设计模式之观察者模式详解(定义、优缺点、应用场景、实例类图）

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，当一个对象的状态发生改变时，其所有依赖者都会收到通知并自动更新。当对象间存在一对多关系时，则使用观察者模式（Observer Pattern）。比如，当一个对象被修改时，则会自动通知依赖它的对象。观察者模式属于行为型模式。

一、观察者模式的介绍

意图

创建了对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象状态改变时，所有依赖于它的对象都会得到通知并自动更新。

主要解决的问题

观察者模式解决的是一个对象状态改变时，如何自动通知其他依赖对象的问题，同时保持对象间的低耦合和高协作性。

使用场景

当一个对象的状态变化需要同时更新其他对象时。

实现方式

1. 定义观察者接口：包含一个更新方法。

2. 创建具体观察者：实现观察者接口，定义接收到通知时的行为。

3. 定义主题接口：包含添加、删除和通知观察者的方法。

4. 创建具体主题：实现主题接口，管理观察者列表，并在状态改变时通知它们。

关键代码

1. 观察者列表：在主题中维护一个观察者列表。

结构

观察者模式包含以下几个核心角色：

1. 主题（Subject）：也称为被观察者或可观察者，它是具有状态的对象，并维护着一个观察者列表。主题提供了添加、删除和通知观察者的方法。

2. 观察者（Observer）：观察者是接收主题通知的对象。观察者需要实现一个更新方法，当收到主题的通知时，调用该方法进行更新操作。

3. 具体主题（Concrete Subject）：具体主题是主题的具体实现类。它维护着观察者列表，并在状态发生改变时通知观察者。

4. 具体观察者（Concrete Observer）：具体观察者是观察者的具体实现类。它实现了更新方法，定义了在收到主题通知时需要执行的具体操作。

观察者模式通过将主题和观察者解耦，实现了对象之间的松耦合。当主题的状态发生改变时，所有依赖于它的观察者都会收到通知并进行相应的更新。

应用实例

1. 拍卖系统：拍卖师作为主题，竞价者作为观察者，拍卖价格更新时通知所有竞价者。

2. 西游记故事：菩萨洒水作为状态改变，老乌龟作为观察者，观察到这一变化。

二、观察者模式的优缺点

优点

1. 抽象耦合：观察者和主题之间是抽象耦合的。

2. 触发机制：建立了一套状态改变时的触发和通知机制。

缺点

1. 性能问题：如果观察者众多，通知过程可能耗时。

2. 循环依赖：可能导致循环调用和系统崩溃。

3. 缺乏变化详情：观察者不知道主题如何变化，只知道变化发生。

三、观察者模式的使用建议

1. 在需要降低对象间耦合度，并且对象状态变化需要触发其他对象变化时使用。

2. 考虑使用Java内置的观察者模式支持类，如java.util.Observable和java.util.Observer。

3. 避免循环引用：注意观察者和主题之间的依赖关系，避免循环引用。

4. 异步执行：考虑使用异步通知避免单点故障导致整个系统卡壳。

四、观察者模式的实现

观察者模式使用三个类 Subject、Observer 和 Client。Subject 对象带有绑定观察者到 Client 对象和从 Client 对象解绑观察者的方法。我们创建 Subject 类、Observer 抽象类和扩展了抽象类 Observer 的实体类。

ObserverPatternDemo，我们的演示类使用 Subject 和实体类对象来演示观察者模式。

1. 步骤 1：创建 Subject 类。

Subject.java

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
public class Subject {
   
   private List<Observer> observers 
      = new ArrayList<Observer>();
   private int state;
 
   public int getState() {
      return state;
   }
 
   public void setState(int state) {
      this.state = state;
      notifyAllObservers();
   }
 
   public void attach(Observer observer){
      observers.add(observer);      
   }
 
   public void notifyAllObservers(){
      for (Observer observer : observers) {
         observer.update();
      }
   }  
}

1. 步骤 2：创建 Observer 类。

Observer.java

public abstract class Observer {
   protected Subject subject;
   public abstract void update();
}

1. 步骤 3：创建实体观察者类。

BinaryObserver.java

public class BinaryObserver extends Observer{
 
   public BinaryObserver(Subject subject){
      this.subject = subject;
      this.subject.attach(this);
   }
 
   @Override
   public void update() {
      System.out.println( "Binary String: " 
      + Integer.toBinaryString( subject.getState() ) ); 
   }
}

OctalObserver.java

public class OctalObserver extends Observer{
 
   public OctalObserver(Subject subject){
      this.subject = subject;
      this.subject.attach(this);
   }
 
   @Override
   public void update() {
     System.out.println( "Octal String: " 
     + Integer.toOctalString( subject.getState() ) ); 
   }
}

HexaObserver.java

public class HexaObserver extends Observer{
 
   public HexaObserver(Subject subject){
      this.subject = subject;
      this.subject.attach(this);
   }
 
   @Override
   public void update() {
      System.out.println( "Hex String: " 
      + Integer.toHexString( subject.getState() ).toUpperCase() ); 
   }
}

1. 步骤 4：使用 Subject 和实体观察者对象。

ObserverPatternDemo.java

public class ObserverPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      Subject subject = new Subject();
 
      new HexaObserver(subject);
      new OctalObserver(subject);
      new BinaryObserver(subject);
 
      System.out.println("First state change: 15");   
      subject.setState(15);
      System.out.println("Second state change: 10");  
      subject.setState(10);
   }
}

1. 步骤 5：执行程序，输出结果：

First state change: 15
Hex String: F
Octal String: 17
Binary String: 1111
Second state change: 10
Hex String: A
Octal String: 12
Binary String: 1010

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