觀察者（Observer）模式又名發(fā)布-訂閱（Publish/Subscribe）模式，是四人組（GoF，即 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides）在1994合著的《設(shè)計模式:可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》中提出的（詳見書中293-313頁）。盡管這種模式已經(jīng)有相當長的歷史，它仍然廣泛適用于各種場景，甚至成為了標準Java庫的一個組成部分。目前雖然已經(jīng)有大量關(guān)于觀察者模式的文章，但它們都專注于在 Java 中的實現(xiàn)，卻忽視了開發(fā)者在Java中使用觀察者模式時遇到的各種問題。

本文的寫作初衷就是為了填補這一空白：本文主要介紹通過使用 Java8 架構(gòu)實現(xiàn)觀察者模式，并在此基礎(chǔ)上進一步探討關(guān)于經(jīng)典模式的復(fù)雜問題，包括匿名內(nèi)部類、lambda 表達式、線程安全以及非平凡耗時長的觀察者實現(xiàn)。本文內(nèi)容雖然并不全面，很多這種模式所涉及的復(fù)雜問題，遠不是一篇文章就能說清的。但是讀完本文，讀者能了解什么是觀察者模式，它在Java中的通用性以及如何處理在 Java 中實現(xiàn)觀察者模式時的一些常見問題。

觀察者模式

根據(jù) GoF 提出的經(jīng)典定義，觀察者模式的主旨是：

定義對象間的一種一對多的依賴關(guān)系，當一個對象的狀態(tài)發(fā)生改變時，所有依賴于它的對象都得到通知并被自動更新。

什么意思呢？很多軟件應(yīng)用中，對象之間的狀態(tài)都是互相依賴的。例如，如果一個應(yīng)用專注于數(shù)值數(shù)據(jù)加工，這個數(shù)據(jù)也許會通過圖形用戶界面（GUI）的表格或圖表來展現(xiàn)或者兩者同時使用，也就是說，當?shù)讓訑?shù)據(jù)更新時，相應(yīng)的 GUI 組件也要更新。問題的關(guān)鍵在于如何做到底層數(shù)據(jù)更新時 GUI 組件也隨之更新，同時盡量減小 GUI 組件和底層數(shù)據(jù)的耦合度。

一種簡單且不可擴展的解決方案是給管理這些底層數(shù)據(jù)的對象該表格和圖像 GUI 組件的引用，使得對象可以在底層數(shù)據(jù)變化時能夠通知 GUI 組件。顯然，對于處理有更多 GUI 組件的復(fù)雜應(yīng)用，這個簡單的解決方案很快顯示出其不足。例如，有20個 GUI 組件都依賴于底層數(shù)據(jù)，那么管理底層數(shù)據(jù)的對象就需要維護指向這20個組件的引用。隨著依賴于相關(guān)數(shù)據(jù)的對象數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)管理和對象之間的耦合度也變得難以控制。

另一個更好的解決方案是允許對象注冊獲取感興趣數(shù)據(jù)更新的權(quán)限，當數(shù)據(jù)變化時，數(shù)據(jù)管理器就會通知這些對象。通俗地說就是，讓感興趣的數(shù)據(jù)對象告訴管理器：“當數(shù)據(jù)變化時請通知我”。此外，這些對象不僅可以注冊獲取更新通知，也可以取消注冊，保證數(shù)據(jù)管理器在數(shù)據(jù)變化時不再通知該對象。在 GoF 的原始定義中，注冊獲取更新的對象叫作“觀察者”（observer），對應(yīng)的數(shù)據(jù)管理器叫作“目標”(Subject)，觀察者感興趣的數(shù)據(jù)叫作“目標狀態(tài)”，注冊過程叫“添加”（attach），撤銷觀察的過程叫“移除”（detach）。前文已經(jīng)提到觀察者模式又叫發(fā)布－訂閱模式，可以理解為客戶訂閱關(guān)于目標的觀察者，當目標狀態(tài)更新時，目標把這些更新發(fā)布給訂閱者（這種設(shè)計模式擴展為通用架構(gòu)，稱為發(fā)布――訂閱架構(gòu)）。這些概念可以用下面的類圖表示：

具體觀察者（ConcereteObserver）用來接收更新的狀態(tài)變化，同時將指向具體主題（ConcereteSubject）的引用傳遞給它的構(gòu)造函數(shù)。這為具體觀察者提供了指向具體主題的引用，在狀態(tài)變化時可由此獲得更新。簡單來說，具體觀察者會被告知主題更新，同時用其構(gòu)造函數(shù)中的引用來獲取具體主題的狀態(tài)，最后將這些檢索狀態(tài)對象存儲在具體觀察者的觀察狀態(tài)（observerState）屬性下。這一過程如下面的序列圖所示：

經(jīng)典模式的專業(yè)化

盡管觀察者模式是通用的，但也有很多專業(yè)化的模式，最常見是以下兩種：

為State對象提供一個參數(shù)，傳給觀察者調(diào)用的Update方法。在經(jīng)典模式下，當觀察者被通知Subject狀態(tài)發(fā)生變化后，會直接從Subject獲得其更新后狀態(tài)。這要求觀察者保存指向獲取狀態(tài)的對象引用。這樣就形成了一個循環(huán)引用，ConcreteSubject的引用指向其觀察者列表，ConcreteObserver的引用指向能獲得主題狀態(tài)的ConcreteSubject。除了獲得更新的狀態(tài)，觀察者和其注冊監(jiān)聽的Subject間并沒有聯(lián)系，觀察者關(guān)心的是State對象，而非Subject本身。也就是說，很多情況下都將ConcreteObserver和ConcreteSubject強行聯(lián)系一起，相反，當ConcreteSubject調(diào)用Update函數(shù)時，將State對象傳遞給ConcreteObserver，二者就無需關(guān)聯(lián)。ConcreteObserver和State對象之間關(guān)聯(lián)減小了觀察者和State之間的依賴程度（關(guān)聯(lián)和依賴的更多區(qū)別請參見Martin Fowler's的文章）。

將Subject抽象類和ConcreteSubject合并到一個 singleSubject類中。多數(shù)情況下，Subject使用抽象類并不會提升程序的靈活性和可擴展性，因此，將這一抽象類和具體類合并簡化了設(shè)計。

這兩個專業(yè)化的模式組合后，其簡化類圖如下：

在這些專業(yè)化的模式中，靜態(tài)類結(jié)構(gòu)大大簡化，類之間的相互作用也得以簡化。此時的序列圖如下：

專業(yè)化模式另一特點是刪除了 ConcreteObserver 的成員變量 observerState。有時候具體觀察者并不需要保存Subject的最新狀態(tài)，而只需要監(jiān)測狀態(tài)更新時 Subject 的狀態(tài)。例如，如果觀察者將成員變量的值更新到標準輸出上，就可以刪除 observerState，這樣一來就刪除了ConcreteObserver和State類之間的關(guān)聯(lián)。

更常見的命名規(guī)則

經(jīng)典模式甚至是前文提到的專業(yè)化模式都用的是attach，detach和observer等術(shù)語，而Java實現(xiàn)中很多都是用的不同的詞典，包括register，unregister，listener等。值得一提的是State是listener需要監(jiān)測變化的所有對象的統(tǒng)稱，狀態(tài)對象的具體名稱需要看觀察者模式用到的場景。例如，在listener監(jiān)聽事件發(fā)生場景下的觀察者模式，已注冊的listener將會在事件發(fā)生時收到通知，此時的狀態(tài)對象就是event，也就是事件是否發(fā)生。

平時實際應(yīng)用中目標的命名很少包含Subject。例如，創(chuàng)建一個關(guān)于動物園的應(yīng)用，注冊多個監(jiān)聽器用于觀察Zoo類，并在新動物進入動物園時收到通知。該案例中的目標是Zoo類，為了和所給問題域保持術(shù)語一致，將不會用到Subject這樣的詞匯，也就是說Zoo類不會命名為ZooSubject。

監(jiān)聽器的命名一般都會跟著Listener后綴，例如前文提到的監(jiān)測新動物加入的監(jiān)聽器會命名為AnimalAddedListener。類似的，register,、unregister和notify等函數(shù)命名常會以其對應(yīng)的監(jiān)聽器名作后綴，例如AnimalAddedListener的register、unregister、notify函數(shù)會被命名為registerAnimalAddedListener、 unregisterAnimalAddedListener和notifyAnimalAddedListeners，需要注意的是notify函數(shù)名的s，因為notify函數(shù)處理的是多個而非單一監(jiān)聽器。

這種命名方式會顯得冗長，而且通常一個subject會注冊多個類型的監(jiān)聽器，如前面提到的動物園的例子，Zoo內(nèi)除了注冊監(jiān)聽動物新增的監(jiān)聽器，還需注冊監(jiān)聽動物減少監(jiān)聽器，此時就會有兩種register函數(shù)：（registerAnimalAddedListener和 registerAnimalRemovedListener，這種方式處理，監(jiān)聽器的類型作為一個限定符，表示其應(yīng)觀察者的類型。另一解決方案是創(chuàng)建一個registerListener函數(shù)然后重載，但是方案一能更方便的知道哪個監(jiān)聽器正在監(jiān)聽，重載是比較小眾的做法。

另一慣用語法是用on前綴而不是update，例如update函數(shù)命名為onAnimalAdded而不是updateAnimalAdded。這種情況在監(jiān)聽器獲得一個序列的通知時更常見，如向list中新增一個動物，但很少用于更新一個單獨的數(shù)據(jù)，比如動物的名字。

接下來本文將使用Java的符號規(guī)則，雖然符號規(guī)則不會改變系統(tǒng)的真實設(shè)計和實現(xiàn)，但是使用其他開發(fā)者都熟悉的術(shù)語是很重要的開發(fā)準則，因此要熟悉上文描述的Java中的觀察者模式符號規(guī)則。下文將在Java8環(huán)境下用一個簡單例子來闡述上述概念。

一個簡單的實例

還是前面提到的動物園的例子，使用Java8的API接口實現(xiàn)一個簡單的系統(tǒng)，說明觀察者模式的基本原理。問題描述為：

創(chuàng)建一個系統(tǒng)zoo，允許用戶監(jiān)聽和撤銷監(jiān)聽添加新對象animal的狀態(tài)，另外再創(chuàng)建一個具體監(jiān)聽器，負責輸出新增動物的name。

根據(jù)前面對觀察者模式的學(xué)習(xí)知道實現(xiàn)這樣的應(yīng)用需要創(chuàng)建4個類，具體是：

Zoo類：即模式中的主題，負責存儲動物園中的所有動物，并在新動物加入時通知所有已注冊的監(jiān)聽器。

Animal類：代表動物對象。

AnimalAddedListener類：即觀察者接口。

PrintNameAnimalAddedListener：具體的觀察者類，負責輸出新增動物的name。

首先我們創(chuàng)建一個Animal類，它是一個包含name成員變量、構(gòu)造函數(shù)、getter和setter方法的簡單Java對象，代碼如下：

public class Animal { private String name;public Animal (String name) {this.name = name;}public String getName () {return this.name;}public void setName (String name) {this.name = name;}}

用這個類代表動物對象，接下來就可以創(chuàng)建AnimalAddedListener接口了：

public interface AnimalAddedListener { public void onAnimalAdded (Animal animal);}

前面兩個類很簡單，就不再詳細介紹，接下來創(chuàng)建Zoo類：

public class Zoo { private List<Animal> animals = new ArrayList<>();private List<AnimalAddedListener> listeners = new ArrayList<>();public void addAnimal (Animal animal) {// Add the animal to the list of animalsthis.animals.add(animal);// Notify the list of registered listenersthis.notifyAnimalAddedListeners(animal);}public void registerAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {// Add the listener to the list of registered listenersthis.listeners.add(listener);}public void unregisterAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {// Remove the listener from the list of the registered listenersthis.listeners.remove(listener);}protected void notifyAnimalAddedListeners (Animal animal) {// Notify each of the listeners in the list of registered listenersthis.listeners.forEach(listener -> listener.updateAnimalAdded(animal));}}

這個類比前面兩個都復(fù)雜，其包含兩個list，一個用來存儲動物園中所有動物，另一個用來存儲所有的監(jiān)聽器，鑒于animals和listener集合存儲的對象都很簡單，本文選擇了ArrayList來存儲。存儲監(jiān)聽器的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要視問題而定，比如對于這里的動物園問題，如果監(jiān)聽器有優(yōu)先級，那就應(yīng)該選擇其他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或者重寫監(jiān)聽器的register算法。

注冊和移除的實現(xiàn)都是簡單的委托方式：各個監(jiān)聽器作為參數(shù)從監(jiān)聽者的監(jiān)聽列表增加或者移除。notify函數(shù)的實現(xiàn)與觀察者模式的標準格式稍微偏離，它包括輸入?yún)?shù)：新增加的animal，這樣一來notify函數(shù)就可以把新增加的animal引用傳遞給監(jiān)聽器了。用streams API的forEach函數(shù)遍歷監(jiān)聽器，對每個監(jiān)聽器執(zhí)行theonAnimalAdded函數(shù)。

在addAnimal函數(shù)中，新增的animal對象和監(jiān)聽器各自添加到對應(yīng)list。如果不考慮通知過程的復(fù)雜性，這一邏輯應(yīng)包含在方便調(diào)用的方法中，只需要傳入指向新增animal對象的引用即可，這就是通知監(jiān)聽器的邏輯實現(xiàn)封裝在notifyAnimalAddedListeners函數(shù)中的原因，這一點在addAnimal的實現(xiàn)中也提到過。

除了notify函數(shù)的邏輯問題，需要強調(diào)一下對notify函數(shù)可見性的爭議問題。在經(jīng)典的觀察者模型中，如GoF在設(shè)計模式一書中第301頁所說，notify函數(shù)是public型的，然而盡管在經(jīng)典模式中用到，這并不意味著必須是public的。選擇可見性應(yīng)該基于應(yīng)用，例如本文的動物園的例子，notify函數(shù)是protected類型，并不要求每個對象都可以發(fā)起一個注冊觀察者的通知，只需保證對象能從父類繼承該功能即可。當然，也并非完全如此，需要弄清楚哪些類可以激活notify函數(shù)，然后再由此確定函數(shù)的可見性。

接下來需要實現(xiàn)PrintNameAnimalAddedListener類，這個類用System.out.println方法將新增動物的name輸出，具體代碼如下：

public class PrintNameAnimalAddedListener implements AnimalAddedListener { @Overridepublic void updateAnimalAdded (Animal animal) {// Print the name of the newly added animalSystem.out.println("Added a new animal with name '" + animal.getName() + "'");}}

最后要實現(xiàn)驅(qū)動應(yīng)用的主函數(shù)：

public class Main { public static void main (String[] args) {// Create the zoo to store animalsZoo zoo = new Zoo();// Register a listener to be notified when an animal is addedzoo.registerAnimalAddedListener(new PrintNameAnimalAddedListener());// Add an animal notify the registered listenerszoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));}}

主函數(shù)只是簡單的創(chuàng)建了一個zoo對象，注冊了一個輸出動物name的監(jiān)聽器，并新建了一個animal對象以觸發(fā)已注冊的監(jiān)聽器，最后的輸出為：

Added a new animal with name 'Tiger'

新增監(jiān)聽器

當監(jiān)聽器重新建立并將其添加到Subject時，觀察者模式的優(yōu)勢就充分顯示出來。例如，想添加一個計算動物園中動物總數(shù)的監(jiān)聽器，只需要新建一個具體的監(jiān)聽器類并注冊到Zoo類即可，而無需對zoo類做任何修改。添加計數(shù)監(jiān)聽器CountingAnimalAddedListener代碼如下：

public class CountingAnimalAddedListener implements AnimalAddedListener { private static int animalsAddedCount = 0;@Overridepublic void updateAnimalAdded (Animal animal) {// Increment the number of animalsanimalsAddedCount++;// Print the number of animalsSystem.out.println("Total animals added: " + animalsAddedCount);}}

修改后的main函數(shù)如下：

public class Main { public static void main (String[] args) {// Create the zoo to store animalsZoo zoo = new Zoo();// Register listeners to be notified when an animal is addedzoo.registerAnimalAddedListener(new PrintNameAnimalAddedListener());zoo.registerAnimalAddedListener(new CountingAnimalAddedListener());// Add an animal notify the registered listenerszoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));zoo.addAnimal(new Animal("Lion"));zoo.addAnimal(new Animal("Bear"));}}

輸出結(jié)果為：

Added a new animal with name 'Tiger' Total animals added: 1 Added a new animal with name 'Lion' Total animals added: 2 Added a new animal with name 'Bear' Total animals added: 3 

使用者可在僅修改監(jiān)聽器注冊代碼的情況下，創(chuàng)建任意監(jiān)聽器。具有此可擴展性主要是因為Subject和觀察者接口關(guān)聯(lián)，而不是直接和ConcreteObserver關(guān)聯(lián)。只要接口不被修改，調(diào)用接口的Subject就無需修改。

匿名內(nèi)部類，Lambda函數(shù)和監(jiān)聽器注冊

Java8的一大改進是增加了功能特性，如增加了lambda函數(shù)。在引進lambda函數(shù)之前，Java通過匿名內(nèi)部類提供了類似的功能，這些類在很多已有的應(yīng)用中仍在使用。在觀察者模式下，隨時可以創(chuàng)建新的監(jiān)聽器而無需創(chuàng)建具體觀察者類，例如，PrintNameAnimalAddedListener類可以在main函數(shù)中用匿名內(nèi)部類實現(xiàn)，具體實現(xiàn)代碼如下：

public class Main { public static void main (String[] args) {// Create the zoo to store animalsZoo zoo = new Zoo();// Register listeners to be notified when an animal is addedzoo.registerAnimalAddedListener(new AnimalAddedListener() {@Overridepublic void updateAnimalAdded (Animal animal) {// Print the name of the newly added animalSystem.out.println("Added a new animal with name '" + animal.getName() + "'");}});// Add an animal notify the registered listenerszoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));}}

類似的，lambda函數(shù)也可以用以完成此類任務(wù)：

public class Main { public static void main (String[] args) {// Create the zoo to store animalsZoo zoo = new Zoo();// Register listeners to be notified when an animal is addedzoo.registerAnimalAddedListener((animal) -> System.out.println("Added a new animal with name '" + animal.getName() + "'"));// Add an animal notify the registered listenerszoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));}}

需要注意的是lambda函數(shù)僅適用于監(jiān)聽器接口只有一個函數(shù)的情況，這個要求雖然看起來嚴格，但實際上很多監(jiān)聽器都是單一函數(shù)的，如示例中的AnimalAddedListener。如果接口有多個函數(shù)，可以選擇使用匿名內(nèi)部類。

隱式注冊創(chuàng)建的監(jiān)聽器存在此類問題：由于對象是在注冊調(diào)用的范圍內(nèi)創(chuàng)建的，所以不可能將引用存儲一個到具體監(jiān)聽器。這意味著，通過lambda函數(shù)或者匿名內(nèi)部類注冊的監(jiān)聽器不可以撤銷注冊，因為撤銷函數(shù)需要傳入已經(jīng)注冊監(jiān)聽器的引用。解決這個問題的一個簡單方法是在registerAnimalAddedListener函數(shù)中返回注冊監(jiān)聽器的引用。如此一來，就可以撤銷注冊用lambda函數(shù)或匿名內(nèi)部類創(chuàng)建的監(jiān)聽器，改進后的方法代碼如下：

public AnimalAddedListener registerAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) { // Add the listener to the list of registered listenersthis.listeners.add(listener); return listener;}

重新設(shè)計的函數(shù)交互的客戶端代碼如下：

public class Main { public static void main (String[] args) {// Create the zoo to store animalsZoo zoo = new Zoo();// Register listeners to be notified when an animal is addedAnimalAddedListener listener = zoo.registerAnimalAddedListener((animal) -> System.out.println("Added a new animal with name '" + animal.getName() + "'"));// Add an animal notify the registered listenerszoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));// Unregister the listenerzoo.unregisterAnimalAddedListener(listener);// Add another animal, which will not print the name, since the listener// has been previously unregisteredzoo.addAnimal(new Animal("Lion"));}}

此時的結(jié)果輸出只有Added a new animal with name 'Tiger'，因為在第二個animal加入之前監(jiān)聽器已經(jīng)撤銷了：

Added a new animal with name 'Tiger'

如果采用更復(fù)雜的解決方案，register函數(shù)也可以返回receipt類，以便unregister監(jiān)聽器調(diào)用，例如:

public class AnimalAddedListenerReceipt { private final AnimalAddedListener listener;public AnimalAddedListenerReceipt (AnimalAddedListener listener) {this.listener = listener;}public final AnimalAddedListener getListener () {return this.listener;}}

receipt會作為注冊函數(shù)的返回值，以及撤銷注冊函數(shù)輸入?yún)?shù)，此時的zoo實現(xiàn)如下所示：

public class ZooUsingReceipt { // ...Existing attributes and constructor...public AnimalAddedListenerReceipt registerAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {// Add the listener to the list of registered listenersthis.listeners.add(listener);return new AnimalAddedListenerReceipt(listener);}public void unregisterAnimalAddedListener (AnimalAddedListenerReceipt receipt) {// Remove the listener from the list of the registered listenersthis.listeners.remove(receipt.getListener());}// ...Existing notification method...}

上面描述的接收實現(xiàn)機制允許保存信息供監(jiān)聽器撤銷時調(diào)用的，也就是說如果撤銷注冊算法依賴于Subject注冊監(jiān)聽器時的狀態(tài)，則此狀態(tài)將被保存，如果撤銷注冊只需要指向之前注冊監(jiān)聽器的引用，這樣的話接收技術(shù)則顯得麻煩，不推薦使用。

除了特別復(fù)雜的具體監(jiān)聽器，最常見的注冊監(jiān)聽器的方法是通過lambda函數(shù)或通過匿名內(nèi)部類注冊。當然，也有例外，那就是包含subject實現(xiàn)觀察者接口的類和注冊一個包含調(diào)用該引用目標的監(jiān)聽器。如下面代碼所示的案例：

public class ZooContainer implements AnimalAddedListener { private Zoo zoo = new Zoo();public ZooContainer () {// Register this object as a listenerthis.zoo.registerAnimalAddedListener(this);}public Zoo getZoo () {return this.zoo;}@Overridepublic void updateAnimalAdded (Animal animal) {System.out.println("Added animal with name '" + animal.getName() + "'");}public static void main (String[] args) {// Create the zoo containerZooContainer zooContainer = new ZooContainer();// Add an animal notify the innerally notified listenerzooContainer.getZoo().addAnimal(new Animal("Tiger"));}}

這種方法只適用于簡單情況而且代碼看起來不夠?qū)I(yè)，盡管如此，它還是深受現(xiàn)代Java開發(fā)人員的喜愛，因此了解這個例子的工作原理很有必要。因為ZooContainer實現(xiàn)了AnimalAddedListener接口，那么ZooContainer的實例(或者說對象)就可以注冊為AnimalAddedListener。ZooContainer類中，該引用代表當前對象即ZooContainer的一個實例，所以可以被用作AnimalAddedListener。

通常，不是要求所有的container類都實現(xiàn)此類功能，而且實現(xiàn)監(jiān)聽器接口的container類只能調(diào)用Subject的注冊函數(shù)，只是簡單把該引用作為監(jiān)聽器的對象傳給register函數(shù)。在接下來的章節(jié)中，將介紹多線程環(huán)境的常見問題和解決方案。

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以上內(nèi)容給大家介紹了使用Java8實現(xiàn)觀察者模式的方法（上）的相關(guān)內(nèi)容，下篇文章給大家介紹使用java8實現(xiàn)觀察者模式的方法(下)，感興趣的朋友繼續(xù)學(xué)習(xí)吧，希望對大家有所幫助！