观察者模式 C++

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🌼前言

🌼描述

🎂问题

💪解决方案

🈲现实场景 + 代码

场景1 -- 报纸发行

场景

解释

代码

场景2 -- 气象资料发布

场景3 -- 过红绿灯

🏔观察者 -- 模式结构

🏦观察者 -- 适用情况

🐟实现方式

😖优缺点

🔚与其他模式的联系

---

🌼前言

《Linux多线程服务器端编程 使用muduo C++网络库》第 3 页提到，“本书默认大家已熟知 --观察者模式”，特地来学习

🌼描述

• 观察者模式是一种行为设计模式，允许你定义一种订阅机制，可在对象事件发生时，通知多个 “观察” 该对象的其他对象

• 定义对象间的一种一对多（变化）的依赖关系，以便当一个对象（Subject）的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并自动更新
• 一种行为型的设计模式，QT 中的信号槽就是一种典型的观察者模式

🎂问题

比如你有两种类型的对象：顾客 和 商店。

顾客对某个特定品牌的产品非常感兴趣（比如最新型号的 iphone 手机），该产品很快会在商店里出售。

顾客可以每天到商店里看看 iphone 到货了没。如果最新款 iphone 没到货，大多数到达商店的顾客就会空手而归（浪费资源）

还有个问题是：为了避免 “顾客每天到商店查看到货情况”，商店可以在每次新产品到货时，向 所有顾客 发送邮件，那么部分客户就不用反复前往商店。

但是这会打扰对新产品不感兴趣的顾客。

如何解决呢？

💪解决方案

观察者模式 就此登场：

发布者（publisher）：自身状态的改变，通知到其他对象。

订阅者（subscribers）：希望关注发布者状态变化的对象。

观察者模式中，发布者类拥有自己的  添加订阅机制，每个对象都能订阅或取消订阅发布者事件流

该机制包括：

1）一个用于存储订阅者对象的列表    2）几个用于添加或删除该列表中订阅者的方法

发布者发布通知后，都需要遍历订阅者列表，然后调用每个订阅者对象特定的通知方法

为了解耦订阅者和发布者，所有订阅者都要实现相同接口，发布者只通过接口和订阅者交互

如果有多种不同类型的发布者，而且要求订阅者要兼容所有发布者，那么就让所有发布者拥有相同的接口。

这个接口只需描述几个订阅方法

如此一来，订阅者就可以在不与具体发布者耦合的情况下，通过接口观察发布者的状态

🈲现实场景 + 代码

每个代码都是相似的，不同场景，增加熟练度 

场景1 -- 报纸发行

场景

发布者 -- 出版社

订阅者 -- 渣渣辉

比方说，你订阅了一份报纸，那么就不需要再去报摊查询新出版的报纸了。

出版社（发布者）会在报纸出版后，直接将最新一期报纸寄到你的邮箱。

出版社（发布者）负责维护订阅者列表（ subscriber() ），了解订阅者对哪些报纸感兴趣。

当订阅者不感兴趣后，他们随时可以从该列表退出。

解释

解释1 -- 代码中的接口

1. ISubscriber 和 IPublisher 是两个接口，定义了订阅者和出版者的基本行为。这两个接口是基类。

2. ISubscriber 接口定义了一个 Update 方法，这是具体订阅者需要实现的方法，用于接收来自出版者的消息。

3. IPublisher 接口定义了 Attach、Detach 和 Notify 方法，分别用于添加订阅者、移除订阅者和通知所有订阅者。

4. Publisher 是 IPublisher 的子类，实现了 IPublisher 接口的所有方法。它维护了一个订阅者列表，并在有新消息时通知所有订阅者。

5. Subscriber 是 ISubscriber 的子类，实现了 ISubscriber 接口的 Update 方法。它保存了一个出版者的引用，并可以从出版者的订阅者列表中添加或移除自己。

6. 在 ClientCode 函数中，创建了一个 Publisher 对象和多个 Subscriber 对象，并通过 Attach 和 Detach 方法管理订阅者列表。当 Publisher 有新消息时，所有在订阅者列表中的 Subscriber 都会收到通知。

总的来说，ISubscriber 和 IPublisher 是基类，定义了一组行为Subscriber 和 Publisher 是子类，实现了这些行为。这是典型的面向对象设计，通过接口和实现分离，使得代码更加灵活和可扩展

解释2 -- 整体逻辑

这段代码实现了观察者模式，

其中包含两个接口：ISubscriber（订阅者）和IPublisher（发布者）

具体的订阅者类Subscriber和发布者类Publisher分别实现了这两个接口

ISubscriber接口定义了一个Update方法，接收发布者的消息

IPublisher接口定义了Attach、Detach和Notify方法（添加一个订阅者、删除一个订阅者，通知所有订阅者）

Publisher类中的订阅者列表 list_subscriber_，存储所有订阅者

有新消息时，Publisher 通过 Notify 方法通知所有订阅者

Publisher 的 CreateMessage 方法，创建新消息 + 通知所有订阅者

Subscriber 类在构造函数中将自己添加到 Publisher 的订阅者列表，Update方法接收来自Publisher的消息

Subscriber 的 RemoveMeFromTheList()，从Publisher的订阅者列表中删除自己

main函数中，创建了一个Publisher对象和三个Subscriber对象

Publisher发布了几条消息，Subscriber接收并打印出这些消息

解释3 -- Publisher 接口

1）为什么 Subscriber 类需要通过通过统一接口 ISubscriber 实现呢？

是为了使 Publisher类 和 Subscriber类 解耦，具体的说👇

IPublisher接口 只依赖于 ISubscriber 接口，而不是具体的 Subscriber类，所以我们可以在不修改 Publisher类 的情况下，添加新的 Subsriber 类型，只要这个新的 Subscriber 类型实现了 ISubscriber 接口即可（这就是“解耦”） 

2）那么为什么 Publisher 类也需要接口 IPublisher 呢？

比如说，你以后想要创建一个新的 Publisher 类，只需要实现 IPublisher 接口即可

任何依赖 IPublisher 接口的代码，都可以无缝衔接地使用这个新的 Publisher 类 

解释4 -- 类的关系

参考博客👇

UML类图六种关系总结 - 知乎 (zhihu.com)

uml 类图依赖与关联的区别 - 掸尘 - 博客园 (cnblogs.com)

• ​​​​​Publisher 和 ISubscriber 之间是聚合关系
  这就像一个报社（Publisher）和它的订阅者（ISubscriber）之间的关系
  报社是整体，订阅者是部分
  报社可以有很多订阅者，但是即使没有订阅者，报社依然可以存在
  这就是所谓的"has-a"关系。

• Subscriber 实现了 ISubscriber 接口，Publisher 实现了 IPublisher 接口
  这就像一个具体的订阅者（Subscriber）是订阅者接口（ISubscriber）的具体实现，一个具体的报社（Publisher）是报社接口（IPublisher）的具体实现
  这是一种"is-a"关系

• main函数（也就是客户端代码）关联了 Publisher，依赖了 Subscriber
  这就像客户端代码知道报社（Publisher）的存在，并且使用了订阅者（Subscriber）
  这是一种"knows-a"关系和"uses-a"关系
  客户端代码知道报社的存在，可以通过报社发布消息
  同时，客户端代码也使用了订阅者，可以创建订阅者，让订阅者订阅报社的消息

代码

#include <iostream> // 输入输出流库
#include <list> 
#include <string>// 订阅者接口
class ISubscriber {
public:virtual ~ISubscriber(){}; // 虚析构函数// 具体订阅者的更新方法；= 0 纯虚函数，子类必须自己实现virtual void Update(const std::string &message_from_publisher) = 0;
};// 出版社接口
class IPublisher {
public:// 纯虚函数：基类不能被实例化，只能在子类实现// 虚析构 -- 保证子类析构时能够调用基类析构virtual ~IPublisher(){};// 添加订阅者；= 0 子类自己实现virtual void Attach(ISubscriber *subscriber) = 0;// 移除订阅者；= 0 子类自己实现virtual void Detach(ISubscriber *subscriber) = 0;// 通知所有订阅者；= 0 子类自己实现virtual void Notify() = 0;
};// 具体出版社类
class Publisher : public IPublisher {
public:virtual ~Publisher() { // 析构std::cout << std::endl;std::cout << "报社要倒闭了！！！" << std::endl;}// override 表示子类覆盖父类的方法 -- 保证方法名和参数一致// 添加 -- 子类实现void Attach(ISubscriber *subscriber) override {list_subscriber_.push_back(subscriber);}// 删除void Detach(ISubscriber *subscriber) override {list_subscriber_.remove(subscriber);}// 通知void Notify() override {std::cout << std::endl;// 订阅者列表迭代器std::list<ISubscriber *>::iterator iterator = list_subscriber_.begin();HowManySubscriber(); // 输出订阅者数量while (iterator != list_subscriber_.end()) {// 更新所有订阅者(*iterator)->Update(message_);++iterator;}}// 创建消息 && 通知订阅者void CreateMessage(std::string message = "Empty") {// Empty 默认值，会被输入值覆盖this->message_ = message;Notify();}// 输出订阅者数量void HowManySubscriber() {std::cout << "有 " << list_subscriber_.size() << " 个傻逼看我的报纸" << std::endl;}// 其他业务逻辑，大事件发生时通知订阅者void SomeBusinessLogic() {this->message_ = "大事件！大事件！"; // 更改消息Notify(); // 通知std::cout << "房价跌到 300 块一平，快点入手！" << std::endl;}private:std::list<ISubscriber *> list_subscriber_; // 订阅者列表std::string message_; // 发送给订阅者的消息
};// 具体的订阅者类
class Subscriber : public ISubscriber {
public:// 构造函数Subscriber(Publisher &publisher) : publisher_(publisher) {this->publisher_.Attach(this); // 添加订阅者std::cout << std::endl;std::cout << "O(∩_∩)O渣渣 "<< ++Subscriber::static_number_ << " 号订阅了报纸" << std::endl;this->number_ = Subscriber::static_number_; // 订阅者编号}virtual ~Subscriber() {std::cout << std::endl;std::cout << "垃圾报纸，毁我青春，注销 " << this->number_ << " 号" << std::endl;}// 用新消息更新订阅者void Update(const std::string &message_from_publisher) override {message_from_publisher_ = message_from_publisher;PrintInfo();}// 从报社的订阅者列表，删除此订阅者void RemoveMeFromTheList() {publisher_.Detach(this);std::cout << std::endl;std::cout << "订阅者 " << number_ << " 不看报纸了" << std::endl;}// 打印新消息void PrintInfo() {std::cout << "订阅者 " << this->number_ << " 号： " << message_from_publisher_ << std::endl;}private:std::string message_from_publisher_; // 来自报社的信息Publisher &publisher_; // 报社的引用static int static_number_; // 订阅者实例的数量int number_; // 订阅者编号/*static 静态成员变量，只有一份拷贝所有实例共享通过类名::静态成员变量名访问类外初始化*/
};// static成员变量，类外初始化
int Subscriber::static_number_ = 0;// 客户端代码
int main() {Publisher *publisher = new Publisher; // 创建报社// 创建 3 个看报纸的人Subscriber *subscriber1 = new Subscriber(*publisher);Subscriber *subscriber2 = new Subscriber(*publisher);Subscriber *subscriber3 = new Subscriber(*publisher);// 报社发布消息 为空publisher->CreateMessage();// 报社发布新消息publisher->CreateMessage("房价又涨了！");// 第 2 个人退出subscriber2->RemoveMeFromTheList(); // 第 4 个人加入Subscriber *subscriber4 = new Subscriber(*publisher);// 发布新消息publisher->CreateMessage("我买了新车！！");// 发布新消息publisher->SomeBusinessLogic(); delete subscriber1;delete subscriber2;delete subscriber3;delete subscriber4;delete publisher; // 报社倒闭return 0;
}

O(∩_∩)O渣渣 1 号订阅了报纸O(∩_∩)O渣渣 2 号订阅了报纸O(∩_∩)O渣渣 3 号订阅了报纸有 3 个傻逼看我的报纸
订阅者 1 号： Empty
订阅者 2 号： Empty
订阅者 3 号： Empty有 3 个傻逼看我的报纸
订阅者 1 号： 房价又涨了！
订阅者 2 号： 房价又涨了！
订阅者 3 号： 房价又涨了！订阅者 2 不看报纸了O(∩_∩)O渣渣 4 号订阅了报纸有 3 个傻逼看我的报纸
订阅者 1 号： 我买了新车！！
订阅者 3 号： 我买了新车！！
订阅者 4 号： 我买了新车！！有 3 个傻逼看我的报纸
订阅者 1 号： 大事件！大事件！
订阅者 3 号： 大事件！大事件！
订阅者 4 号： 大事件！大事件！
房价跌到 300 块一平，快点入手！垃圾报纸，毁我青春，注销 1 号垃圾报纸，毁我青春，注销 2 号垃圾报纸，毁我青春，注销 3 号垃圾报纸，毁我青春，注销 4 号报社要倒闭了！！！

场景2 -- 气象资料发布

IDisplayA 和 IDisplayB 类是订阅者，它们实现了 IDisplay 接口并订阅了 DataCenter 发布的通知。DataCenter 类是发布者，它维护了一个订阅者列表，并在数据变化时通知所有的订阅者

气象站发布气象资料给数据中心，数据中心经过处理，将气象信息更新到两个不同的显示终端（A 和B）

上层：气象站

下层：显示中断

依赖：数据中心

代码2

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// IDisplay是一个抽象基类，定义了观察者的接口
class IDisplay {
public:virtual void show(float temperature) = 0;  // 所有的观察者都需要实现这个方法virtual ~IDisplay() = default;  // 虚析构函数，用于删除派生类的对象
};// IDisplayA是一个观察者，实现了IDisplay的接口
class IDisplayA : public IDisplay {
public:void show(float temperature) override {  // 打印温度信息cout << "Display A: " << temperature << endl;}
};// IDisplayB也是一个观察者，实现了IDisplay的接口
class IDisplayB : public IDisplay {
public:void show(float temperature) override {  // 打印温度信息cout << "Display B: " << temperature << endl;}
};// WeatherData是一个数据类，用于存储天气数据
class WeatherData {// 这里可以添加一些属性和方法，例如温度、湿度等
};// DataCenter是主题，它维护了一个观察者列表，并在状态改变时通知所有的观察者
class DataCenter {
public:void Attach(IDisplay *ob) {  // 添加一个观察者obs.push_back(ob);}void Detach(IDisplay *ob) {  // 删除一个观察者obs.erase(remove(obs.begin(), obs.end(), ob), obs.end());}void Notify() {  // 通知所有的观察者float temper = CalcTemperature();for (auto iter = obs.begin(); iter != obs.end(); iter++) {(*iter)->show(temper);}}private:WeatherData* GetWeatherData() {  // 获取天气数据// 这里可以添加一些代码，例如从数据库或者API获取天气数据return new WeatherData;}float CalcTemperature() {  // 计算温度WeatherData *data = GetWeatherData();float temper = 25.0f;  // 这里只是一个示例，实际的温度应该从WeatherData中获取delete data;return temper;}vector<IDisplay*> obs;  // 观察者列表
};int main() {DataCenter *center = new DataCenter;  // 创建一个DataCenter对象IDisplay *da = new IDisplayA;  // 创建一个IDisplayA对象IDisplay *db = new IDisplayB;  // 创建一个IDisplayB对象center->Attach(da);  // 将IDisplayA添加到观察者列表center->Attach(db);  // 将IDisplayB添加到观察者列表center->Notify();  // 通知所有的观察者delete da;  // 删除IDisplayA对象delete db;  // 删除IDisplayB对象delete center;  // 删除DataCenter对象return 0;
}

场景3 -- 过红绿灯

发布者 -- 红绿灯

订阅者 --  汽车

十字路口汽车等待红绿灯变化

代码3

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;// Observer class, which is an abstract class 
// that other classes can inherit from to become observers
// 订阅者接口 Observer
class Observer {
public:Observer(int num):m_number(num){}// Virtual destructor to ensure correct deletion // when deleting derived classes through a base class pointervirtual ~Observer() {}// Pure virtual function to be implemented by derived classesvirtual void update(bool flag) = 0;
protected:int m_number;
};// Subject class, which is an abstract class 
// that other classes can inherit from to become subjects
// 发布者接口 Subject
class Subject {
public:virtual ~Subject() {}virtual void attach(Observer* observer) = 0;virtual void detach(Observer* observer) = 0;virtual void notify(bool flag) = 0;
protected:vector<Observer*> observers;
};// TrafficLight class, which is a concrete subject 
// that observers can attach to
// 发布者具体实现
class TrafficLight : public Subject {
public:void attach(Observer* observer) override {observers.push_back(observer);}void detach(Observer* observer) override {observers.erase(remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());}// Notify all attached observers with the current statevoid notify(bool flag) override {if (flag) {cout << "Green light, go." << endl;} else {cout << "Red light, stop." << endl;}for (auto observer : observers) {observer->update(flag);}}
};// Car class, which is a concrete observer that can attach to a subject
// 订阅者具体实现
class Car : public Observer {
public:Car(int num) : Observer(num) {}// Update the state of the car based on the state of the traffic lightvoid update(bool flag) override {if (flag) {cout << "Car " << m_number << ": Start." << endl;} else {cout << "Car " << m_number << ": Stop." << endl;}}
};int main() {Subject *subject = new TrafficLight;Observer *car1 = new Car(1);Observer *car2 = new Car(2);// Attach the cars to the traffic lightsubject->attach(car1);subject->attach(car2);// Notify the cars with the state of the traffic lightsubject->notify(true);subject->notify(false);/*一个类有虚函数，那么它应该有一个虚析构函数这样，当删除一个指向派生类对象的基类指针时，派生类的析构函数也会被调用，防止资源泄露*/delete car1;delete car2;delete subject;return 0;
}

Green light, go.
Car 1: Start.
Car 2: Start.
Red light, stop.
Car 1: Stop.
Car 2: Stop.

🏔观察者 -- 模式结构

结合场景1代码，看👇的模式结构图

解释 -- 类图 

- subscriber: Subscriber[]
// 私有 成员变量名: 类型
// subscriber 是类中的一个私有成员变量
// 这个变量的类型是：存储多个 Subscriber 对象的数组

+ subscribe(s: Subscriber)
// 公有 函数名(参数名: 参数类型)

1. 发布者（Publisher）向其他对象发送信息。Notify() 会在报社自身状态改变 或 执行特定函数后发生。Publisher 类中包含 Detach() 和 Attach()，允许订阅者离开或加入。
2. 新事件发生时，报社会遍历订阅列表 list_subscriber_，并调用每个订阅者的 Notify()，该方法在 ISubscriber（订阅者接口）声明。
3. 订阅者接口（ISubscriber）：大多数情况，该接口只包含一个 Update() 方法，该方法拥有多个参数来传递信息。
4. 具体订阅者（Subscriber）：执行一些操作回应发布者的通知。所有具体订阅者都实现了同样的接口，因此发布者不需要与具体的类耦合。
5. 订阅者需要一些上下文信息来正确的更新。所以，发布者要将一些上下文数据，作为 Notify() 的参数传递给订阅者。发布者也可将自身作为参数传递，以便订阅者直接获取数据。
6. 客户端（Client）：分别创建发布者和订阅者，然后为订阅者注册发布者的更新。

🏦观察者 -- 适用情况

1 

• 当一个对象状态的改变，需要改变其他对象；或实际对象是事先未知的或动态变化时，可以用观察者模式
• 比如说，使用图形界面时，用户创建了自定义按钮类，并允许客户端在按钮中注入自定义代码，这样当用户按下按钮，就会触发这些代码

观察者模式允许任何实现了订阅者接口的对象，订阅发布者对象的事件通知

你可以在按钮中添加订阅机制，允许客户端通过自定义订阅类注入自定义代码

2 

当应用中的一些对象必须观察其他对象时，可使用观察者模式

但只能在有限时间或特定情况下使用

订阅列表是动态的，因此订阅者可以随时加入或离开该列表

🐟实现方式

1. 根据业务逻辑，将 观察者模式 拆分为两部分：
   a. 独立于其他代码的核心功能（发布者）
   b. 其他代码（一组订阅者类）
2. 声明订阅者接口：该接口至少应声明一个 update() 方法
3. 声明发布者接口：并定义一些接口用于在列表中添加 / 删除订阅对象（注意！发布者必须且只能通过订阅者接口和订阅对象进行交互）
4. 确定存放实际订阅列表的位置，并实现订阅方法：
   a. 因为所有类型的发布者都一样，那么，列表应该放置在直接扩展自发布者接口（IPublisher）的具体发布者（Publisher）中。具体发布者会扩展 接口类，从而继承所有的订阅行为
   b. 但是，如果你需要在现有的类层次结构中应用观察者模式，最好使用组合的方式：将订阅逻辑放入一个独立的对象，然后让所有实际订阅者使用该对象
5. 创建具体发布者类（Publisher）：每次发生重要事件，发布者都要通过所有订阅者
6. 具体订阅者类（Subscriber）中实现通知更新的方法：
   a. 订阅者需要一些与事件相关的上下文数据，这些数据（message_from_publisher）作为通知方法的参数来传递
   b. 另一种选择：订阅者从通知中获取 所有数据，此时发布者通过更新方法，将自身传递出去
   c. 还有一种不太灵活的方法：通过构造函数，将发布者与订阅者永久联系起来
7. 客户端生成所需的全部订阅者，并到相应发布者完成注册工作

😖优缺点

优点

1，开闭原则

你不用修改任何发布者代码就能引用新的订阅者类（良好的扩展性）

（如果是发布者接口，就能轻松引入发布者类）

2，可以在运行时建立对象之间的联系（稳定的信息更新传递机制）

3，耦合双方依赖于抽象，不需要了解具体

缺点

 1，订阅者（也称观察者）的通知顺序是随机的（所以在设计观察者模式时，不要依赖于订阅者的通知顺序，这回让代码变得脆弱）

a. 订阅者运行时动态注册，那么注册顺序可能会变

b. 部分订阅者的注销，会影响剩下订阅者的通知顺序

c. 发布者可以以任何顺序通知定于这

2，某个订阅者出现卡顿，可能会影响整个进程，一般采用异步机制处理，同时注意线程安全

3，订阅者过多时，挨个通知每个订阅者，耗时较长

🔚与其他模式的联系

责任链模式，命令模式，中介者模式，观察者模式 ---- 是用于处理请求发送者和接收者间的不同连接方式

• 责任链：按照顺序将请求动态传递给一系列的潜在接收者，直至其中一名接收者对请求进行处理
• 命令：在发送者和接收者之间建立单向连接
• 中介者：清除发送者和接收者之间的直接连接，强制它们通过一个中介对象进行间接沟通
• 观察者：允许接收者动态的订阅或取消接收要求

中介者 和 观察者的区别往往很难记住，具体的：

1. 中介者的主要目标是，消除一系列系统组间之间的相互依赖。这些组间依赖于同一个中介者对象
2. 观察者的目标是，在对象间建立动态的单向连接，使得部分对象也可作为其他对象的附属发挥作用
3. 有一种流行的中介者模式的实现，依赖于观察者模式：
   a. 中介者对象担当发布者的角色，其他组件作为订阅者，可以订阅中介者的事件或取消订阅
   b. 当中介者用这种方式实现时，它看起来和观察者一样
4. 你可能会困惑，此时可以采用其他方式来实现中介者。比如，永久的将所有组件链接到同一个中介者对象。这种实现方式和观察者长的很像，但它仍然是中介者模式
5. 假设有一个程序，它所有的组件都变成了发布者，它们之间可以相互建立动态连接。这样程序就没有了中心化的中介者对象，只有一些分布式的观察者

参考文章👇

C++ 观察者模式讲解和代码示例 (refactoringguru.cn)

InterviewGuide大厂面试真题

设计模式之观察者模式(C++)-阿里云开发者社区 (aliyun.com)

观察者模式 (datawhalechina.github.io)

在 IDE 中使用 GitHub Copilot Chat - GitHub 文档