观察者模式详解与C++实现

1. 模式定义

观察者模式（Observer Pattern）是一种行为型设计模式，定义了对象间的一对多依赖关系。当一个对象（被观察者/主题）状态改变时，所有依赖它的对象（观察者）都会自动收到通知并更新。该模式广泛应用于事件处理系统、GUI组件交互和实时数据监控等场景。

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2. 核心思想

解耦：将主题与观察者解耦，使它们可以独立变化
动态订阅：支持观察者随时加入/退出通知列表
自动传播：状态变化时自动触发通知机制

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3. 模式结构

关键角色：

• Subject（主题接口）

  • 维护观察者列表
  • 提供注册/注销方法
  • 定义通知方法notify()

• ConcreteSubject（具体主题）

  • 存储具体状态数据
  • 状态改变时触发通知

• Observer（观察者接口）

  • 定义更新接口update()

• ConcreteObserver（具体观察者）

  • 实现具体的更新逻辑

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4. C++实现示例（气象监测系统）

完整代码实现

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <memory>  // 智能指针支持// 主题接口 --------------------------------------------------
class WeatherStation; // 前向声明class Observer {
public:virtual ~Observer() = default;// 更新方法（推模型：由主题推送数据）virtual void update(float temp, float humidity) = 0;// 更新方法（拉模型：观察者主动获取数据）// virtual void update(const WeatherStation& subject) = 0;
};// 抽象主题 --------------------------------------------------
class Subject {
public:virtual ~Subject() = default;virtual void registerObserver(std::shared_ptr<Observer> o) = 0;virtual void removeObserver(std::shared_ptr<Observer> o) = 0;virtual void notifyObservers() = 0;
};// 具体主题：气象站 -------------------------------------------
class WeatherStation : public Subject {
private:std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers_;float temperature_ = 0.0f;float humidity_ = 0.0f;public:// 注册观察者void registerObserver(std::shared_ptr<Observer> o) override {observers_.push_back(o);std::cout << "[系统] 新的观察者已注册\n";}// 移除观察者void removeObserver(std::shared_ptr<Observer> o) override {auto it = std::remove(observers_.begin(), observers_.end(), o);if(it != observers_.end()) {observers_.erase(it, observers_.end());std::cout << "[系统] 观察者已移除\n";}}// 通知所有观察者（推模型实现）void notifyObservers() override {std::cout << "[系统] 开始通知" << observers_.size() << "个观察者...\n";for(auto& observer : observers_) {observer->update(temperature_, humidity_);}}// 业务方法：更新气象数据void setMeasurements(float temp, float humidity) {this->temperature_ = temp;this->humidity_ = humidity;std::cout << "\n=== 气象站更新数据 ===" << std::endl;notifyObservers();}// 供拉模型使用的数据获取接口float getTemperature() const { return temperature_; }float getHumidity() const { return humidity_; }
};// 具体观察者：手机APP ----------------------------------------
class MobileApp : public Observer {
private:std::string userName_;public:explicit MobileApp(std::string name) : userName_(std::move(name)) {}// 实现更新接口（推模型）void update(float temp, float humidity) override {std::cout << "[手机APP] " << userName_ << "收到更新："<< temp << "°C, " << humidity << "%\n";// 可以在此添加业务逻辑，如触发界面刷新}
};// 具体观察者：户外大屏 ---------------------------------------
class OutdoorScreen : public Observer {
public:void update(float temp, float humidity) override {std::cout << "[户外大屏] 最新天气："<< temp << "°C | 湿度 " << humidity << "%\n";// 实际项目可能包含图形渲染逻辑}
};// 客户端使用 ------------------------------------------------
int main() {// 创建主题WeatherStation station;// 创建观察者（使用智能指针管理）auto user1 = std::make_shared<MobileApp>("张三");auto user2 = std::make_shared<MobileApp>("李四");auto screen = std::make_shared<OutdoorScreen>();// 注册观察者station.registerObserver(user1);station.registerObserver(user2);station.registerObserver(screen);// 模拟数据变化station.setMeasurements(25.5, 60);station.setMeasurements(23.0, 65);// 移除一个观察者station.removeObserver(user2);// 再次更新数据station.setMeasurements(20.0, 70);return 0;
}

代码注释解析

1. 内存管理改进

   • 使用std::shared_ptr智能指针管理观察者对象
   • 防止原始指针可能导致的野指针问题

   std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers_;
   

2. 推模型 vs 拉模型

   • 当前实现为推模型（直接传递数据）
   • 注释部分展示了拉模型的接口设计

   /* 拉模型实现示例
   void update(const WeatherStation& subject) override {float temp = subject.getTemperature();float humidity = subject.getHumidity();// 使用获取的数据...
   }
   */
   

3. 观察者类型多样化

   • 实现不同观察者类型（MobileApp和OutdoorScreen）
   • 展示不同观察者的差异化处理逻辑

4. 安全移除机制

   • 使用std::remove+erase组合安全删除元素
   • 避免迭代器失效问题

   auto it = std::remove(observers_.begin(), observers_.end(), o);
   if(it != observers_.end()) {observers_.erase(it, observers_.end());
   }
   

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5. 模式优劣分析

优势：

• 松耦合：主题无需知道观察者的具体实现
• 动态订阅：运行时随时添加/移除观察者
• 广播通信：支持一对多通知机制

劣势：

• 更新顺序不可控：观察者接收通知的顺序不确定
• 性能损耗：大量观察者时遍历效率低（可考虑异步优化）

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6. 应用场景

1. GUI事件处理
   • 按钮点击事件通知多个控件
2. 实时监控系统
   • 传感器数据变化通知多个终端
3. 发布-订阅系统
   • 消息中间件的核心设计模式
4. 游戏开发
   • 角色状态变化触发多个UI更新

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7. 高级扩展方向

1. 异步通知

   • 使用线程池处理观察者更新

   // 伪代码示例
   void asyncNotify() {std::vector<std::future<void>> futures;for(auto& observer : observers_) {futures.push_back(std::async([&]{observer->update(...);}));}
   }
   

2. 事件过滤

   • 添加事件类型参数，实现选择性通知

   enum class EventType { TEMP_CHANGE, HUMIDITY_CHANGE };
   virtual void update(EventType type, float value);
   

3. 优先级队列

   • 使用优先队列管理观察者

   std::priority_queue<std::shared_ptr<Observer>> pq_;
   

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8. 总结

观察者模式通过建立高效的发布-订阅机制，有效降低了系统组件间的耦合度。在实际应用中需要根据具体需求选择推/拉模型，并注意内存管理和线程安全等问题。