「聊设计模式」之观察者模式（Observer）

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前言

  设计模式是软件工程领域中经典且重要的概念之一，其作用在于提供一种可复用的解决方案，帮助开发者解决面向对象设计中的常见问题。观察者模式是其中一种常见的设计模式，在实际开发中也得到了广泛的应用。

本文将从原理、实现、使用场景、优缺点、模式实现和测试用例等多方面介绍观察者模式的基本概念和实现方法。

摘要

  观察者模式是一种行为型设计模式，它定义了一种一对多的依赖关系，使得多个观察者对象可以同时监听某一个主题对象，主题对象状态的改变会自动通知所有观察者对象，使他们能够及时做出响应。

观察者模式

  观察者模式的核心是在主题对象和观察者对象之间建立一种松耦合的关系，以便于主题对象状态改变时通知观察者对象做出相应的处理。

概念

  观察者模式是一种行为设计模式，也称为发布-订阅模式。在这种模式中，观察者对象订阅了主题的状态，当主题状态发生变化时，观察者会收到通知并自动更新自己的状态。观察者模式通过解耦主题和观察者的交互，使得主题和观察者可以独立地改变和扩展，从而提高应用程序的灵活性和可扩展性。它是一种常见的设计模式，在面向对象编程中有广泛的应用。

结构

观察者模式包含以下角色：

• 主题（Subject）：也称为被观察者，它是一个具体的对象，通过attach()方法注册观察者，通过notifyObservers()方法通知观察者。
• 观察者（Observer）：也称为观察者，它定义了一个更新接口，当主题状态改变时，得到通知并进行相应的处理。
• 具体主题（ConcreteSubject）：是主题的具体实现对象，它保存着观察者对象的列表，并实现了抽象主题中的方法。
• 具体观察者（ConcreteObserver）：是观察者的具体实现对象，它存储着具体主题的引用，实现了抽象观察者中的更新接口。

如下是观察者模式的UML类图：

  具体来说，在观察者模式中，主题对象包含一个观察者列表，当主题状态发生改变时，会遍历观察者列表，调用观察者的更新接口通知他们状态已经改变。

应用场景

观察者模式通常用于以下场景：

优缺点

  观察者模式是一种行为型设计模式，定义了一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，它的所有依赖者都会收到通知并自动更新状态。

优点包括：

1.松耦合：观察者模式实现了对象之间的松耦合，被观察者和观察者之间的关系被解耦，它们都可以独立地变化。

2.对象的状态更新：观察者模式实现了对象的状态更新，当对象的状态发生变化时，所有依赖它的对象都会收到通知并自动更新状态。

3.拓展性：在观察者模式中，可以很方便地增加或删除观察者，实现拓展性。

缺点包括：

1.观察者模式可能导致事件的洪泛，即被观察者的状态变化导致大量的信息传递和处理，这可能降低程序的性能。

2.可能存在循环依赖问题：当观察者和被观察者之间存在互相依赖时，就会出现循环依赖的问题，这会导致系统的稳定性降低。

3.观察者模式需要考虑开发效率和运行效率两个方面，开发效率较高，但需要考虑如何优化运行效率。

模式实现

  下面通过Java代码实现一个观察者模式的例子，为了简单起见，我们以订单状态变化为例。

主题接口

package com.example.javaDesignPattern.observer;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 14:53
 */
public interface Subject {
    void attach(Observer observer);

    void detach(Observer observer);

    void notifyObservers();
}

具体主题类

package com.example.javaDesignPattern.observer;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 14:54
 */
class OrderSubject implements Subject {
    private List observers = new ArrayList();
    private int state;

    public int getState() {
        return state;
    }

    public void setState(int state) {
        this.state = state;
        notifyObservers();
    }

    @Override
    public void attach(Observer observer) {
        observers.add(observer);
    }

    @Override
    public void detach(Observer observer) {
        observers.remove(observer);
    }

    @Override
    public void notifyObservers() {
        for (Observer observer : observers) {
            observer.update(this);
        }
    }
}

观察者接口

package com.example.javaDesignPattern.observer;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 14:54
 */
public interface Observer {
    void update(Subject subject);
}

具体观察者类

package com.example.javaDesignPattern.observer;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 14:52
 */
public class OrderObserver implements Observer {
    private int state;

    @Override
    public void update(Subject subject) {
        state = ((OrderSubject) subject).getState();
        System.out.println("订单状态发生变化，新状态为：" + state);
    }

    public int getState() {
        return state;
    }

    public void setState(int state) {
        this.state = state;
    }
}

测试用例

package com.example.javaDesignPattern.observer;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 14:52
 */
public class ObserverTest {
    public static void main(String[] args) {
        OrderSubject orderSubject = new OrderSubject();
        OrderObserver orderObserver1 = new OrderObserver();
        OrderObserver orderObserver2 = new OrderObserver();
        orderSubject.attach(orderObserver1);
        orderSubject.attach(orderObserver2);

        orderSubject.setState(1);
        orderSubject.detach(orderObserver1);
        orderSubject.setState(0);
    }
}

执行结果如下：

  在上面的代码中，我们定义了一个Subject接口和一个OrderSubject类来表示主题对象，一个Observer接口和一个OrderObserver类来表示观察者对象。具体来说：

• OrderSubject实现了Subject接口，包含一个observers列表保存了观察者对象，以及一个state保存了状态信息。当state改变时，我们通过notifyObservers()方法遍历observers列表并调用观察者的update()方法通知它们。
• OrderObserver实现了Observer接口，保存了一个state变量，当update()方法被调用时会更新state并输出订单状态变化的信息。

  在测试用例中，我们创建了一个OrderSubject对象并添加了两个观察者（OrderObserver）对象。然后我们通过setState()方法改变OrderSubject的状态，这会触发主题对象通知所有观察者对象。最后我们通过detach()方法移除一个观察者对象，再次调用setState()方法，只有剩下的一个观察者对象会收到通知。

代码方法介绍

• attach(Observer observer)：向主题对象中添加一个观察者对象。
• detach(Observer observer)：从主题对象中移除一个观察者对象。
• notifyObservers()：通知所有观察者对象主题对象状态已经改变。
• update(Subject subject)：观察者对象更新对主题对象状态的响应。

书写测试用例

  在前面的实现代码中已经包含了一个简单的测试用例，这里再介绍一下如何编写测试用例。

  我们可以通过断言来判断观察者对象是否得到了正确的通知。下面是一个简单的测试用例。

package observer;

import com.example.javaDesignPattern.observer.OrderObserver;
import com.example.javaDesignPattern.observer.OrderSubject;
import org.junit.Test;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;

import static org.junit.Assert.assertEquals;

/**
 * @author bug菌
 * @version 1.0
 * @date 2023/9/20 14:57
 */
@SpringBootTest
public class ObserverTest {

    @Test
    public void testObserver() {
        OrderSubject orderSubject = new OrderSubject();
        OrderObserver orderObserver1 = new OrderObserver();
        OrderObserver orderObserver2 = new OrderObserver();
        orderSubject.attach(orderObserver1);
        orderSubject.attach(orderObserver2);

        orderSubject.setState(1);
        assertEquals(orderObserver1.getState(), 1);
        assertEquals(orderObserver2.getState(), 1);

        orderSubject.detach(orderObserver1);
        orderSubject.setState(0);
        assertEquals(orderObserver1.getState(), 1);
        assertEquals(orderObserver2.getState(), 0);
    }
}

  在上面的测试用例中，我们创建了一个OrderSubject对象和两个OrderObserver对象，然后通过attach()方法向OrderSubject对象中添加观察者对象。接着，我们先调用setState()方法改变订单状态，并通过断言来检查两个观察者对象是否得到了正确的通知。最后，我们再通过detach()方法移除一个观察者对象，并再次调用setState()方法，再次通过断言来检查只有剩下的一个观察者对象得到了正确的通知。

测试用例执行结果如下：

测试用例代码解析

这段代码是一个简单的观察者模式的测试代码。

小结

  观察者模式是一种常见的设计模式，可以有效地解耦主题对象和观察者对象之间的关系。在实际开发中，我们可以通过建立基于观察者模式的设计模型来实现复杂的业务逻辑，并通过测试用例来验证基于观察者模式的设计模型的正确性。

附录源码

  如上涉及代码均已上传同步在GitHub，提供给同学们参考性学习。

总结

  本文介绍了观察者模式的基本概念、结构、使用场景、优缺点、实现方法及测试用例等多方面内容。在观察者模式中，主题对象和观察者对象建立了一种松耦合的关系，主题对象状态改变时能够自动通知所有观察者对象做出相应的处理。观察者模式通常用于事件处理、状态监控、消息系统、MVC模式、GUI开发等场景中。观察者模式的优点包括对象状态更新、松耦合和拓展性，缺点包括事件洪泛和循环依赖问题。观察者模式的实现方法包含主题接口、具体主题类、观察者接口和具体观察者类，每个类都实现了相应的方法进行状态更新和通知。对于观察者模式的测试用例，我们可以通过断言来判断观察者对象是否得到了正确的通知。

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