Java观察者模式

介绍

观察者模式是一种行为设计模式，用于在对象之间建立一对多的依赖关系，使得当一个对象（称为主题或被观察者）状态改变时，所有依赖它的对象（称为观察者）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、消息队列等场景。

核心角色

• Subject（主题）：维护观察者列表，提供注册（attach）和注销（detach）方法，以及通知（notify）方法。
• Observer（观察者）：定义更新接口，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，存储状态并触发通知。
• ConcreteObserver（具体观察者）：实现观察者的更新逻辑。

实现示例

以下是一个简单的Java实现示例，模拟天气站（主题）向显示设备（观察者）推送数据更新的场景。

类定义

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

// 主题接口
interface Subject {
    void attach(Observer observer);
    void detach(Observer observer);
    void notifyObservers();
}

// 观察者接口
interface Observer {
    void update(float temperature, float humidity);
}

// 具体主题：天气站
class WeatherStation implements Subject {
    private List<Observer> observers = new ArrayList<>();
    private float temperature;
    private float humidity;

    public void setMeasurements(float temperature, float humidity) {
        this.temperature = temperature;
        this.humidity = humidity;
        notifyObservers();
    }

    @Override
    public void attach(Observer observer) {
        observers.add(observer);
    }

    @Override
    public void detach(Observer observer) {
        observers.remove(observer);
    }

    @Override
    public void notifyObservers() {
        for (Observer observer : observers) {
            observer.update(temperature, humidity);
        }
    }
}

// 具体观察者：显示设备
class DisplayDevice implements Observer {
    private String name;

    public DisplayDevice(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void update(float temperature, float humidity) {
        System.out.printf("[%s] 温度: %.1f°C, 湿度: %.1f%%\n", name, temperature, humidity);
    }
}

使用示例

public class ObserverDemo {
    public static void main(String[] args) {
        WeatherStation station = new WeatherStation();
        DisplayDevice phoneDisplay = new DisplayDevice("手机屏幕");
        DisplayDevice tvDisplay = new DisplayDevice("电视屏幕");

        station.attach(phoneDisplay);
        station.attach(tvDisplay);

        // 模拟数据更新
        station.setMeasurements(25.5f, 60.0f);
        station.setMeasurements(26.0f, 58.5f);

        station.detach(tvDisplay);
        station.setMeasurements(27.2f, 55.0f);
    }
}

输出结果

[手机屏幕] 温度: 25.5°C, 湿度: 60.0%
[电视屏幕] 温度: 25.5°C, 湿度: 60.0%
[手机屏幕] 温度: 26.0°C, 湿度: 58.5%
[电视屏幕] 温度: 26.0°C, 湿度: 58.5%
[手机屏幕] 温度: 27.2°C, 湿度: 55.0%

代码解释

1. WeatherStation 是具体主题，维护观察者列表并通过 setMeasurements() 触发通知。 2. DisplayDevice 是具体观察者，实现 update() 方法以响应状态变化。 3. 当调用 detach(tvDisplay) 后，电视屏幕不再接收更新。

类图

classDiagram class Subject { <<interface>> +attach(Observer) +detach(Observer) +notifyObservers() } class Observer { <<interface>> +update(float, float) } class WeatherStation { -observers: List<Observer> -temperature: float -humidity: float +setMeasurements(float, float) } class DisplayDevice { -name: String +update(float, float) } Subject <|-- WeatherStation Observer <|-- DisplayDevice WeatherStation o-- Observer : observers

实际应用场景

观察者模式在以下场景中尤为有用： 1. GUI事件处理：如按钮点击事件监听。 2. 发布-订阅系统：如消息队列（Kafka、RabbitMQ）。 3. 模型-视图分离：如MVC架构中模型与视图的交互。

Java内置支持

Java通过 java.util.Observable（主题）和 java.util.Observer 接口提供了观察者模式的默认实现（注：Java 9后已标记为废弃，推荐自定义实现）。

数学表达

观察者模式的关系可形式化描述为： $\{\begin{array}{ll}S\to O_1,O_2,\dots ,O_n& \text{(主题维护观察者列表)}\\ S.\text{notify}()\Rightarrow O_i.\text{update}()& \text{(通知触发更新)}\end{array}$

进阶主题

• 推模型 vs 拉模型：观察者可通过参数接收数据（推）或主动从主题拉取数据。
• 线程安全：多线程环境下需对观察者列表进行同步控制。
• Java事件机制：如 java.awt.event 包中的实现。