设计模式（二十）行为型：观察者模式详解

设计模式（二十）行为型：观察者模式详解

观察者模式（Observer Pattern）是 GoF 23 种设计模式中最具影响力的行为型模式之一，其核心价值在于定义对象间的一对多依赖关系，当一个对象（被观察者）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。它实现了发布-订阅（Publish-Subscribe）机制，是事件驱动架构、响应式编程、GUI 组件联动、消息系统、数据绑定、实时通知等现代软件系统的基础。观察者模式通过解耦被观察者与观察者，实现了高度的灵活性和可扩展性，是构建松耦合、高内聚、可维护系统的基石。

一、详细介绍

观察者模式解决的是“当一个对象的状态变化需要通知多个其他对象，且这些对象的具体类型和数量在编译时未知或可能动态变化”的问题。在传统设计中，被观察者可能需要持有所有观察者的引用，并在状态变化时逐一调用其更新方法，这导致：

• 紧耦合：被观察者依赖于具体的观察者类。
• 缺乏灵活性：新增观察者需要修改被观察者的代码。
• 难以复用：被观察者无法独立于特定的观察者集合使用。
• 违反开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。

观察者模式的核心思想是：引入抽象接口，将“通知”与“更新”行为抽象化，使被观察者仅依赖于抽象的观察者接口，而非具体实现。

该模式包含以下核心角色：

• Subject（被观察者/主题）：也称为“可观察对象”（Observable）。它维护一个观察者列表，提供注册（attach）、注销（detach）观察者的方法，以及通知（notify）所有观察者的方法。当自身状态改变时，调用 notify。
• Observer（观察者）：定义一个更新接口（update），所有具体观察者必须实现该接口。当收到通知时，执行相应的更新逻辑。
• ConcreteSubject（具体被观察者）：继承或实现 Subject，包含具体的状态数据。当状态改变时，调用父类的 notify 方法。
• ConcreteObserver（具体观察者）：实现 Observer 接口，持有对 ConcreteSubject 的引用（可选，用于获取最新状态），并在 update 方法中实现具体的响应逻辑。

观察者模式的关键优势：

• 解耦：被观察者与观察者之间仅通过抽象接口通信，降低耦合度。
• 支持广播通信：一个被观察者可通知多个观察者。
• 动态注册/注销：观察者可在运行时动态加入或退出通知列表。
• 支持多种响应：不同观察者可对同一事件做出不同反应。
• 符合开闭原则：新增观察者无需修改被观察者代码。

与“中介者模式”相比，观察者是一对多的单向通知，中介者是多对多的双向协调；与“命令模式”相比，命令封装请求，观察者处理状态变化；与“备忘录模式”相比，备忘录关注状态保存与恢复，观察者关注状态变化的通知。

观察者模式适用于：

• GUI 组件联动（如滑块改变影响标签）。
• 模型-视图-控制器（MVC）架构中的模型与视图同步。
• 消息队列、事件总线、发布-订阅系统。
• 实时数据监控与告警。
• 缓存失效通知。

二、观察者模式的UML表示

以下是观察者模式的标准 UML 类图：

图解说明：

• Subject 定义注册、注销、通知的抽象接口。
• ConcreteSubject 维护观察者列表，状态改变时调用 notify。
• Observer 定义 update 接口。
• ConcreteObserver 实现 update，并在被通知时执行具体逻辑。
• 观察者通常持有对被观察者的引用，以便在 update 中获取最新状态。

三、一个简单的Java程序实例及其UML图

以下是一个天气数据发布系统的示例，气象站（被观察者）发布天气数据，多个显示设备（观察者）接收并显示。

Java 程序实例

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;// 观察者接口
interface Observer {void update();
}// 被观察者接口
interface Subject {void attach(Observer observer);void detach(Observer observer);void notifyObservers();
}// 具体被观察者：天气数据
class WeatherData implements Subject {private float temperature;private float humidity;private float pressure;private List<Observer> observers;public WeatherData() {this.observers = new ArrayList<>();}// 状态改变时调用此方法（由外部系统或传感器触发）public void setMeasurements(float temperature, float humidity, float pressure) {this.temperature = temperature;this.humidity = humidity;this.pressure = pressure;System.out.println("\n🌤️  天气数据更新: 温度=" + temperature + "°C, 湿度=" + humidity + "%, 气压=" + pressure + "hPa");notifyObservers(); // 通知所有观察者}// 获取最新状态public float getTemperature() { return temperature; }public float getHumidity() { return humidity; }public float getPressure() { return pressure; }@Overridepublic void attach(Observer observer) {observers.add(observer);System.out.println("✅ 观察者 [" + observer.getClass().getSimpleName() + "] 已注册");}@Overridepublic void detach(Observer observer) {observers.remove(observer);System.out.println("❌ 观察者 [" + observer.getClass().getSimpleName() + "] 已注销");}@Overridepublic void notifyObservers() {System.out.println("📢 正在通知 " + observers.size() + " 个观察者...");for (Observer observer : observers) {observer.update();}}
}// 具体观察者：当前条件显示
class CurrentConditionsDisplay implements Observer {private float temperature;private float humidity;private WeatherData weatherData; // 持有被观察者引用public CurrentConditionsDisplay(WeatherData weatherData) {this.weatherData = weatherData;weatherData.attach(this); // 注册自己}@Overridepublic void update() {this.temperature = weatherData.getTemperature();this.humidity = weatherData.getHumidity();display();}public void display() {System.out.println("  📊 当前条件: 温度 " + temperature + "°C, 湿度 " + humidity + "%");}// 可提供注销方法public void remove() {weatherData.detach(this);}
}// 具体观察者：统计显示
class StatisticsDisplay implements Observer {private float maxTemp = 0.0f;private float minTemp = 200.0f;private float tempSum = 0.0f;private int numReadings = 0;private WeatherData weatherData;public StatisticsDisplay(WeatherData weatherData) {this.weatherData = weatherData;weatherData.attach(this);}@Overridepublic void update() {float temp = weatherData.getTemperature();tempSum += temp;numReadings++;if (temp > maxTemp) maxTemp = temp;if (temp < minTemp) minTemp = temp;display();}public void display() {System.out.println("  📈 统计信息: 平均=" + (tempSum / numReadings) + "°C, 最高=" + maxTemp + "°C, 最低=" + minTemp + "°C");}
}// 具体观察者：预测显示
class ForecastDisplay implements Observer {private float currentPressure = 29.92f;private float lastPressure;private WeatherData weatherData;public ForecastDisplay(WeatherData weatherData) {this.weatherData = weatherData;weatherData.attach(this);}@Overridepublic void update() {lastPressure = currentPressure;currentPressure = weatherData.getPressure();display();}public void display() {System.out.print("  🌦️  天气预报: ");if (currentPressure > lastPressure) {System.out.println("天气好转！");} else if (currentPressure == lastPressure) {System.out.println("天气稳定。");} else {System.out.println("天气转坏！");}}
}// 客户端使用示例
public class ObserverPatternDemo {public static void main(String[] args) {System.out.println("🌤️  天气观测系统 - 观察者模式示例\n");// 创建被观察者WeatherData weatherData = new WeatherData();// 创建观察者（它们在构造时自动注册）CurrentConditionsDisplay currentDisplay = new CurrentConditionsDisplay(weatherData);StatisticsDisplay statisticsDisplay = new StatisticsDisplay(weatherData);ForecastDisplay forecastDisplay = new ForecastDisplay(weatherData);// 模拟数据更新System.out.println("\n--- 第一次数据更新 ---");weatherData.setMeasurements(80, 65, 30.4f);System.out.println("\n--- 第二次数据更新 ---");weatherData.setMeasurements(82, 70, 29.2f);System.out.println("\n--- 第三次数据更新 ---");weatherData.setMeasurements(78, 90, 29.2f);// 演示注销观察者System.out.println("\n--- 注销统计显示 ---");statisticsDisplay.remove();System.out.println("\n--- 第四次数据更新（统计显示不再更新）---");weatherData.setMeasurements(62, 90, 28.1f);}
}

实例对应的UML图（简化版）

运行说明：

• WeatherData 是被观察者，维护状态和观察者列表。
• 三个具体观察者（CurrentConditionsDisplay, StatisticsDisplay, ForecastDisplay）在构造时注册到 WeatherData。
• 当 setMeasurements 被调用时，WeatherData 调用 notifyObservers，遍历所有观察者并调用其 update 方法。
• 每个观察者在 update 中获取最新数据并更新自身显示。
• 可动态注销观察者（如 statisticsDisplay.remove()），之后不再接收通知。

四、总结

特性	说明
核心目的	实现对象间一对多的依赖，自动通知状态变化
实现机制	被观察者维护观察者列表，状态变时广播通知
优点	解耦、支持广播、动态注册、符合开闭原则
缺点	可能导致意外更新（级联通知）、观察者过多影响性能、内存泄漏（未注销）
适用场景	GUI 事件处理、MVC 架构、消息系统、实时通知、数据绑定
不适用场景	依赖关系简单、观察者数量极少、性能极度敏感

观察者模式使用建议：

• 确保观察者能及时注销，避免内存泄漏。
• 考虑通知顺序和性能，大量观察者时可异步通知。
• Java 内置 java.util.Observable 和 java.util.Observer，但已标记为过时，推荐自定义或使用现代框架。
• 现代框架如 Spring 的 ApplicationEvent、JavaFX 的 Property 绑定、RxJava 的 Observable 都是其高级实现。

架构师洞见：
观察者模式是“事件驱动”与“响应式”架构的基石。在现代系统中，其思想已演变为反应式编程（Reactive Programming）、事件溯源（Event Sourcing）、消息中间件（Kafka, RabbitMQ） 和 前端框架（React, Vue）的响应式系统 的核心。例如，Kafka 的 Topic-Consumer 模型是分布式观察者；前端框架的响应式数据绑定让 UI 自动响应数据变化；微服务中的事件总线（Event Bus）实现服务间解耦通信；在 AI 系统中，模型训练进度可作为事件通知监控系统。

未来趋势是：观察者将与流处理（Stream Processing） 深度融合，支持复杂事件处理（CEP）；在边缘计算中，设备状态变化触发本地观察者；在量子网络中，量子态的纠缠可视为一种超距观察者机制；在元宇宙中，用户动作作为事件被多个虚拟对象观察。

掌握观察者模式，是设计松耦合、高响应性、可扩展系统的必经之路。作为架构师，应在设计任何需要“状态变化通知”或“组件联动”的场景时，优先考虑观察者模式。它不仅是模式，更是系统生命力的体现——它让系统从“被动调用”走向“主动响应”，从“静态结构”走向“动态演化”，构建出能够感知变化、自动适应、持续进化的智能软件生态。