【C++设计模式】观察者模式（1/2）：从基础到优化实现

1. 引言

在 C++ 软件与设计系列课程中，观察者模式是一个重要的设计模式。本系列课程旨在深入探讨该模式的实现与优化。在之前的课程里，我们已对观察者模式有了初步认识，本次将在前两次课程的基础上，进一步深入研究，着重解决观察者生命周期问题，提升代码的安全性、灵活性、可维护性和扩展性。

2. 观察者模式基础回顾

2.1 基本概念

观察者模式包含主题（Subject）和观察者（Observer）两个核心概念。主题负责管理观察者列表，当主题发生有趣的事情时，会通知列表中的所有观察者。观察者则关注主题的状态变化，当收到通知时会做出相应的反应。

2.2 首次实现

首次实现中，我们创建了主题和观察者类。主题类可以添加、移除观察者，并在状态变化时通知所有观察者。使用 std::forward_list 存储观察者指针，通过遍历列表调用每个观察者的 notify 函数。示例代码创建了一个主题和三个观察者，展示了添加、通知和移除观察者的过程。

#include <iostream>
#include <forward_list>// 观察者类
class Observer {
public:virtual void notify() = 0;virtual ~Observer() = default;
};// 主题类
class Subject {
private:std::forward_list<Observer*> observers;
public:void addObserver(Observer* observer) {observers.push_front(observer);}void removeObserver(Observer* observer) {observers.remove(observer);}void notifyAll() {for (auto observer : observers) {observer->notify();}}
};// 具体观察者类
class ConcreteObserver : public Observer {
public:void notify() override {std::cout << "ConcreteObserver notified." << std::endl;}
};

2.3 首次实现的优缺点

优点是基本实现了观察者模式的功能，逻辑较为清晰。缺点是灵活性不足，若要创建更多的观察者和主题，需要创建不同的具体类，缺乏扩展性。

3. 改进实现：添加接口提升扩展性

3.1 改进思路

为了提高代码的灵活性和可扩展性，第二次实现为主题和观察者添加了接口。在 C++ 中，通过创建基类（类似抽象类）来实现接口的功能。

3.2 主题接口（ISubject）和观察者接口（IObserver）

// 观察者接口
class IObserver {
public:virtual void onNotify() = 0;virtual ~IObserver() = default;
};// 主题接口
class ISubject {
public:virtual void attach(IObserver* observer) = 0;virtual void detach(IObserver* observer) = 0;virtual void notifyAll() = 0;virtual ~ISubject() = default;
};

3.3 具体实现类

3.3.1 具体观察者类（Watcher）

#include <iostream>
#include <string>class Watcher : public IObserver {
private:std::string m_name;
public:explicit Watcher(const std::string& name) : m_name(name) {}void onNotify() override {std::cout << "Watcher - " << m_name << std::endl;}
};

3.3.2 具体主题类（SomeSubject）

#include <forward_list>class SomeSubject : public ISubject {
private:std::forward_list<IObserver*> m_observers;
public:void attach(IObserver* observer) override {m_observers.push_front(observer);}void detach(IObserver* observer) override {m_observers.remove(observer);}void notifyAll() override {for (auto observer : m_observers) {observer->onNotify();}}
};

3.4 测试代码

int main() {SomeSubject subject;Watcher watcher1("Watcher-1");Watcher watcher2("Watcher-2");Watcher watcher3("Watcher-3");subject.attach(&watcher1);subject.attach(&watcher2);subject.attach(&watcher3);subject.notifyAll();subject.detach(&watcher3);std::cout << std::endl;subject.notifyAll();return 0;
}

3.5 改进后的优点

通过使用接口，现在可以创建不同类型的主题和观察者类，只要它们继承自相应的接口并实现必要的函数。这使得代码更加灵活，可以轻松扩展以适应不同的需求。同时，接口的引入使得代码结构更加清晰，不同的功能被封装在不同的类中，提高了可维护性。

4. 解决观察者生命周期问题：利用 RAII 技术

4.1 问题提出

在现有代码中，若一个观察者超出作用域被销毁，但仍存在于主题的观察者列表中，当主题调用 notifyAll 时，会尝试访问已销毁的对象，从而导致运行时错误。

4.2 利用 RAII 解决问题

4.2.1 思路

RAII 是 C++ 的重要特性，通过对象的构造和析构自动管理资源。我们可以利用这一特性，在 Watcher 的构造函数中自动将其注册到主题，在析构函数中自动从主题移除，避免手动管理带来的遗漏和错误。

4.2.2 代码实现

#include <string>
#include "ISubject.h"class Watcher : public IObserver {
private:std::string m_name;ISubject& m_subject;
public:explicit Watcher(const std::string& name, ISubject& subject) : m_name(name), m_subject(subject) {m_subject.attach(this);}~Watcher() {m_subject.detach(this);}void onNotify() override {std::cout << "Watcher - " << m_name << std::endl;}
};

4.2.3 修改测试代码

#include "ISubject.h"
#include "IObserver.h"
#include "Watcher.h"
#include <iostream>int main() {SomeSubject subject;Watcher watcher1("Watcher-1", subject);Watcher watcher2("Watcher-2", subject);{Watcher watcher3("Watcher-3", subject);} // watcher3 自动从主题移除subject.notifyAll();return 0;
}

4.3 项目文件分离

在实现过程中，可能会遇到“不完整类型”的编译错误。为解决这个问题，我们将项目分离为不同的头文件和实现文件。将 IObserver、Watcher、ISubject 和 SomeSubject 分别拆分为 .hpp 头文件和 .cpp 实现文件。在 main 函数中包含相应的头文件，确保编译器能够获取完整的类型信息。

4.4 测试改进后的代码

修改后的代码编译时不再报错，运行时也能正常工作。即使 Watcher 3 在新的作用域内创建和销毁，主题在通知时也不会出现运行时错误，因为 Watcher 3 已自动从主题的观察者列表中移除。

5. 总结与展望

5.1 总结

通过本次课程，我们从基础的观察者模式实现逐步优化，添加接口提升了代码的灵活性和可维护性，利用 RAII 技术解决了观察者生命周期问题，提高了代码的安全性。关键在于理解观察者模式的核心概念，掌握接口的使用和 RAII 技术的应用。

5.2 展望

当前代码使用了原始指针，可考虑使用智能指针（如 std::unique_ptr）进一步优化，避免内存泄漏。后续课程将继续为观察者模式添加更多功能，完善该设计模式的实现。希望大家能将这些知识应用到实际项目中，提升代码质量。