【C++ | 设计模式】观察者模式的详解与实现

1.概念

观察者模式（Observer Pattern）是一种行为型设计模式，它的核心思想是定义对象间的一对多依赖关系，当一个对象的状态发生变化时，所有依赖于它的对象都会收到通知并自动更新。这个模式在现实生活中非常常见，比如新闻订阅、社交媒体的推送通知等。

举个简单的例子想象一下，你订阅了一个YouTube频道。当这个频道发布新视频时，你就会收到通知。这就是观察者模式的一个实际应用。YouTube频道相当于“被观察者”，你作为订阅者则是“观察者”。

2. 模式结构

UML结构图：

Subject（被观察者/主题）：持有对观察者的引用，可以增加、删除、通知观察者。当它的状态发生变化时，会主动通知所有的观察者。
Observer（观察者）：定义一个接口，用于接收被观察者的通知并更新自身。当被观察者的状态变化时，观察者会接收到通知并执行相关操作。
ConcreteSubject（具体的被观察者）：具体的被观察者对象，通常包含一些重要的数据，当数据发生变化时，会通知观察者。
ConcreteObserver（具体的观察者）：具体的观察者对象，负责实现观察者接口，并在被观察者状态变化时作出响应。

工作流程

订阅/注册：观察者向被观察者注册自己，表示对其状态变化感兴趣。
状态改变：当被观察者的状态发生变化时，它会调用 notify() 方法，通知所有已注册的观察者。
通知/更新：观察者在接收到通知后，调用 update() 方法，从而获取被观察者的最新状态并更新自己的状态。

观察者模式的优点

解耦：观察者和被观察者之间的依赖性很低，它们之间通过接口进行通信，可以轻松地添加、移除观察者，系统的可扩展性强。
灵活性：可以在运行时动态地增加或移除观察者，观察者模式使得观察者的数量、种类都可以变化。
一致性：被观察者可以保证所有观察者的状态和它自身的状态是一致的。

观察者模式的缺点

性能开销：如果观察者数量众多，或者被观察者的状态更新频繁，通知所有观察者可能会带来较大的性能开销。
通知顺序问题：在多个观察者的情况下，通知的顺序可能会影响程序的行为，而观察者模式通常不会对通知顺序做出严格规定。
循环依赖风险：如果被观察者和观察者之间存在复杂的依赖关系，可能会导致循环更新或通知，从而引发问题。

适用场景

状态变化的事件通知：当一个对象的状态变化需要通知其他对象时，例如用户界面的数据绑定。
多级联动更新：多个对象之间需要保持一致性，例如在MVC架构中，模型数据变化需要通知视图更新。
发布-订阅系统：例如消息推送系统，发布者发布消息后，所有订阅者都会收到通知。

现实生活中的例子

新闻订阅：用户订阅某个新闻类别，当有新文章发布时，用户会收到通知。
社交媒体：用户关注某个社交媒体账号，当该账号发布新内容时，用户会收到推送通知。
气象站：气象站采集到新数据后，会通知所有的显示设备更新天气信息。

3.案例代码分析：

案例描述

假设我们有一个天气预报系统，系统有一个气象站（WeatherStation），它可以实时检测温度和湿度。用户可以通过不同的显示设备（如手机App、桌面小部件、电子看板等）查看天气信息。

当气象站检测到天气数据变化时，它会通知所有已注册的显示设备更新显示信息。这就是典型的观察者模式场景：气象站是“被观察者”，而显示设备是“观察者”。

代码实现

下面是使用C++实现的天气预报系统的观察者模式代码，包括详细注释。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>// 观察者接口：定义更新接口，用于接收通知
class Observer {
public:virtual void update(float temperature, float humidity) = 0;  // 更新函数，接收温度和湿度
};// 被观察者接口：定义注册、移除、通知观察者的方法
class Subject {
public:virtual void registerObserver(Observer* o) = 0;  // 注册观察者virtual void removeObserver(Observer* o) = 0;    // 移除观察者virtual void notifyObservers() = 0;              // 通知所有观察者
};// 具体的被观察者：气象站
class WeatherStation : public Subject {
private:std::vector<Observer*> observers;  // 观察者列表float temperature;                 // 当前温度float humidity;                    // 当前湿度public:// 注册观察者void registerObserver(Observer* o) override {observers.push_back(o);}// 移除观察者void removeObserver(Observer* o) override {observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), o), observers.end());}// 通知所有观察者void notifyObservers() override {for (Observer* observer : observers) {observer->update(temperature, humidity);  // 通知每个观察者更新}}// 模拟天气数据的更新void setMeasurements(float temp, float hum) {temperature = temp;humidity = hum;notifyObservers();  // 数据更新后通知观察者}
};// 具体的观察者1：手机App显示器
class PhoneDisplay : public Observer {
public:void update(float temperature, float humidity) override {std::cout << "Phone Display - Temperature: " << temperature << "°C, Humidity: " << humidity << "%\n";}
};// 具体的观察者2：桌面小部件
class DesktopWidget : public Observer {
public:void update(float temperature, float humidity) override {std::cout << "Desktop Widget - Temperature: " << temperature << "°C, Humidity: " << humidity << "%\n";}
};// 具体的观察者3：电子看板
class ElectronicBillboard : public Observer {
public:void update(float temperature, float humidity) override {std::cout << "Electronic Billboard - Temperature: " << temperature << "°C, Humidity: " << humidity << "%\n";}
};int main() {WeatherStation weatherStation;  // 创建气象站对象PhoneDisplay phoneDisplay;      // 创建观察者对象：手机App显示器DesktopWidget desktopWidget;    // 创建观察者对象：桌面小部件ElectronicBillboard billboard;  // 创建观察者对象：电子看板weatherStation.registerObserver(&phoneDisplay);   // 注册观察者到气象站weatherStation.registerObserver(&desktopWidget);weatherStation.registerObserver(&billboard);// 模拟天气数据的更新weatherStation.setMeasurements(25.0f, 65.0f);weatherStation.setMeasurements(30.5f, 70.0f);// 移除一个观察者，模拟观察者取消订阅的情况weatherStation.removeObserver(&desktopWidget);// 再次更新天气数据，观察剩余观察者的反应weatherStation.setMeasurements(28.0f, 55.0f);return 0;
}