【设计模式】如何用C++实现观察者模式【发布订阅机制】

【设计模式】如何用C++实现观察者模式【发布订阅机制】

一、问题背景

代码质量影响生活质量。最近工作中频繁接触各种设计模式，深刻体会到优秀的设计模式不仅能显著降低后续维护的压力，还能提升开发效率。观察者模式作为一种降低耦合度、提高扩展性的利器，其设计模式思想让人受益匪浅。

过去曾读过一本《练习的心态》，书中提出了这样的问题：当我们专注于过程时，往往会偏离目标，越专注离目标也就越远；当我们关注目标时，要么无法专注于过程，要么因目标与现实的差距而产生放弃的念头。

如何把握过程与目标的关系，也许需要我们用一种观察者的智慧和心态，即同时使用两个视角来思考：

  1. 第一种视角作为被观察者，允许自身专注，沉浸于过程，最好进入心流状态。
  2. 第二种视角作为观察者，观察者观察沉浸于过程的执行者，时常检查执行者是否偏离目标，然后提醒执行者调整策略。

当掌握这两种视角后，做到极致的情况下，自身始终存在一种理性的观察者视角：当自身愤怒时，观察者能提供一种理性的视角，以避免行为造成无法接受的后果。如果能做到这一点，仅仅是愤怒的话又有何不可呢。

观察者模式中这两种视角是低耦合的，而作为普通人，难免经常会将两种视角混淆在一起。

”破山中贼易，破心中贼难“，要让心中始终存在一种理性的智慧，也许还需要在事上学、心上练。把握人性的度量，从而实现“从心所欲而不逾矩”的理想人格。

二、什么是观察者模式？

观察者模式（Observer Pattern）是一种常见的设计模式，属于行为型模式。它定义了一种一对多的依赖关系，使得当一个对象的状态发生改变时，其所有依赖对象（观察者）都会自动收到通知并更新。这种模式常用于事件驱动的系统。

观察者模式的核心概念：

  • 被观察者（Subject）：也称为发布者，它维护着一个观察者列表，当它的状态发生变化时，会通知所有观察者。
  • 观察者（Observer）：也称为订阅者，它订阅了某个被观察者，当被观察者状态发生变化时，它会收到通知并执行相应的操作。

三、观察者模式工作原理

  1. 注册观察者： 观察者向被观察者注册，把自己添加到被观察者的观察者列表中。

  2. 状态改变： 被观察者的状态发生变化。

  3. 通知观察者： 被观察者遍历观察者列表，依次通知所有注册的观察者。

  4. 更新： 观察者收到通知后，根据自己的逻辑进行更新。

四、为什么使用观察者模式？

  1. 低耦合： 被观察者和观察者之间是低耦合的，它们之间不需要知道对方的具体实现细节。

  2. 可扩展性： 可以动态地增加或删除观察者，而不需要修改被观察者或其他观察者的代码。

  3. 复用性： 观察者模式可以被应用于各种场景，提高代码的复用性。

五、实现步骤

以发布订阅为例，需要实现以下三个组件：

  1. Publisher：用于发布订阅事件，承担了观察者模式中的Subject的状态改变功能。
  2. TopicServer：用于中心化管理Topic订阅事件和Subscriber观察者列表，承担了中的Subject的通知功能。
  3. Subscriber：用于订阅Topic，当发布者Publisher发布消息时，订阅服务器TopicServer会通知所有订阅该Topic的订阅者Subscriber。

1. 订阅者类Subscriber

./subscribe/Subscribe.h

#ifndef SUBSCRIBE_H
#define SUBSCRIBE_H
#include <string>
namespace Observer
{class Subscriber{public:virtual ~Subscriber() = default;virtual void Update(const std::string &topic, const std::string &message) = 0;};
}
#endif

./subscribe/SubscribeImpl.h

#ifndef SUBSCRIBEIMPL_H
#define SUBSCRIBEIMPL_H
#include <Subscriber.h>
namespace Observer
{class SubscriberImpl : public Subscriber{public:explicit SubscriberImpl(const std::string& subscriberName);~SubscriberImpl() override;void Update(const std::string &topic, const std::string &message) override;private:std::string m_name;};
}
#endif

./subscribe/SubscribeImpl.cpp

#include <SubscriberImpl.h>
#include <iostream>
using namespace Observer;SubscriberImpl::SubscriberImpl(const std::string& subscriberName) : m_name(subscriberName) {}SubscriberImpl::~SubscriberImpl() {}void SubscriberImpl::Update(const std::string &topic, const std::string &message)
{std::cout << "Subscriber [" << m_name << "] received message on topic [" << topic << "]: " << message << std::endl;
}

2. 发布订阅中心类TopicServer

./topicServer/TopicServer.h

#ifndef TOPICSERVER_H
#define TOPICSERVER_H
#include <string>
#include <memory>
#include <Subscriber.h>
namespace Observer
{class TopicServer{public:virtual ~TopicServer() = default;virtual void Subscribe(const std::string& topic, std::shared_ptr<Subscriber> subscriber) = 0;virtual void Unsubscribe(const std::string& topic, std::shared_ptr<Subscriber> subscriber) = 0;virtual void Notify(const std::string& topic, const std::string& message) = 0;};
}
#endif

./topicServer/TopicServerImpl.h

#ifndef TOPICSERVERIMPL_H
#define TOPICSERVERIMPL_H
#include <TopicServer.h>
#include <unordered_map>
#include <vector>
namespace Observer
{class TopicServerImpl : public TopicServer{public:explicit TopicServerImpl();~TopicServerImpl() override;void Subscribe(const std::string& topic, std::shared_ptr<Subscriber> subscriber) override;void Unsubscribe(const std::string& topic, std::shared_ptr<Subscriber> subscriber) override;void Notify(const std::string& topic, const std::string& message) override;private:std::unordered_map<std::string, std::vector<std::shared_ptr<Subscriber>>> m_topicSubscriber;};
}
#endif

./topicServer/TopicServerImpl.cpp

#include <TopicServerImpl.h>
#include <algorithm>
using namespace Observer;TopicServerImpl::TopicServerImpl() {}TopicServerImpl::~TopicServerImpl() {}void TopicServerImpl::Subscribe(const std::string& topic, std::shared_ptr<Subscriber> subscriber)
{m_topicSubscriber[topic].push_back(subscriber);
}void TopicServerImpl::Unsubscribe(const std::string& topic, std::shared_ptr<Subscriber> subscriber)
{auto& subscribersList = m_topicSubscriber[topic];auto itBegin = std::remove(subscribersList.begin(), subscribersList.end(), subscriber);subscribersList.erase(itBegin, subscribersList.end());if (subscribersList.size() == 0) {m_topicSubscriber.erase(topic);}
}void TopicServerImpl::Notify(const std::string& topic, const std::string& message)
{if (m_topicSubscriber.contains(topic)) {for (auto subscriber : m_topicSubscriber[topic]) {subscriber->Update(topic, message);}}
}

3. 发布者类Publisher

./publisher/Publisher.h

#ifndef PUBLISHER_H
#define PUBLISHER_H
#include <string>
namespace Observer
{class Publisher{public:virtual ~Publisher() = default;virtual void PublishMessage(const std::string& topic, const std::string& message) = 0;};
}
#endif

/publisher/PublisherImpl.h

#ifndef PUBLISHERIMPL_H
#define PUBLISHERIMPL_H
#include <Publisher.h>
#include <TopicServer.h>
#include <memory>
namespace Observer
{class PublisherImpl : public Publisher{public:explicit PublisherImpl(std::shared_ptr<TopicServer> topicServer);~PublisherImpl() override;void PublishMessage(const std::string& topic, const std::string& message) override;private:std::shared_ptr<TopicServer> m_server;};
}
#endif

/publisher/PublisherImpl.cpp

#include <PublisherImpl.h>
using namespace Observer;PublisherImpl::PublisherImpl(std::shared_ptr<TopicServer> topicServer) : m_server(topicServer) {}PublisherImpl::~PublisherImpl() {}void PublisherImpl::PublishMessage(const std::string& topic, const std::string& message) {m_server->Notify(topic, message);
}

4. main函数调用

./main.cpp

#include <PublisherImpl.h>
#include <TopicServerImpl.h>
#include <SubscriberImpl.h>
namespace {constexpr std::string TOPICA {"TopicA"};constexpr std::string TOPICB {"TopicB"};
}
using namespace Observer;
int main()
{std::shared_ptr<TopicServer> server = std::make_shared<TopicServerImpl>();// 创建观察者std::shared_ptr<Subscriber> subscriber1 = std::make_shared<SubscriberImpl>("subscriber1");std::shared_ptr<Subscriber> subscriber2 = std::make_shared<SubscriberImpl>("subscriber2");std::shared_ptr<Subscriber> subscriber3 = std::make_shared<SubscriberImpl>("subscriber3");std::shared_ptr<Subscriber> subscriber4 = std::make_shared<SubscriberImpl>("subscriber4");// 订阅主题server->Subscribe(TOPICA, subscriber1);server->Subscribe(TOPICA, subscriber2);server->Subscribe(TOPICA, subscriber4);server->Subscribe(TOPICB, subscriber1);server->Subscribe(TOPICB, subscriber3);server->Subscribe(TOPICB, subscriber4);std::shared_ptr<Publisher> publisher = std::make_shared<PublisherImpl>(server);// 发布消息publisher->PublishMessage(TOPICA, "Hello from TopicA!");publisher->PublishMessage(TOPICB, "Greetings from TopicB!");// 移除订阅者server->Unsubscribe(TOPICA, subscriber4);server->Unsubscribe(TOPICB, subscriber4);// 发布消息publisher->PublishMessage(TOPICA, "Update from TopicA after unsubscribe!");publisher->PublishMessage(TOPICB, "Update from TopicB after unsubscribe!");return 0;
}

5. 编写CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
set(ProjectName Observer)
project(${ProjectName})set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED True)include_directories(./publisher./subscriber./topicServer
)file(GLOB LIB_FILEpublisher/*subscriber/*topicServer/*)message(${LIB_FILE})
add_executable(${ProjectName}main.cpp${LIB_FILE})

此时文件树结构如下：

.
├── CMakeLists.txt
├── main.cpp
├── publisher
│   ├── Publisher.h
│   ├── PublisherImpl.cpp
│   └── PublisherImpl.h
├── subscriber
│   ├── Subscriber.h
│   ├── SubscriberImpl.cpp
│   └── SubscriberImpl.h
└── topicServer├── TopicServer.h├── TopicServerImpl.cpp└── TopicServerImpl.h

6. 编译运行

mkdir build
cd build
cmake ..
make -j12
./Observer

运行结果如下

Subscriber [subscriber1] received message on topic [TopicA]: Hello from TopicA!
Subscriber [subscriber2] received message on topic [TopicA]: Hello from TopicA!
Subscriber [subscriber4] received message on topic [TopicA]: Hello from TopicA!
Subscriber [subscriber1] received message on topic [TopicB]: Greetings from TopicB!
Subscriber [subscriber3] received message on topic [TopicB]: Greetings from TopicB!
Subscriber [subscriber4] received message on topic [TopicB]: Greetings from TopicB!
Subscriber [subscriber1] received message on topic [TopicA]: Update from TopicA after unsubscribe!
Subscriber [subscriber2] received message on topic [TopicA]: Update from TopicA after unsubscribe!
Subscriber [subscriber1] received message on topic [TopicB]: Update from TopicB after unsubscribe!
Subscriber [subscriber3] received message on topic [TopicB]: Update from TopicB after unsubscribe!

运行结果说明：

订阅了TOPICA的subscriber1、subscriber2、subscriber4均收到了Publisher发布的Hello from TopicA!

订阅了TOPICB的subscriber1、subscriber3、subscriber4均收到了Publisher发布的Greetings from TopicB!

subscriber4对TOPICA和TOPICB去订阅后，再次发布消息则只有subscriber1、subscriber2、subscriber3能收到订阅信息

本文基于观察者模式，侧重于于阐述设计模式的核心思想，实现了一个简化的发布订阅系统。这种设计模式在实际生产环境中，往往需要更复杂的实现，比如涉及到不同进程之间的通信、负载均衡等，以满足高并发、高可用性的要求。

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