观察者模式

观察者模式

观察者模式（Observer Pattern）是一种行为设计模式，用于定义对象之间的一对多依赖关系，使得当一个对象（Subject，主题）的状态发生改变时，所有依赖它的对象（Observer，观察者）都会自动收到通知并更新。该模式广泛应用于事件驱动系统、GUI 框架和发布-订阅模型中。

核心概念

观察者模式包含以下主要角色：

• Subject（主题）：维护一个观察者列表，提供注册（attach）和注销（detach）观察者的方法，并在状态变化时通知观察者。
• Observer（观察者）：定义一个更新接口，供主题在状态变化时调用。
• ConcreteSubject（具体主题）：实现主题的具体逻辑，存储状态并在状态变化时通知观察者。
• ConcreteObserver（具体观察者）：实现观察者的更新逻辑，以响应主题的状态变化。

结构图

以下为观察者模式的 UML 类图：

classDiagram class Subject { +attach(Observer o) +detach(Observer o) +notify() } class Observer { <<interface>> +update() } class ConcreteSubject { -state +getState() +setState() } class ConcreteObserver { -subject +update() } Subject <|-- ConcreteSubject Observer <|-- ConcreteObserver Subject "1" *-- "0..*" Observer ConcreteObserver --> ConcreteSubject

代码示例

以下是一个简单的 Python 实现示例，展示观察者模式的基本结构：

from abc import ABC, abstractmethod

# 观察者接口
class Observer(ABC):
    @abstractmethod
    def update(self, subject):
        pass

# 主题基类
class Subject:
    def __init__(self):
        self._observers = []

    def attach(self, observer):
        if observer not in self._observers:
            self._observers.append(observer)

    def detach(self, observer):
        self._observers.remove(observer)

    def notify(self):
        for observer in self._observers:
            observer.update(self)

# 具体主题：温度传感器
class TemperatureSensor(Subject):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self._temperature = 0

    @property
    def temperature(self):
        return self._temperature

    @temperature.setter
    def temperature(self, value):
        self._temperature = value
        self.notify()  # 温度变化时通知观察者

# 具体观察者：显示屏
class Display(Observer):
    def update(self, subject):
        print(f"温度更新：{subject.temperature}°C")

# 使用示例
sensor = TemperatureSensor()
display = Display()
sensor.attach(display)

sensor.temperature = 25  # 输出：温度更新：25°C
sensor.temperature = 30  # 输出：温度更新：30°C

输出：

温度更新：25°C
温度更新：30°C

实际应用场景

观察者模式在以下场景中非常有用：

• GUI 事件处理：如按钮点击事件通知多个监听器。
• 发布-订阅系统：如消息队列、新闻推送。
• 数据监控：如传感器数据变化时更新多个显示组件。
• MVC 架构：模型（Model）变化时自动更新视图（View）。

案例：股票价格通知

假设有一个股票交易系统，当某只股票价格变化时，所有订阅该股票的投资者都会收到通知。

class Stock(Subject):
    def __init__(self, symbol, price):
        super().__init__()
        self.symbol = symbol
        self._price = price

    @property
    def price(self):
        return self._price

    @price.setter
    def price(self, value):
        self._price = value
        self.notify()

class Investor(Observer):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def update(self, subject):
        print(f"{self.name} 收到通知：{subject.symbol} 最新价格 {subject.price}")

# 使用示例
apple = Stock("AAPL", 150)
investor1 = Investor("张三")
investor2 = Investor("李四")

apple.attach(investor1)
apple.attach(investor2)

apple.price = 155  # 价格变化，通知所有投资者

输出：

张三 收到通知：AAPL 最新价格 155
李四 收到通知：AAPL 最新价格 155

优缺点

优点：

• 松耦合：主题和观察者之间依赖最小化。
• 动态订阅：观察者可随时注册或注销。
• 广播通信：主题可一次性通知多个观察者。

缺点：

• 通知顺序不确定：观察者更新顺序可能影响系统行为。
• 性能问题：大量观察者可能导致通知延迟。

数学表示

观察者模式可以形式化表示为： $\{\begin{array}{l}\text{Subject}=(O,S)\\ {\text{Observer}}_i.\text{update}()\mathrm{\forall }i\in O\text{当}S\text{变化}\end{array}$ 其中：

• $O$ 是观察者集合，
• $S$ 是主题状态。

总结

观察者模式是一种强大的设计模式，适用于需要解耦事件源和事件处理逻辑的场景。通过合理使用该模式，可以构建灵活、可扩展的事件驱动系统。