplicationListener：事件监听器接口，事件的业务逻辑封装在监听器里面

使用 spring 事件机制重新实现示例

@Datapublic class WechatNotice extends ApplicationEvent {    private String publisher;    private String articleName;    public WechatNotice(Object source, String publisher, String articleName) {        super(source);        this.publisher = publisher;        this.articleName = articleName;    }}public class WeChatClient implements ApplicationListener {    private String username;    public WeChatClient(String username) {        this.username = username;    }    @Override    public void onApplicationEvent(ApplicationEvent event) {        if (event instanceof WechatNotice) {            WechatNotice notice = (WechatNotice) event;            System.out.println(String.format("用户<%s> 接收到 <%s>微信公众号 的推送，文章标题为 <%s>", username, notice.getPublisher(), notice.getArticleName()));        }    }    public void setUsername(String username) {        this.username = username;    }}public class WeChatAccounts implements ApplicationContextAware {    private ApplicationContext ctx;    private String name;    public WeChatAccounts(String name) {        this.name = name;    }    public void setName(String name) {        this.name = name;    }    @Override    public void setApplicationContext(ApplicationContext applicationContext) throws BeansException {        this.ctx = applicationContext;    }    public void publishArticles(String articleName, String content) {        System.out.println(String.format("\n<%s>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <%s>，内容为 <%s> ", this.name, articleName, content));        ctx.publishEvent(new WechatNotice(this.name, this.name, articleName));    }}

在 resources 目录下创建 spring.xml 文件，填入下面的内容

<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">    <bean id="WeChatAccounts" class="com.observer.sprintevent.WeChatAccounts" scope="prototype">        <constructor-arg name="name" value=""></constructor-arg>    </bean>    <bean id="WeChatClient1" class="com.observer.sprintevent.WeChatClient">        <constructor-arg name="username" value="张三"></constructor-arg>    </bean>    <bean id="WeChatClient2" class="com.observer.sprintevent.WeChatClient">        <constructor-arg name="username" value="李四"></constructor-arg>    </bean>    <bean id="WeChatClient3" class="com.observer.sprintevent.WeChatClient">        <constructor-arg name="username" value="王五"></constructor-arg>    </bean></beans>

测试

public class Test {    public static void main(String[] args) {        ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("spring.xml");        WeChatAccounts accounts = (WeChatAccounts) context.getBean("WeChatAccounts");        accounts.setName("小旋锋");        accounts.setApplicationContext(context);        accounts.publishArticles("设计模式 | 观察者模式及典型应用", "观察者模式的内容...");    }}

输出如下

<小旋锋>微信公众号 发布了一篇推送，文章名称为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>，内容为 <观察者模式的内容...> 用户<张三> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>用户<李四> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>用户<王五> 接收到 <小旋锋>微信公众号 的推送，文章标题为 <设计模式 | 观察者模式及典型应用>

在此示例中 ApplicationContext 对象的实际类型为 ClassPathXmlApplicationContext，其中的与 publishEvent 方法相关的主要代码如下：

private ApplicationEventMulticaster applicationEventMulticaster;public void publishEvent(ApplicationEvent event) {    this.getApplicationEventMulticaster().multicastEvent(event);    if (this.parent != null) {        this.parent.publishEvent(event);    }}ApplicationEventMulticaster getApplicationEventMulticaster() throws IllegalStateException {    return this.applicationEventMulticaster;}protected void initApplicationEventMulticaster() {        ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = this.getBeanFactory();        if (beanFactory.containsLocalBean("applicationEventMulticaster")) {            this.applicationEventMulticaster = (ApplicationEventMulticaster)beanFactory.getBean("applicationEventMulticaster", ApplicationEventMulticaster.class);        } else {            this.applicationEventMulticaster = new SimpleApplicationEventMulticaster(beanFactory);            beanFactory.registerSingleton("applicationEventMulticaster", this.applicationEventMulticaster);        }    }

其中的 SimpleApplicationEventMulticaster 如下，multicastEvent 方法主要是通过遍历 ApplicationListener（注册由 AbstractApplicationEventMulticaster 实现），使用线程池框架 Executor 来并发执行 ApplicationListener 的 onApplicationEvent 方法，与示例本质上是一致的

public class SimpleApplicationEventMulticaster extends AbstractApplicationEventMulticaster {    private Executor taskExecutor;    public void multicastEvent(final ApplicationEvent event) {        Iterator var2 = this.getApplicationListeners(event).iterator();        while(var2.hasNext()) {            final ApplicationListener listener = (ApplicationListener)var2.next();            Executor executor = this.getTaskExecutor();            if (executor != null) {                executor.execute(new Runnable() {                    public void run() {                        listener.onApplicationEvent(event);                    }                });            } else {                listener.onApplicationEvent(event);            }        }    }}

参考：刘伟：设计模式Java版慕课网java设计模式精讲 Debug 方式+内存分析用guava实现简单的事件驱动 springboot 事件机制

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