设计模式 Day 4：观察者模式（Observer Pattern）深度解析

程序员JerrySUN2025-04-08 22:03

在经历了前三天的对象创建型设计模式学习之后，今天我们开始进入行为型设计模式 的探索之旅。行为型模式聚焦于对象之间的通信机制与协作方式 ，其中最经典且应用最广泛的就是------观察者模式（Observer Pattern）。本文将用8000字篇幅，从设计哲学、模式原理、多语言实现到企业级应用，全方位解析这个"事件驱动编程基石"。

一、设计模式学习全景回顾

📜 Day 1~3 核心要点提炼

Day 模式 核心思想 典型应用场景 实现难点
1 单例模式 全局唯一实例访问控制 日志系统、配置中心 线程安全与双重检查锁定
2 工厂方法模式 将对象创建延迟到子类工厂 跨数据库驱动兼容 开闭原则的实践
3 抽象工厂模式 创建相关/依赖对象族 跨平台UI组件库 产品族扩展复杂度

知识链提示 ：前三天我们解决了对象创建 的问题，今天开始处理对象行为的协调问题。

二、观察者模式深度剖析

📌 模式定义与本质

官方定义（GoF）：

Define a one-to-many dependency between objects so that when one object changes state, all its dependents are notified and updated automatically.

中文释义：

在对象间建立一种一对多的依赖关系，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。

设计哲学：

  1. 松耦合原则：主题与观察者之间通过抽象接口交互
  2. 开闭原则：新增观察者无需修改主题代码
  3. 事件驱动架构：状态变化触发连锁反应

🌍 现实世界映射模型

场景1：新闻出版系统
  • 出版社（Subject）发行新期刊
  • 订阅用户（Observer）自动收到纸质刊物
  • 新增订阅用户只需登记，无需修改出版社印刷流程
场景2：智能家居系统
  • 温控传感器（Subject）检测到温度变化
  • 空调、加湿器、手机App（Observers）同步响应
  • 新设备接入只需注册监听，不影响传感器核心逻辑
场景3：电商库存预警
  • 商品库存（Subject）数量变化
  • 采购系统、营销系统、物流系统（Observers）触发对应操作
  • 各系统独立升级不影响库存监控机制

三、模式结构全景透视

🧩 UML类图详解

plantuml 复制代码 
@startuml
interface Subject {
    + attach(Observer)
    + detach(Observer)
    + notify()
}

interface Observer {
    + update()
}

class ConcreteSubject {
    - state: int
    + getState(): int
    + setState(int)
}

class ConcreteObserverA {
    - subject: Subject
    + update()
}

class ConcreteObserverB {
    - subject: Subject
    + update()
}

Subject <|-- ConcreteSubject
Observer <|-- ConcreteObserverA
Observer <|-- ConcreteObserverB
ConcreteSubject o-- Observer : observers
ConcreteObserverA --> ConcreteSubject : subject
ConcreteObserverB --> ConcreteSubject : subject
@enduml

角色解析：

组件 职责说明
Subject（抽象主题） 定义添加、删除、通知观察者的接口
ConcreteSubject 维护具体状态，状态变更时触发通知
Observer 定义更新接口，用于接收主题通知
ConcreteObserver 实现更新逻辑，可保存指向具体主题的引用以同步状态

⚙️ 工作原理时序图

plantuml 复制代码 
@startuml
participant Client
participant ConcreteSubject
participant Observer1
participant Observer2

Client -> ConcreteSubject: setState(newState)
ConcreteSubject -> ConcreteSubject: state = newState
ConcreteSubject -> ConcreteSubject: notify()
ConcreteSubject -> Observer1: update()
Observer1 -> ConcreteSubject: getState()
ConcreteSubject --> Observer1: currentState
ConcreteSubject -> Observer2: update()
Observer2 -> ConcreteSubject: getState()
ConcreteSubject --> Observer2: currentState
@enduml

四、多语言实现示例

🐍 Python 实现：气象站预警系统

python 复制代码 
from abc import ABC, abstractmethod
from typing import List

class WeatherStation:
    """具体主题：气象站"""
    def __init__(self):
        self._observers: List[WeatherObserver] = []
        self._temperature = 0.0

    def attach(self, observer: 'WeatherObserver') -> None:
        self._observers.append(observer)

    def detach(self, observer: 'WeatherObserver') -> None:
        self._observers.remove(observer)

    def notify(self) -> None:
        for observer in self._observers:
            observer.update(self)

    @property
    def temperature(self) -> float:
        return self._temperature

    @temperature.setter
    def temperature(self, value: float) -> None:
        self._temperature = value
        self.notify()

class WeatherObserver(ABC):
    """抽象观察者"""
    @abstractmethod
    def update(self, subject: WeatherStation) -> None:
        pass

class MobileApp(WeatherObserver):
    """具体观察者：手机应用"""
    def update(self, subject: WeatherStation) -> None:
        print(f"Mobile App: 当前温度已更新至 {subject.temperature}°C")

class TVDisplay(WeatherObserver):
    """具体观察者：电视显示"""
    def update(self, subject: WeatherStation) -> None:
        print(f"TV Display: 温度变化提醒 → {subject.temperature}摄氏度")

# 客户端调用
if __name__ == "__main__":
    station = WeatherStation()
    
    mobile = MobileApp()
    tv = TVDisplay()
    
    station.attach(mobile)
    station.attach(tv)
    
    station.temperature = 25.5
    station.temperature = 28.0
    
    station.detach(tv)
    station.temperature = 30.2

输出结果：

复制代码 
Mobile App: 当前温度已更新至 25.5°C
TV Display: 温度变化提醒 → 25.5摄氏度
Mobile App: 当前温度已更新至 28.0°C
TV Display: 温度变化提醒 → 28.0摄氏度
Mobile App: 当前温度已更新至 30.2°C

☕ Java 实现：拍卖竞价系统

java 复制代码 
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

interface AuctionListener {
    void onBidAccepted(double price);
}

class AuctionHouse {
    private final List<AuctionListener> listeners = new ArrayList<>();
    private double currentBid = 0.0;

    public void addListener(AuctionListener listener) {
        listeners.add(listener);
    }

    public void removeListener(AuctionListener listener) {
        listeners.remove(listener);
    }

    public void placeBid(double newBid) {
        if (newBid > currentBid) {
            currentBid = newBid;
            notifyListeners();
        }
    }

    private void notifyListeners() {
        for (AuctionListener listener : listeners) {
            listener.onBidAccepted(currentBid);
        }
    }
}

class Bidder implements AuctionListener {
    private final String name;

    public Bidder(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void onBidAccepted(double price) {
        System.out.printf("【%s】收到最新报价：%.2f元%n", name, price);
    }
}

public class AuctionSystem {
    public static void main(String[] args) {
        AuctionHouse house = new AuctionHouse();
        
        Bidder bob = new Bidder("Bob");
        Bidder alice = new Bidder("Alice");
        
        house.addListener(bob);
        house.addListener(alice);
        
        house.placeBid(1000);
        house.placeBid(1500);
        
        house.removeListener(alice);
        house.placeBid(2000);
    }
}

运行结果：

复制代码 
【Bob】收到最新报价：1000.00元
【Alice】收到最新报价：1000.00元
【Bob】收到最新报价：1500.00元
【Alice】收到最新报价：1500.00元
【Bob】收到最新报价：2000.00元

五、模式变体与进阶应用

1. 推模型 vs 拉模型

类型 数据传递方式 优点 缺点
推模型 主题将详细数据通过update参数推送 观察者无需主动请求数据 可能传递不需要的数据
拉模型 观察者从主题主动拉取所需数据 按需获取，减少数据传输量 增加主题与观察者的耦合度

推模型实现示例：

cpp 复制代码 
// 主题接口
class StockSubject {
public:
    virtual void notifyObservers(const std::string& symbol, float price) = 0;
};

// 观察者接口
class StockObserver {
public:
    virtual void onPriceChanged(const std::string& symbol, float price) = 0;
};

拉模型实现示例：

cpp 复制代码 
class StockSubject {
public:
    virtual float getPrice(const std::string& symbol) const = 0;
};

class StockObserver {
public:
    virtual void update(StockSubject* subject) = 0;
};

2. 线程安全观察者模式

多线程环境下的挑战：

  • 观察者注册/注销时的竞态条件
  • 通知过程中观察者列表的修改
  • 观察者处理通知的线程阻塞

解决方案：

java 复制代码 
public class ConcurrentSubject {
    private final CopyOnWriteArrayList<Observer> observers = 
        new CopyOnWriteArrayList<>();
    
    public void addObserver(Observer o) {
        observers.addIfAbsent(o);
    }
    
    public void notifyObservers() {
        for (Observer o : observers) {
            ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
            executor.submit(() -> o.update(this));
        }
    }
}

3. 基于事件总线的全局观察者

架构示意图：

复制代码 
+---------------+     Event     +-----------------+
| Publisher     |------------->|   Event Bus      |
+---------------+              +-----------------+
                                   |  ^
                                   |  |
                                   v  |
                               +-----------------+
                               |   Subscriber    |
                               +-----------------+

TypeScript实现：

typescript 复制代码 
type Handler<T> = (event: T) => void;

class EventBus {
    private handlers = new Map<string, Handler<any>[]>();

    on<T>(eventType: string, handler: Handler<T>) {
        const handlers = this.handlers.get(eventType) || [];
        handlers.push(handler);
        this.handlers.set(eventType, handlers);
    }

    emit<T>(eventType: string, event: T) {
        const handlers = this.handlers.get(eventType);
        handlers?.forEach(h => h(event));
    }
}

// 使用示例
const bus = new EventBus();

bus.on('auction:bid', (price: number) => {
    console.log(`New bid: $${price}`);
});

bus.emit('auction:bid', 2500);

六、企业级应用案例分析

案例1：Spring Framework事件机制

核心组件：

  • ApplicationEvent：所有应用事件的基类
  • ApplicationListener：观察者接口
  • ApplicationEventPublisher：主题角色

典型流程：

  1. 定义自定义事件：
java 复制代码 
public class OrderCreatedEvent extends ApplicationEvent {
    public OrderCreatedEvent(Order source) {
        super(source);
    }
}
  1. 发布事件：
java 复制代码 
@Autowired
ApplicationEventPublisher publisher;

public void createOrder(Order order) {
    // ...业务逻辑
    publisher.publishEvent(new OrderCreatedEvent(order));
}
  1. 监听事件：
java 复制代码 
@Component
public class InventoryUpdateListener 
    implements ApplicationListener<OrderCreatedEvent> {

    @Override
    public void onApplicationEvent(OrderCreatedEvent event) {
        updateInventory(event.getOrder());
    }
}

案例2：Node.js EventEmitter

核心机制：

javascript 复制代码 
const EventEmitter = require('events');

class MyEmitter extends EventEmitter {}

const emitter = new MyEmitter();

// 添加观察者
emitter.on('data', (chunk) => {
    console.log(`Received chunk: ${chunk}`);
});

// 触发事件
setInterval(() => {
    emitter.emit('data', Date.now());
}, 1000);

高级特性：

  • 一次性监听器：emitter.once()
  • 错误处理：error 特殊事件
  • 最大监听数限制：emitter.setMaxListeners()

七、模式对比与选型指南

观察者模式 vs 发布订阅模式

维度 观察者模式 发布订阅模式
耦合度 主题直接持有观察者引用 通过中间渠道完全解耦
通信方式 同步调用 通常异步消息队列
扩展性 适合简单场景 支持复杂路由和过滤
典型实现 Java Observable RabbitMQ、Kafka
性能 高（直接调用） 依赖中间件性能
适用场景 单进程内部通信 分布式系统、跨服务通信

与其他行为模式的关系

  1. 与中介者模式：都处理对象间通信，但中介者集中管理交互
  2. 与责任链模式：观察者广播通知，责任链顺序传递请求
  3. 与策略模式：观察者改变对象间交互方式，策略改变算法

八、今日练习题与详解

题目一：优化股票监控系统（进阶）

需求背景 ：

现有股票监控系统通知效率较低，需要实现：

  1. 支持按股票代码精确订阅
  2. 允许设置价格波动阈值（如TSLA波动超过5%才通知）
  3. 实现观察者优先级机制

参考实现：

python 复制代码 
class SmartStockServer:
    def __init__(self):
        self._subscriptions = defaultdict(dict)  # {symbol: {observer: (threshold, priority)}}
    
    def subscribe(self, symbol, observer, threshold=0, priority=0):
        self._subscriptions[symbol][observer] = (threshold, priority)
    
    def unsubscribe(self, symbol, observer):
        del self._subscriptions[symbol][observer]
    
    def update_price(self, symbol, new_price):
        observers = self._subscriptions.get(symbol, {})
        sorted_observers = sorted(
            observers.items(),
            key=lambda x: -x[1][1]  # 按优先级降序
        )
        
        for observer, (threshold, _) in sorted_observers:
            old_price = observer.last_prices.get(symbol, new_price)
            change = abs(new_price - old_price) / old_price
            if change >= threshold:
                observer.update(symbol, new_price)

题目二：分布式观察者模式设计

场景需求 ：

设计一个跨微服务的订单状态变更通知系统，要求：

  1. 服务间完全解耦
  2. 支持动态增减订阅方
  3. 保证消息可靠性

架构方案：

  1. 使用 Kafka 作为消息中间件
  2. 定义统一事件协议（Protobuf/JSON Schema）
  3. 每个微服务作为独立Consumer Group
  4. 实现幂等处理防止重复消费

事件示例：

protobuf 复制代码 
message OrderEvent {
    string event_id = 1;
    string order_id = 2;
    enum EventType {
        CREATED = 0;
        PAID = 1;
        SHIPPED = 2;
        COMPLETED = 3;
    }
    EventType type = 3;
    google.protobuf.Timestamp occurred_at = 4;
    map<string, string> metadata = 5;
}

九、总结与展望

观察者模式关键点回顾

  1. 核心价值：建立松耦合的对象间动态依赖关系
  2. 实现要点 ：
    • 定义清晰的Subject-Observer接口
    • 管理观察者注册机制
    • 合理选择推/拉模型
  3. 适用场景 ：
    • 事件驱动架构
    • 跨模块状态同步
    • 需要广播通知的场合

行业应用趋势

  1. 响应式编程：RxJS、Reactor等框架的观察者模式扩展
  2. Serverless架构：通过事件触发器实现函数调度
  3. 物联网领域：设备状态变更的实时同步

明日预告：策略模式（Strategy Pattern）------ 算法即对象，动态切换业务逻辑的核心技术。我们将深入探讨：

  • 如何消除复杂的条件分支语句
  • 支付系统多通道选择的最佳实践
  • 与工厂模式的联合应用技巧

本文从基础到进阶，全面解析了观察者模式的设计哲学与实践应用。建议读者结合GitHub上的示例代码进行实战演练，同时思考如何在现有项目中应用该模式解决实际耦合问题。设计模式的学习需要理论与实践并重，才能真正内化为架构设计能力。

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