观察者模式：订阅与推送

观察者模式 Observer Design Pattern / 发布订阅模式 Publish-Subscribe Design Pattern

Define a one-to-many dependency between objects so that when one object changes state, all its dependents are notified and updated automatically.——GoF
在对象之间定义一个一对多的依赖，当一个对象状态改变的时候，所有依赖的对象都会自动收到通知。

一般情况下，被依赖的对象叫作被观察者（Observable），依赖的对象叫作观察者（Observer）。不过，在实际的项目开发中两种对象的称呼是比较灵活的，有各种不同的叫法，比如：Subject-Observer、Publisher-Subscriber、Producer-Consumer、EventEmitter-EventListener、Dispatcher-Listener。不管怎么称呼，只要应用场景符合刚刚给出的定义，都可以看作观察者模式。

Observer 本来的意思是「观察者」，但实际上 Observer 角色并非主动地去观察，而是被动地接受来自 Subject 角色的通知。因此，观察者模式也被称为 Publish-Subscribe（发布 - 订阅）模式。《图解设计模式》的作者也认为 Publish（发布） 和 Subscribe（订阅） 这个名字可能更加合适。

登场角色：

• Subject（被观察对象）：Subject 角色表示被观察对象。Subject 角色定义了注册观察者和删除观察者的方法。此外，它还声明了「获取现在的状态」的方法。
• ConcreteSubject（具体的观察对象）：ConcreteSubject 角色表示具体的被观察对象。当自身状态发生变化后，它会通知所有已经注册的 Observer 角色。
• Observer（观察者)：Observer 角色负责接收来自 Subject 角色的状态变化的通知。为此，它声明了 update 方法。
• ConcreteObserver（具体的观察者）：ConcreteObserver 角色表示具体的 Observer。当它的 update 方法被调用后，会去获取要观察的对象的最新状态。

方法说明：

• getSubjectStatus 是给 Observer 获取状态用的。
• notifyObserver 调用 Observer 的 update 方法时，是把自己 this 传了过去。比如示例程序中 notifyObserver 是这样写的：

一种经典的实现方式（同步阻塞实现方式）：

public interface Subject {
  void registerObserver(Observer observer);
  void removeObserver(Observer observer);
  void notifyObservers(Message message);
}

public interface Observer {
  void update(Message message);
}

public class ConcreteSubject implements Subject {
  private List<Observer> observers = new ArrayList<Observer>();

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

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

  @Override
  public void notifyObservers(Message message) {
    for (Observer observer : observers) {
      observer.update(message);
    }
  }
}

public class ConcreteObserverOne implements Observer {
  @Override
  public void update(Message message) {
    //TODO: 获取消息通知，执行自己的逻辑...
    System.out.println("ConcreteObserverOne is notified.");
  }
}

public class ConcreteObserverTwo implements Observer {
  @Override
  public void update(Message message) {
    //TODO: 获取消息通知，执行自己的逻辑...
    System.out.println("ConcreteObserverTwo is notified.");
  }
}

public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    ConcreteSubject subject = new ConcreteSubject();
    subject.registerObserver(new ConcreteObserverOne());
    subject.registerObserver(new ConcreteObserverTwo());
    subject.notifyObservers(new Message());
  }
}

观察者模式的实现方法各式各样，函数、类的命名等会根据业务场景的不同有很大的差别，比如 register 函数还可以叫作 attach，remove 函数还可以叫作 detach 等等。

拓展思路：

• 可替换性。具体的被观察者不需要知道正在观察自己的是哪一个具体观察者。可替换性的设计思想：
  • 利用抽象类和接口从具体类中抽出抽象方法
  • 在将实例作为参数传递至类中，或者在类的字段中保存实例时，不使用具体类型，而是使用抽象类型和接口
• 注意 Observer 的调用顺序。必须要保证 update 方法调用顺序改变时不会发生问题。
• Observer 角色也有可能会触发 Subject 角色调用 update 方法，所以要注意不要导致循环调用。观察者不要改变被观察者。
• MVC 中的 Model 和 View 的关系与 Subject 角色和 Observer 角色的关系相对应。Model 是指操作「不依赖于显示形式的内部模型」的部分，View 则是管理 Model「怎样显示」的部分。通常情况下，一个 Model 对应多个 View。

相关的设计模式：站内文章中介者模式

• 在中介者模式中，有时会使用 Observer 模式来实现 Mediator 角色与 Colleague 角色之间的通信。
• 就「发送状态变化通知」这一点而言，Mediator 模式与 Observer 模式是类似的。不过，两种模式中，通知的目的和视角不同。
  • 在中介者模式中，虽然也会发送通知，不过那不过是为了对 Colleague 角色进行仲裁而已。
  • 而在观察者模式中，将 Subject 角色的状态变化通知给 Observer 角色的目的则主要是为了使 Subject 角色和 Observer 角色同步。

观察者模式的实现方式

观察者模式的应用场景非常广泛，小到代码层面的解耦，大到架构层面的系统解耦，再或者一些产品的设计思路，都有这种模式的影子，比如，邮件订阅、RSS Feeds，本质上都是观察者模式。

根据应用场景的不同，观察者模式会对应不同的代码实现方式：有同步阻塞的实现方式，也有异步非阻塞的实现方式；有进程内的实现方式，也有跨进程的实现方式。

异步非阻塞的实现方式

上一个章节介绍的示例模板代码是同步阻塞实现方式，这也是最经典的实现方式，他的作用是代码解耦。观察者和被观察者代码在同一个线程内执行，被观察者一直阻塞，直到所有的观察者代码都执行完成之后，才执行后续的代码。

我们可以改造 notifyObservers(Message message)，使其成为异步非阻塞的实现方式：

1. 多线程实现方式
2. 引入框架，如 Google Guava EventBus

异步非阻塞除了可以实现代码解耦外，还能提高代码的执行效率。

多线程实现方式

多线程实现方式 1：观察者使用多线程处理消息。这种方式的缺点为频繁地创建和销毁线程比较耗时，并且并发线程数无法控制，创建过多的线程会导致堆栈溢出。

public class ConcreteObserverX implements Observer {
  @Override
  public void update(Message message) {
    Thread thread = new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        System.out.println("ConcreteObserverOne is notified.");
      }
    });
    thread.start();
  }
}

多线程实现方式 2：使用线程池通知观察者。尽管利用了线程池解决了第一种实现方式的问题，但线程池、异步执行逻辑都耦合在了 notifyObservers() 函数中，增加了这部分业务代码的维护成本。

public class ConcreteSubject implements Subject {
  private List<Observer> observers = new ArrayList<Observer>();
  private Executor executor; // 可通过构造函数初始化线程池
  @Override
  public void notifyObservers(Message message) {
    for (Observer observer : observers) {
	  executor.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          observer.update(message);
        }
      });
    }
  }
}

如果我们的业务更加复杂，需要在同步阻塞和异步非阻塞之间灵活切换，上面的代码显然无法满足这个需求。我们可以使用 Google Guava EventBus 框架解决这个问题。使用新的框架可以隐藏实现细节，降低开发难度，实现代码的复用，解耦业务与非业务代码。

使用 Google Guava EventBus

在 站内文章EventBus 框架的简易实现 这篇文章中，我们可以模仿 Google Guava EventBus，动手实现一个简单的框架，加深对观察者模式的理解。

其他实现方式

在上面讲的场景中，不管是同步阻塞的实现方式还是异步非阻塞的实现方式，都是进程内的实现方式。对于跨进程、跨系统的观察者模式，我们可以使用 站内文章RPC 接口执行通知操作。

或者使用更优雅、更常用的方式——引入消息队列。消息队列将观察者和被观察者解耦得更加彻底，被观察者完全不感知观察者，同理，观察者也完全不感知被观察者。被观察者只管发送消息到消息队列，观察者只管从消息队列中读取消息来执行相应的逻辑。不过这样会增加维护成本。

java.util.Observer 接口

Java 类库中的 java.util.Observer 接口和 java.util.Observable 类就是一种观察者模式。

java.util.Observer 接口中定义了以下方法。

public void update (Observable obj, Object arg)

而 update 方法的参数则接收到了如下内容：

• Observable 类的实例是被观察的 Subject 角色。
• Object 类的实例是附加信息

我们一般不直接用这些接口实现 Observer 模式，因为 java.util.Observer 接口和 java.util.observable 类并不好用。理由很简单，传递给 java.util.Observer 接口的 Subject 角色必须是 java.util.Observable 类型（或者它的子类型）的。但 Java 只能单一继承，也就说如果 Subject 角色已经是某个类的子类了，那么它将无法继承 java.util.observable 类。

Coad 书讲解了这个问题的解决办法。在该书介绍的观察者模式中，Subject 角色和 Observer 接口都被定义为 Java 的接口，这种观察者模式更容易使用。

本文参考

• 《图解设计模式》17 章
• 本科生课程笔记《程序设计中级实践＆设计模式》 - TJU 🍐⚱️
• 极客时间专栏 - 设计模式之美 - 王争