【C++】观察者模式

一、模式核心概念与结构
[二、C++ 实现示例：股票价格监控系统](#二、C++ 实现示例：股票价格监控系统)
三、观察者模式的关键特性
四、应用场景
五、观察者模式与其他设计模式的关系
[六、C++ 标准库中的观察者模式应用](#六、C++ 标准库中的观察者模式应用)
七、优缺点分析
八、实战案例：气象站监控系统
九、实现注意事项
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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对多依赖关系，使得当一个对象的状态发生变化时，所有依赖它的对象都会得到通知并自动更新。这种模式将发布者（被观察对象）与订阅者（观察者）解耦，使它们可以独立地变化和复用。

一、模式核心概念与结构

观察者模式包含四个核心角色：

主题接口（Subject）：定义添加、删除和通知观察者的接口。
具体主题（Concrete Subject）：维护观察者列表，状态变化时通知所有观察者。
观察者接口（Observer）：定义接收通知的更新接口。
具体观察者（Concrete Observer）：实现更新接口，处理来自主题的通知。

二、C++ 实现示例：股票价格监控系统

以下是一个简单的股票价格监控系统示例，演示如何使用观察者模式实现价格变化通知：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <vector>
#include <algorithm>

// 前向声明
class Observer;

// 主题接口
class Subject {
public:
    virtual ~Subject() = default;
    virtual void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0;
    virtual void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0;
    virtual void notify() = 0;
};

// 观察者接口
class Observer {
public:
    virtual ~Observer() = default;
    virtual void update(double price) = 0;
};

// 具体主题：股票
class Stock : public Subject {
private:
    std::string symbol;
    double price;
    std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers;

public:
    Stock(const std::string& sym, double p) : symbol(sym), price(p) {}
    
    void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {
        observers.push_back(observer);
        std::cout << "Observer attached: " << symbol << std::endl;
    }
    
    void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {
        observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());
        std::cout << "Observer detached: " << symbol << std::endl;
    }
    
    void notify() override {
        std::cout << "Notifying observers about price change in " << symbol << std::endl;
        for (auto& observer : observers) {
            observer->update(price);
        }
    }
    
    void setPrice(double newPrice) {
        if (price != newPrice) {
            price = newPrice;
            notify();
        }
    }
    
    double getPrice() const {
        return price;
    }
    
    std::string getSymbol() const {
        return symbol;
    }
};

// 具体观察者：股票投资者
class Investor : public Observer {
private:
    std::string name;

public:
    Investor(const std::string& n) : name(n) {}
    
    void update(double price) override {
        std::cout << name << " received price update: " << price << std::endl;
    }
};

// 客户端代码
int main() {
    // 创建股票（主题）
    auto appleStock = std::make_shared<Stock>("AAPL", 150.0);
    auto googleStock = std::make_shared<Stock>("GOOGL", 2000.0);
    
    // 创建投资者（观察者）
    auto investor1 = std::make_shared<Investor>("Alice");
    auto investor2 = std::make_shared<Investor>("Bob");
    
    // 注册观察者到主题
    appleStock->attach(investor1);
    appleStock->attach(investor2);
    googleStock->attach(investor1);
    
    // 股票价格变化
    appleStock->setPrice(155.5);
    googleStock->setPrice(2010.25);
    
    // 投资者2不再关注苹果股票
    appleStock->detach(investor2);
    
    // 苹果股票再次变化
    appleStock->setPrice(160.0);
    
    return 0;
}

三、观察者模式的关键特性

松耦合 ：
- 主题和观察者之间仅通过抽象接口交互，降低了耦合度。
一对多依赖 ：
- 一个主题可以有多个观察者，当主题状态变化时，所有观察者都会被通知。
广播通知 ：
- 主题发送通知时不需要知道观察者的具体类型，简化了系统设计。
动态关系 ：
- 运行时可以动态添加或删除观察者，提高了系统灵活性。

四、应用场景

事件系统 ：
- GUI 组件的事件处理（如按钮点击、窗口关闭）。
- 例如，Qt 框架中的信号与槽机制。
状态监控 ：
- 系统状态变化时通知相关组件（如传感器数据更新、股票价格变化）。
发布 - 订阅系统 ：
- 消息队列、实时数据流处理（如 Redis 发布订阅、Kafka）。
MVC 架构 ：
- 模型（Model）作为主题，视图（View）作为观察者，实现数据与显示的分离。

五、观察者模式与其他设计模式的关系

中介者模式 ：
- 中介者模式可以封装观察者和主题之间的交互，使它们不需要直接引用对方。
单例模式 ：
- 主题可以实现为单例，确保系统中只有一个实例被观察。
责任链模式 ：
- 观察者可以形成责任链，按顺序处理通知。

六、C++ 标准库中的观察者模式应用

信号与槽 ：
- Qt 框架中的信号与槽是观察者模式的典型实现。
STL 中的容器和算法 ：
- 容器状态变化时可以通知关联的迭代器或算法。
智能指针 ：
- std::weak_ptr可以观察std::shared_ptr的生命周期，避免悬空指针。

七、优缺点分析

优点：

松耦合：主题和观察者解耦，便于独立修改和扩展。
可复用性：主题和观察者可以独立复用。
动态关系：运行时可以动态添加或删除观察者。
符合开闭原则：新增观察者无需修改主题代码。

缺点：

内存管理风险：如果观察者没有正确注销，可能导致内存泄漏。
通知顺序不确定：多个观察者的通知顺序可能不可预测。
性能问题：大量观察者可能导致通知开销较大。

八、实战案例：气象站监控系统

以下是一个气象站监控系统的实现示例，演示如何使用观察者模式实现气象数据的实时更新：