1、观察者模式设计初衷

1.1. 解耦对象之间的依赖关系

在软件系统中，对象之间往往需要相互依赖。例如，视图对象依赖于数据模型对象，来显示最新的数据状态。直接的依赖关系会导致高耦合，增加维护的复杂性和难度。

设计初衷：

• 松耦合设计：观察者模式通过抽象层（Observer接口）来解耦具体的对象。被观察者（Subject）只知道有观察者存在，不需要了解观察者的具体实现。
• 易于扩展：通过接口解耦，可以方便地增加新的观察者而不影响现有的代码，实现开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）。

示例：
一个天气预报系统中，WeatherData类作为被观察者，而CurrentConditionsDisplay、StatisticsDisplay等作为观察者。WeatherData不需要了解具体显示类的实现，只需知道它们实现了Observer接口。

1.2. 允许动态的依赖关系

在运行时，系统的依赖关系可能需要动态变化。例如，用户可能会在运行时订阅或取消订阅某些数据。

设计初衷：

• 动态注册和注销观察者：观察者模式允许在运行时动态地添加和移除观察者，灵活应对变化的需求。
• 灵活性和动态性：被观察者可以在任何时候通知其观察者，无需事先确定所有的观察者。

示例：
在一个股票交易系统中，用户可以随时订阅或取消订阅股票行情。StockData类作为被观察者，当用户订阅时，将其客户端注册为观察者，当用户取消订阅时，将其从观察者列表中移除。

1.3. 自动通知和更新

在一些实时更新的系统中，依赖对象需要在状态变化时自动更新。例如，当数据模型改变时，视图对象需要自动更新以反映最新的数据。

设计初衷：

• 自动通知：被观察者在其状态改变时，自动通知所有注册的观察者，避免手动更新带来的复杂性。
• 一致性：确保所有依赖于被观察者的对象在状态变化后保持一致性，避免数据不同步问题。

示例：
在一个气象站应用中，当气象数据变化时，WeatherData会通知所有的显示组件（观察者），以便它们更新显示最新的气象数据。

1.4 设计初衷的详细说明

1. 对象之间的解耦

问题：
在软件系统中，不同的对象之间往往存在依赖关系。例如，一个数据模型对象（Model）和多个视图对象（View）。当数据模型发生变化时，视图对象需要随之更新。如果每个视图对象都直接依赖于数据模型对象，并且在数据模型中直接调用视图对象的方法，这将导致系统的高耦合，增加维护难度。

解决方案：
通过观察者模式，被观察者（Subject）和观察者（Observer）之间的关系是松耦合的。被观察者只知道有一组观察者实现了某个接口，而不知道具体是什么对象。观察者也只知道被观察者的状态发生了变化，而不知道变化的具体原因。这样就实现了对象之间的解耦。

示例：
在一个气象站应用中，气象数据（WeatherData）是被观察者，而各种显示元素（如当前条件显示、统计显示等）是观察者。气象数据只需要通知观察者数据发生了变化，而具体如何显示是观察者的事情。

2. 动态依赖关系

问题：
系统在运行时可能需要动态地添加或移除依赖关系。例如，在一个实时股票行情系统中，不同的客户端可能在不同的时间段订阅或取消订阅股票行情。

解决方案：
观察者模式允许在运行时动态地注册（添加）或注销（移除）观察者。这使得系统能够灵活地响应不同的需求和变化，而无需在设计时确定所有的依赖关系。

示例：
在一个聊天应用中，当用户加入一个群组时，用户的客户端会成为群组消息的观察者。当用户离开群组时，用户的客户端会被移除出群组消息的观察者列表。

3. 自动更新

问题：
当一个对象的状态变化时，依赖它的所有对象需要同步更新。例如，在一个数据驱动的应用中，当数据模型变化时，所有依赖于该模型的视图都需要更新。

解决方案：
通过观察者模式，当被观察者的状态发生变化时，它会通知所有注册的观察者进行更新。这样，所有依赖于被观察者的对象都能够自动更新，保持系统的一致性。

示例：
在一个股票交易应用中，当股票价格变化时，所有显示该股票价格的视图都会自动更新，以显示最新的价格。

2、实现细节

2.1. Subject 接口和实现

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public interface Subject {void registerObserver(Observer o);void removeObserver(Observer o);void notifyObservers();
}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 o) {observers.add(o);}@Overridepublic void removeObserver(Observer o) {observers.remove(o);}@Overridepublic void notifyObservers() {for (Observer observer : observers) {observer.update(temperature, humidity, pressure);}}public void setMeasurements(float temperature, float humidity, float pressure) {this.temperature = temperature;this.humidity = humidity;this.pressure = pressure;measurementsChanged();}public void measurementsChanged() {notifyObservers();}
}

2.2. Observer 接口和实现

public interface Observer {void update(float temperature, float humidity, float pressure);
}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("Current conditions: " + temperature + "F degrees and " + humidity + "% humidity");}
}

2.3. 主类

public class WeatherStation {public static void main(String[] args) {WeatherData weatherData = new WeatherData();CurrentConditionsDisplay currentDisplay = new CurrentConditionsDisplay(weatherData);weatherData.setMeasurements(80, 65, 30.4f);weatherData.setMeasurements(82, 70, 29.2f);weatherData.setMeasurements(78, 90, 29.2f);}
}

3、主要角色

1. Subject（被观察者/主题）：

   • 保存观察者的列表。
   • 向观察者发送通知。
   • 提供注册和移除观察者的方法。

2. Observer（观察者）：

   • 接收通知并更新状态。
   • 包含一个更新方法，用于被主题通知。

4、关系示意图

+----------+        +-----------+
|  Subject |<------>|  Observer |
+----------+        +-----------+
| attach() |        | update()  |
| detach() |        +-----------+
| notify() |
+----------+

5、Java 实现示例

使用 Java 内置的 Observable 和 Observer

Java 提供了内置的 java.util.Observable 类和 java.util.Observer 接口。

Observable 类

import java.util.Observable;public class WeatherData extends Observable {private float temperature;private float humidity;private float pressure;public void setMeasurements(float temperature, float humidity, float pressure) {this.temperature = temperature;this.humidity = humidity;this.pressure = pressure;measurementsChanged();}public void measurementsChanged() {setChanged();notifyObservers();}public float getTemperature() {return temperature;}public float getHumidity() {return humidity;}public float getPressure() {return pressure;}
}

Observer 接口

import java.util.Observable;
import java.util.Observer;public class CurrentConditionsDisplay implements Observer {private float temperature;private float humidity;public CurrentConditionsDisplay(Observable observable) {observable.addObserver(this);}@Overridepublic void update(Observable obs, Object arg) {if (obs instanceof WeatherData) {WeatherData weatherData = (WeatherData) obs;this.temperature = weatherData.getTemperature();this.humidity = weatherData.getHumidity();display();}}public void display() {System.out.println("Current conditions: " + temperature + "F degrees and " + humidity + "% humidity");}
}

主类

public class WeatherStation {public static void main(String[] args) {WeatherData weatherData = new WeatherData();CurrentConditionsDisplay currentDisplay = new CurrentConditionsDisplay(weatherData);weatherData.setMeasurements(80, 65, 30.4f);weatherData.setMeasurements(82, 70, 29.2f);weatherData.setMeasurements(78, 90, 29.2f);}
}

6、自定义实现 Observer 和 Subject

在现代Java编程中，更推荐使用自定义接口和类实现观察者模式，因为 java.util.Observable 已被标记为过时。

6.1 Subject 接口

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public interface Subject {void registerObserver(Observer o);void removeObserver(Observer o);void notifyObservers();
}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 o) {observers.add(o);}@Overridepublic void removeObserver(Observer o) {int i = observers.indexOf(o);if (i >= 0) {observers.remove(i);}}@Overridepublic void notifyObservers() {for (Observer observer : observers) {observer.update(temperature, humidity, pressure);}}public void setMeasurements(float temperature, float humidity, float pressure) {this.temperature = temperature;this.humidity = humidity;this.pressure = pressure;measurementsChanged();}public void measurementsChanged() {notifyObservers();}
}

6.2 Observer 接口

public interface Observer {void update(float temp, float humidity, float pressure);
}class CurrentConditionsDisplay implements Observer {private float temperature;private float humidity;@Overridepublic void update(float temperature, float humidity, float pressure) {this.temperature = temperature;this.humidity = humidity;display();}public void display() {System.out.println("Current conditions: " + temperature + "F degrees and " + humidity + "% humidity");}
}

主类

public class WeatherStation {public static void main(String[] args) {WeatherData weatherData = new WeatherData();CurrentConditionsDisplay currentDisplay = new CurrentConditionsDisplay();weatherData.registerObserver(currentDisplay);weatherData.setMeasurements(80, 65, 30.4f);weatherData.setMeasurements(82, 70, 29.2f);weatherData.setMeasurements(78, 90, 29.2f);}
}

7、优缺点分析

7.1 优点

1. 松耦合：

   • 观察者和被观察者之间是松耦合的，便于维护和扩展。

2. 动态注册和注销：

   • 可以在运行时动态添加或移除观察者，灵活应对变化的需求。

3. 自动通知：

   • 被观察者状态变化时，会自动通知所有观察者，保持系统的一致性。

7.2 缺点

1. 通知顺序不确定：

   • 观察者接收通知的顺序不确定，可能导致一些时序问题。

2. 内存泄漏：

   • 如果被观察者没有正确地移除不再需要的观察者，可能导致内存泄漏。

3. 性能问题：

   • 如果观察者数量过多，通知过程可能比较耗时，影响性能。

8、总结

观察者模式的设计初衷主要在于解决对象之间的耦合问题，允许动态依赖关系，并自动通知依赖对象进行更新。这些特性使得观察者模式在需要松耦合、动态依赖和自动更新的场景中非常有用。然而，开发者在使用观察者模式时，也需要注意内存泄漏、性能开销等问题，采取适当的优化措施，如使用弱引用和异步通知，来提升系统的健壮性和效率。

通过合理使用观察者模式，可以使系统更加灵活、可维护性更高，并且能够有效地响应变化。这种模式在GUI应用、实时数据更新、发布-订阅系统等场景中得到了广泛应用，是软件设计中的重要模式之一。

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