C++软件设计模式之观察者模式

观察者模式的动机意图

观察者模式（Observer Pattern）是一种行为型设计模式，它定义了对象之间的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，所有依赖于它的对象都能够自动收到通知并进行相应的更新。

动机意图：

  • 解耦：观察者模式的动机在于解耦对象之间的关系。具体来说，它让一个对象（被观察者或主题）不需要知道具体有哪些对象（观察者）依赖于它，从而降低了对象之间的耦合度。
  • 自动通知：当被观察者的状态发生变化时，所有观察者都会自动收到通知，并执行相应的操作。这种机制使得系统更加灵活，易于扩展和维护。

适用场合

观察者模式适用于以下场景：

  1. 当一个对象的状态变化需要通知其他对象，并且你不知道这些对象的具体数量和类型时。例如，图形用户界面（GUI）中的按钮点击事件，可以通知多个监听器。
  2. 当需要在不修改被观察者代码的情况下，动态添加或删除观察者时。这种情况下，观察者模式可以实现松耦合的设计。
  3. 当一个对象的状态变化会影响多个其他对象，并且这些对象需要根据状态变化自动更新时。例如，股票价格的变化会影响多个投资者的策略。

观察者模式的变体

观察者模式有几种常见的变体，具体取决于通知机制、更新方式以及观察者的管理方式。以下是几种常见的变体：

  1. 推模型（Push Model）：

    • 特点：被观察者主动将状态变化的信息推送给所有观察者。
    • 优点：观察者不需要知道被观察者的内部结构，只需要处理推送过来的数据。
    • 缺点：被观察者需要知道观察者的接口，可能会导致观察者和被观察者之间的耦合。

  2. 拉模型（Pull Model）：

    • 特点：被观察者仅通知观察者状态已发生变化，观察者需要主动去拉取被观察者的具体状态。
    • 优点：观察者可以只拉取自己感兴趣的部分状态，减少不必要的数据传输。
    • 缺点：观察者需要了解被观察者的内部结构。

  3. 事件机制（Event-based Model）：

    • 特点：被观察者通过事件通知观察者，观察者可以订阅特定类型的事件。
    • 优点：可以处理更复杂的事件类型，支持多种事件的订阅和处理。
    • 缺点：实现复杂度较高。

  4. 观察者队列（Observer Queue）：

    • 特点：使用队列来管理观察者，当被观察者状态变化时，将通知放入队列中，观察者从队列中取出通知进行处理。
    • 优点：可以实现异步通知，提高系统的并发性能。
    • 缺点：可能引入额外的复杂性和延迟。

  5. 弱引用观察者（Weak Reference Observer）：

    • 特点：使用弱引用（Weak Reference）来管理观察者，防止观察者对象未被释放时导致的内存泄漏。
    • 优点：可以避免内存泄漏问题。
    • 缺点：需要额外的机制来管理弱引用。

总结

观察者模式通过解耦对象之间的关系，提供了一种灵活且易于扩展的通知机制。它的变体如推模型、拉模型、事件机制等，使得它在不同的场景中可以有不同的实现方式。基于观察者模式的特点，发布-订阅模式、事件驱动架构、MVC模式等软件架构模式在现代软件开发中得到了广泛的应用。这些架构模式不仅提高了系统的灵活性和可维护性，还使得系统在面对变化时能够更加从容应对。

下面是观察者模式的不同变体的C++代码示例，包括推模型、拉模型、事件机制、观察者队列和弱引用观察者。

1. 推模型（Push Model）

在推模型中，被观察者将状态变化的信息主动推送给所有观察者。

示例代码
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>// 观察者接口
class Observer {
public:virtual void update(const std::string& message) = 0;virtual ~Observer() = default;
};// 具体观察者
class ConcreteObserver : public Observer {
public:void update(const std::string& message) override {std::cout << "Observer received message: " << message << std::endl;}
};// 被观察者接口
class Subject {
public:virtual void attach(Observer* observer) = 0;virtual void detach(Observer* observer) = 0;virtual void notify(const std::string& message) = 0;virtual ~Subject() = default;
};// 具体被观察者
class ConcreteSubject : public Subject {
private:std::vector<Observer*> observers;public:void attach(Observer* observer) override {observers.push_back(observer);}void detach(Observer* observer) override {observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());}void notify(const std::string& message) override {for (Observer* observer : observers) {observer->update(message);}}void changeState(const std::string& message) {std::cout << "Subject state changed. Notifying observers..." << std::endl;notify(message);}
};int main() {ConcreteSubject subject;ConcreteObserver observer1;ConcreteObserver observer2;subject.attach(&observer1);subject.attach(&observer2);subject.changeState("Hello Observers!");subject.detach(&observer1);subject.changeState("Hello again!");return 0;
}

2. 拉模型（Pull Model）

在拉模型中，被观察者仅通知观察者状态已发生变化，观察者需要主动去拉取被观察者的具体状态。

示例代码
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>// 被观察者接口
class Subject {
public:virtual std::string getState() const = 0;virtual void notify() = 0;virtual void setState(const std::string& state) = 0;virtual void attach(class Observer* observer) = 0;virtual void detach(class Observer* observer) = 0;virtual ~Subject() = default;
};// 具体被观察者
class ConcreteSubject : public Subject {
private:std::string state;std::vector<class Observer*> observers;public:std::string getState() const override {return state;}void setState(const std::string& state) override {this->state = state;notify();}void attach(Observer* observer) override {observers.push_back(observer);}void detach(Observer* observer) override {observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());}void notify() override {for (Observer* observer : observers) {observer->update();}}
};// 观察者接口
class Observer {
protected:Subject* subject;public:Observer(Subject* subject) : subject(subject) {}virtual void update() = 0;virtual ~Observer() = default;
};// 具体观察者
class ConcreteObserver : public Observer {
public:ConcreteObserver(Subject* subject) : Observer(subject) {}void update() override {std::string state = subject->getState();std::cout << "Observer received state: " << state << std::endl;}
};int main() {ConcreteSubject subject;ConcreteObserver observer1(&subject);ConcreteObserver observer2(&subject);subject.attach(&observer1);subject.attach(&observer2);subject.setState("State 1");subject.detach(&observer1);subject.setState("State 2");return 0;
}

3. 事件机制（Event-based Model）

在事件机制中，被观察者通过事件通知观察者，观察者可以订阅特定类型的事件。

示例代码
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <map>
#include <functional>// 事件类型
enum class EventType {StateChanged,DataUpdated
};// 事件
class Event {
public:EventType type;std::string data;Event(EventType type, const std::string& data) : type(type), data(data) {}
};// 观察者接口
class Observer {
public:virtual void handleEvent(const Event& event) = 0;virtual ~Observer() = default;
};// 具体观察者
class ConcreteObserver : public Observer {
public:void handleEvent(const Event& event) override {std::cout << "Observer received event of type: " << static_cast<int>(event.type)<< " with data: " << event.data << std::endl;}
};// 被观察者接口
class Subject {
private:std::map<EventType, std::vector<Observer*>> eventObservers;public:void attach(EventType type, Observer* observer) {eventObservers[type].push_back(observer);}void detach(EventType type, Observer* observer) {auto& observers = eventObservers[type];observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());}void notify(const Event& event) {auto& observers = eventObservers[event.type];for (Observer* observer : observers) {observer->handleEvent(event);}}void changeState(const std::string& state) {std::cout << "Subject state changed." << std::endl;notify(Event(EventType::StateChanged, state));}void updateData(const std::string& data) {std::cout << "Subject data updated." << std::endl;notify(Event(EventType::DataUpdated, data));}
};int main() {Subject subject;ConcreteObserver observer1;ConcreteObserver observer2;subject.attach(EventType::StateChanged, &observer1);subject.attach(EventType::DataUpdated, &observer2);subject.changeState("New State");subject.updateData("New Data");subject.detach(EventType::StateChanged, &observer1);subject.changeState("Another State");return 0;
}

4. 观察者队列（Observer Queue）

在观察者队列中，使用队列来管理观察者，当被观察者状态变化时，将通知放入队列中，观察者从队列中取出通知进行处理。

示例代码
#include <iostream>
#include <queue>
#include <string>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <condition_variable>// 通知类型
class Notification {
public:virtual void process() = 0;virtual ~Notification() = default;
};// 具体通知
class ConcreteNotification : public Notification {
private:std::string message;public:ConcreteNotification(const std::string& message) : message(message) {}void process() override {std::cout << "Processing notification: " << message << std::endl;}
};// 观察者队列
class ObserverQueue {
private:std::queue<Notification*> queue;std::mutex mutex;std::condition_variable cv;public:void enqueue(Notification* notification) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);queue.push(notification);cv.notify_one();}void processQueue() {while (true) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);cv.wait(lock, [this] { return !queue.empty(); });Notification* notification = queue.front();queue.pop();lock.unlock();notification->process();delete notification;}}
};int main() {ObserverQueue queue;std::thread worker([&queue]() { queue.processQueue(); });queue.enqueue(new ConcreteNotification("Notification 1"));queue.enqueue(new ConcreteNotification("Notification 2"));queue.enqueue(new ConcreteNotification("Notification 3"));worker.join();return 0;
}

5. 弱引用观察者（Weak Reference Observer）

在弱引用观察者中，使用弱引用（Weak Reference）来管理观察者，防止观察者对象未被释放时导致的内存泄漏。

示例代码
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <string>
#include <functional>// 观察者接口
class Observer {
public:virtual void update(const std::string& message) = 0;virtual ~Observer() = default;
};// 具体观察者
class ConcreteObserver : public Observer {
public:void update(const std::string& message) override {std::cout << "Observer received message: " << message << std::endl;}
};// 被观察者接口
class Subject {
public:virtual void attach(std::weak_ptr<Observer> observer) = 0;virtual void notify(const std::string& message) = 0;virtual ~Subject() = default;
};// 具体被观察者
class ConcreteSubject : public Subject {
private:std::vector<std::weak_ptr<Observer>> observers;public:void attach(std::weak_ptr<Observer> observer) override {observers.push_back(observer);}void notify(const std::string& message) override {observers.erase(std::remove_if(observers.begin(), observers.end(),[](const std::weak_ptr<Observer>& observer) {return observer.expired();}), observers.end());for (auto& observer : observers) {if (auto sharedObserver = observer.lock()) {sharedObserver->update(message);}}}void changeState(const std::string& message) {std::cout << "Subject state changed. Notifying observers..." << std::endl;notify(message);}
};int main() {ConcreteSubject subject;auto observer1 = std::make_shared<ConcreteObserver>();auto observer2 = std::make_shared<ConcreteObserver>();subject.attach(observer1);subject.attach(observer2);subject.changeState("Hello Observers!");observer1.reset(); // 释放 observer1subject.changeState("Hello again!");return 0;
}

总结

以上是观察者模式的几种不同变体的C++代码示例。每种变体都有其适用的场景和优缺点，开发者可以根据具体的需求选择合适的实现方式。观察者模式的核心思想是解耦对象之间的关系，并通过通知机制实现对象之间的通信。

基于观察者模式特点的软件架构模式

观察者模式的特性使得它在许多软件架构中都有重要的应用，以下是几种基于观察者模式特点的软件架构模式：

  1. 发布-订阅模式（Publish-Subscribe Pattern）：

    • 特点：发布-订阅模式是观察者模式的一种扩展，它将消息的发送者（发布者）和接收者（订阅者）完全解耦。发布者不需要知道订阅者的存在，订阅者也不需要知道发布者的存在。
    • 应用：常见的应用场景包括消息队列系统（如 Kafka、RabbitMQ）、事件驱动系统等。
    • 优点：系统组件之间的耦合度极低，适合构建分布式系统。

  2. 事件驱动架构（Event-Driven Architecture）：

    • 特点：事件驱动架构是一种基于事件的架构模式，系统中的组件通过事件进行通信。事件的产生和处理通常基于观察者模式。
    • 应用：常见的应用场景包括图形用户界面、分布式系统、微服务架构等。
    • 优点：系统组件可以异步处理事件，提高系统的可扩展性和响应性。

  3. 模型-视图-控制器（MVC）模式：

    • 特点：MVC模式将应用程序分为三个部分：模型（Model）、视图（View）和控制器（Controller）。模型是观察者模式中的被观察者，视图是观察者。当模型的状态发生变化时，视图会自动更新。
    • 应用：常见的应用场景包括Web应用程序、桌面应用程序等。
    • 优点：模型和视图之间的解耦，使得系统更易于维护和扩展。

  4. 观察者-被观察者链（Observer-Observable Chain）：

    • 特点：在这种架构中，观察者和被观察者可以形成一个链式结构，每个被观察者可以同时是观察者。
    • 应用：常见的应用场景包括事件传播链、责任链模式等。
    • 优点：可以实现复杂的事件传播和处理机制。

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