Java设计模式之观察者模式详解

news2025/6/6 9:09:11

一、观察者模式简介

观察者模式（Observer Pattern）是一种行为型设计模式，它定义了对象之间的一对多依赖关系。当一个对象（主题）的状态发生改变时，所有依赖于它的对象（观察者）都会自动收到通知并更新。这种模式又称为发布-订阅模式，广泛应用于事件监听、消息推送、实时数据更新等场景。

1. 核心思想

观察者模式的核心是解耦。主题（Subject）不需要知道观察者（Observer）的具体实现，只需通过接口进行交互。观察者可以动态注册或取消订阅主题的状态变化，从而实现灵活的扩展性和维护性。

二、观察者模式的结构

观察者模式包含以下四个核心角色：

  1. Subject（主题/被观察者）
    定义注册、删除和通知观察者的接口，维护观察者列表。

  2. ConcreteSubject（具体主题）
    实现Subject接口，管理自身状态，并在状态变化时通知所有观察者。

  3. Observer（观察者）
    定义更新接口，接收主题通知。

  4. ConcreteObserver（具体观察者）
    实现Observer接口，根据主题的状态变化执行具体操作。

三、观察者模式的代码实现

1.简单聊天系统示例

⑴.Subject（主题接口）

// 主题接口
interface ChatRoom {
    void registerUser(User user);
    void removeUser(User user);
    void sendMessage(String message);
}

⑵.Observer(观察者接口)

// 观察者接口
interface User {
    void receiveMessage(String message);
}

⑶.ConcreteSubject(具体主题：聊天室)

// 具体主题：聊天室
class GroupChat implements ChatRoom {
    private List<User> users = new ArrayList<>();
    
    @Override
    public void registerUser(User user) {
        users.add(user);
        System.out.println(user + " 加入了聊天");
    }
    
    @Override
    public void removeUser(User user) {
        users.remove(user);
        System.out.println(user + " 离开了聊天");
    }
    
    @Override
    public void sendMessage(String message) {
        System.out.println("发送消息: " + message);
        for (User user : users) {
            user.receiveMessage(message);
        }
    }
}

⑷.ConcreteObserver(具体观察者：用户)

// 具体观察者：用户
class ChatUser implements User {
    private String name;
    
    public ChatUser(String name) {
        this.name = name;
    }
    
    @Override
    public void receiveMessage(String message) {
        System.out.println(name + " 收到消息: " + message);
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }
}

⑸.主类演示

public class SimpleChatSystem {
    public static void main(String[] args) {
        //创建聊天室
        GroupChat chatroom = new GroupChat();
        //创建用户
        ChatUser zhangsan = new ChatUser("张三");
        ChatUser lisi = new ChatUser("李四");
        ChatUser wangwu = new ChatUser("王五");
        //注册用户到聊天室
        chatroom.registerUser(zhangsan);
        chatroom.registerUser(lisi);
        chatroom.registerUser(wangwu);
        //发送信息
        chatroom.sendMessage("大家好");
        //移除一个用户
        chatroom.removeUser(lisi);
        //再发送一条信息
        chatroom.sendMessage("lisi已经离开");
    }
}

运行结果：

⑹.代码解释

①.核心接口和类

  • ChatRoom 接口：定义了主题的三个核心方法：注册用户、移除用户和发送消息。

  • User 接口：定义了观察者的接收消息方法。

  • GroupChat 类：实现了 ChatRoom 接口，维护一个用户列表，并在有新消息时通知所有用户。

②.具体观察者

  • ChatUser 类：实现了 User 接口，当收到消息时会打印消息内容。

③.主类演示

SimpleChatSystem 类：创建了一个 GroupChat 对象和多个 ChatUser 对象，并模拟了消息的发送过程。每次发送消息时，所有注册的用户都会收到通知。

2.天气预报系统

假设我们有一个天气预报系统，当天气数据发生变化时，需要通知所有注册的显示设备。

首先，定义观察者接口：

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

接下来，定义主题接口：

// 主题接口
public interface Subject {
    void registerObserver(Observer o);
    void removeObserver(Observer o);
    void notifyObservers();
}

然后，实现具体主题类：

// 具体主题类
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class WeatherData implements Subject {
    private List<Observer> observers;
    private float temperature;
    private float humidity;
    private float pressure;

    public WeatherData() {
        observers = new ArrayList<>();
    }

    @Override
    public void registerObserver(Observer o) {
        observers.add(o);
    }

    @Override
    public void removeObserver(Observer o) {
        observers.remove(o);
    }

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

    public void measurementsChanged() {
        notifyObservers();
    }

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

最后，实现具体观察者类：

// 具体观察者类
public class CurrentConditionsDisplay implements Observer {
    private float temperature;
    private float humidity;
    private Subject weatherData;

    public CurrentConditionsDisplay(Subject weatherData) {
        this.weatherData = weatherData;
        weatherData.registerObserver(this);
    }

    @Override
    public void update(float temperature, float humidity, float pressure) {
        this.temperature = temperature;
        this.humidity = humidity;
        display();
    }

    public void display() {
        System.out.println("Current conditions: " + temperature 
            + "F degrees and " + humidity + "% humidity");
    }
}

现在，让我们使用这些类来测试我们的天气系统：

// 测试类
public class WeatherStation {
    public static void main(String[] args) {
        WeatherData weatherData = new WeatherData();
        
        CurrentConditionsDisplay currentDisplay = 
            new CurrentConditionsDisplay(weatherData);
        
        weatherData.setMeasurements(80, 65, 30.4f);
        weatherData.setMeasurements(82, 70, 29.2f);
        weatherData.setMeasurements(78, 90, 29.2f);
    }
}

四、Java 内置的观察者模式支持

Java 提供了内置的观察者模式支持，位于 java.util 包中，包括 Observable 类和 Observer 接口。使用 Java 内置的支持可以简化观察者模式的实现：

import java.util.Observable;
import java.util.Observer;

// 使用Java内置的Observable类
public class WeatherData extends Observable {
    private float temperature;
    private float humidity;
    private float pressure;

    public WeatherData() {}

    public void measurementsChanged() {
        setChanged();
        notifyObservers();
    }

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

    public float getTemperature() {
        return temperature;
    }

    public float getHumidity() {
        return humidity;
    }

    public float getPressure() {
        return pressure;
    }
}

// 使用Java内置的Observer接口
public class CurrentConditionsDisplay implements Observer, DisplayElement {
    Observable observable;
    private float temperature;
    private float humidity;

    public CurrentConditionsDisplay(Observable observable) {
        this.observable = observable;
        observable.addObserver(this);
    }

    @Override
    public void update(Observable obs, Object arg) {
        if (obs instanceof WeatherData) {
            WeatherData weatherData = (WeatherData)obs;
            this.temperature = weatherData.getTemperature();
            this.humidity = weatherData.getHumidity();
            display();
        }
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("Current conditions: " + temperature 
            + "F degrees and " + humidity + "% humidity");
    }
}

五、观察者模式的优缺点

优点：

  • 实现了对象之间的松耦合，主题和观察者可以独立变化和复用。
  • 符合开闭原则，无需修改主题即可增加新的观察者。
  • 支持广播通信，主题可以将通知发送给所有注册的观察者。

缺点：

  • 如果观察者过多，通知所有观察者可能会影响性能。
  • 观察者可能不知道其他观察者的存在，导致调试困难。
  • 如果主题和观察者之间存在循环依赖，可能会导致系统崩溃。

六、观察者模式的应用场景

观察者模式在以下场景中非常有用：

  • 当一个对象的状态变化需要通知其他对象时。
  • 当一个对象需要通知其他对象，而又不希望与这些对象紧密耦合时。
  • 当一个对象的改变需要同时改变其他对象，而不知道具体有多少对象需要改变时。
  • 当一个抽象模型有两个方面，其中一个方面依赖于另一个方面时。

七、总结

观察者模式是一种非常实用的设计模式，它提供了一种对象之间的一对多依赖关系，使得当一个对象的状态发生变化时，所有依赖它的对象都会得到通知并自动更新。Java 提供了内置的支持，使得实现观察者模式变得更加简单。在实际开发中，观察者模式被广泛应用于各种场景，如 GUI 事件处理、消息队列、状态管理等。通过合理使用观察者模式，可以使代码更加灵活、可维护和可扩展。

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