观察者模式详解与C++实现-EW帮帮网

1. 模式定义

观察者模式（Observer Pattern）是一种行为型设计模式，定义了对象间的一对多依赖关系。当一个对象（被观察者/主题）状态改变时，所有依赖它的对象（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组件交互和实时数据监控等场景。

2. 核心思想

解耦：将主题与观察者解耦，使它们可以独立变化
动态订阅：支持观察者随时加入/退出通知列表
自动传播：状态变化时自动触发通知机制

3. 模式结构

在这里插入图片描述

关键角色：

Subject（主题接口）
- 维护观察者列表
- 提供注册/注销方法
- 定义通知方法notify()
ConcreteSubject（具体主题）
- 存储具体状态数据
- 状态改变时触发通知
Observer（观察者接口）
- 定义更新接口update()
ConcreteObserver（具体观察者）
- 实现具体的更新逻辑

4. C++实现示例（气象监测系统）

完整代码实现

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <memory>  // 智能指针支持

// 主题接口 --------------------------------------------------
class WeatherStation; // 前向声明

class Observer {
public:
    virtual ~Observer() = default;
    // 更新方法（推模型：由主题推送数据）
    virtual void update(float temp, float humidity) = 0;
    // 更新方法（拉模型：观察者主动获取数据）
    // virtual void update(const WeatherStation& subject) = 0;
};

// 抽象主题 --------------------------------------------------
class Subject {
public:
    virtual ~Subject() = default;
    virtual void registerObserver(std::shared_ptr<Observer> o) = 0;
    virtual void removeObserver(std::shared_ptr<Observer> o) = 0;
    virtual void notifyObservers() = 0;
};

// 具体主题：气象站 -------------------------------------------
class WeatherStation : public Subject {
private:
    std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers_;
    float temperature_ = 0.0f;
    float humidity_ = 0.0f;

public:
    // 注册观察者
    void registerObserver(std::shared_ptr<Observer> o) override {
        observers_.push_back(o);
        std::cout << "[系统] 新的观察者已注册\n";
    }

    // 移除观察者
    void removeObserver(std::shared_ptr<Observer> o) override {
        auto it = std::remove(observers_.begin(), observers_.end(), o);
        if(it != observers_.end()) {
            observers_.erase(it, observers_.end());
            std::cout << "[系统] 观察者已移除\n";
        }
    }

    // 通知所有观察者（推模型实现）
    void notifyObservers() override {
        std::cout << "[系统] 开始通知" << observers_.size() << "个观察者...\n";
        for(auto& observer : observers_) {
            observer->update(temperature_, humidity_);
        }
    }

    // 业务方法：更新气象数据
    void setMeasurements(float temp, float humidity) {
        this->temperature_ = temp;
        this->humidity_ = humidity;
        std::cout << "\n=== 气象站更新数据 ===" << std::endl;
        notifyObservers();
    }

    // 供拉模型使用的数据获取接口
    float getTemperature() const { return temperature_; }
    float getHumidity() const { return humidity_; }
};

// 具体观察者：手机APP ----------------------------------------
class MobileApp : public Observer {
private:
    std::string userName_;

public:
    explicit MobileApp(std::string name) : userName_(std::move(name)) {}

    // 实现更新接口（推模型）
    void update(float temp, float humidity) override {
        std::cout << "[手机APP] " << userName_ << "收到更新："
                  << temp << "°C, " << humidity << "%\n";
        // 可以在此添加业务逻辑，如触发界面刷新
    }
};

// 具体观察者：户外大屏 ---------------------------------------
class OutdoorScreen : public Observer {
public:
    void update(float temp, float humidity) override {
        std::cout << "[户外大屏] 最新天气："
                  << temp << "°C | 湿度 " << humidity << "%\n";
        // 实际项目可能包含图形渲染逻辑
    }
};

// 客户端使用 ------------------------------------------------
int main() {
    // 创建主题
    WeatherStation station;

    // 创建观察者（使用智能指针管理）
    auto user1 = std::make_shared<MobileApp>("张三");
    auto user2 = std::make_shared<MobileApp>("李四");
    auto screen = std::make_shared<OutdoorScreen>();

    // 注册观察者
    station.registerObserver(user1);
    station.registerObserver(user2);
    station.registerObserver(screen);

    // 模拟数据变化
    station.setMeasurements(25.5, 60);
    station.setMeasurements(23.0, 65);

    // 移除一个观察者
    station.removeObserver(user2);

    // 再次更新数据
    station.setMeasurements(20.0, 70);

    return 0;
}

代码注释解析

内存管理改进
- 使用std::shared_ptr智能指针管理观察者对象
- 防止原始指针可能导致的野指针问题
```
std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers_;
```

推模型 vs 拉模型

当前实现为推模型（直接传递数据）
注释部分展示了拉模型的接口设计

/* 拉模型实现示例
void update(const WeatherStation& subject) override {
    float temp = subject.getTemperature();
    float humidity = subject.getHumidity();
    // 使用获取的数据...
}
*/

观察者类型多样化
- 实现不同观察者类型（MobileApp和OutdoorScreen）
- 展示不同观察者的差异化处理逻辑

安全移除机制

使用std::remove+erase组合安全删除元素
避免迭代器失效问题

auto it = std::remove(observers_.begin(), observers_.end(), o);
if(it != observers_.end()) {
    observers_.erase(it, observers_.end());
}

5. 模式优劣分析

优势：

松耦合：主题无需知道观察者的具体实现
动态订阅：运行时随时添加/移除观察者
广播通信：支持一对多通知机制

劣势：

更新顺序不可控：观察者接收通知的顺序不确定
性能损耗：大量观察者时遍历效率低（可考虑异步优化）

6. 应用场景

GUI事件处理
- 按钮点击事件通知多个控件
实时监控系统
- 传感器数据变化通知多个终端
发布-订阅系统
- 消息中间件的核心设计模式
游戏开发
- 角色状态变化触发多个UI更新

7. 高级扩展方向

异步通知

使用线程池处理观察者更新

// 伪代码示例
void asyncNotify() {
    std::vector<std::future<void>> futures;
    for(auto& observer : observers_) {
        futures.push_back(std::async([&]{
            observer->update(...);
        }));
    }
}

事件过滤

添加事件类型参数，实现选择性通知

enum class EventType { TEMP_CHANGE, HUMIDITY_CHANGE };
virtual void update(EventType type, float value);

优先级队列

使用优先队列管理观察者

std::priority_queue<std::shared_ptr<Observer>> pq_;

8. 总结

观察者模式通过建立高效的发布-订阅机制，有效降低了系统组件间的耦合度。在实际应用中需要根据具体需求选择推/拉模型，并注意内存管理和线程安全等问题。

观察者模式详解与C++实现