设计模式学习笔记 - 设计模式与范式 -行为型：1.观察者模式（上）

概述

前面已经学习了创建型和结构性设计模式，从本章开始开始学习行为型设计模式。创建型设计模式主要解决 “对象的创建” 问题，结构性设计模式主要解决 “类或对象的组合或组装” 问题，行为型设计模式主要解决 “类或对象之间的交互” 问题。

行为型设计模式比较多，有 11 个，基于占了 23 种设计模式的一半。它们分别是：观察者模式、模版模式、策略模式、职责链模式、状态模式、迭代器模式、访问者模式、备忘录模式、命令模式、解释器模式、中介模式。

本章学习第一个行为型设计模式，也是应用的最广泛的一种设计模式：观察者模式。观察者模式有不同的代码实现方式：同步阻塞的实现方式、异步非阻塞的实现方式；进程内的实现方式，也有跨进程的实现方式。本章重点讲解原理、实现、应用场景。下章会实现一个基于观察者模式的异步非阻塞的 EventBus，加深你对这个模式的理解。

原理及应用场景剖析

观察者模式（Observer Design Pattern）也成为发布订阅模式（Publish-Subscribe Design Pattern）。GoF 的《设计模式》是这样定义的：

Define a one-to-many dependency between objects so that when one object changes state,all it’s dependents are notified and updated automatically.

翻译成中文：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收到通知。

一般情况下，被依赖的对象叫做被观察者（Observable），依赖的对象叫做观察者（Observer）。不过在实际的开发中，这两种对象的称呼比较灵活，比如：Subject-Observer、Publisher-Subscribe、Producer-Consumer、EventEmitter-EventListener、Dispatcher-Listener。不管怎么称呼，只要应用场景符合刚刚的定义，都可以看做观察者模式。

实际上，观察者模式是一个比较抽象的模式，根据不同的应用场景，有完全不同的实现方式。现在，先来看其中最经典的一种实现方式。这也是在讲到观察者模式时，很多书籍给出的最常见的实现方式。其代码如下所示：

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 static List<Observer> observers = new ArrayList<>();@Overridepublic void registerObserver(Observer observer) {observers.add(observer);}@Overridepublic void removeObserver(Observer observer) {observers.remove(observer);}@Overridepublic void notifyObservers(Message message) {for (Observer observer : observers) {observer.update(message);}}
}public class ConcreteObserverOne implements Observer {@Overridepublic void update(Message message) {// 获取消息通知，执行自己的逻辑System.out.println("ConcreteObserverOne is notified.");}
}public class ConcreteObserverTwo implements Observer {@Overridepublic void update(Message message) {// 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());}
}

实际上，上面的代码算式观察者模式的 “模版代码”，只能反映大体的设计思路。在真实的软件开发中，并不需要照搬上面的代码。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 函数还可以叫做 attach，remove 函数还可以叫做 detach 等等。不过，万变不离其宗，设计思路都是差不多的。

原理和代码实现都非常简单，不需要过多解释。我们还是通过一个例子来重点讲下，什么情况下需要用到这种设计模式？

假设，要开发一个 P2P 投资理财系统，用户注册成功之后，我们会给用户发放投资体验金。代码实现大致是下面这样子的：

public class UserController {private UserService userService; // 依赖注入private PromotionService promotionService; //依赖注入public long register(String telephone, String password) {// 省略输入参数的校验代码// 省略userService.register()异常的try-catch代码long userId = userService.register(telephone, password);promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);return userId;}
}

虽然注册接口做了两件事情，注册和发放体验金，违反单一职责原则，但是如果没有扩展和修改的需求，现在的代码实现是可以接受的。如果非得用观察者模式，就需要引入更多的类和更加复杂的代码结构，反倒是一种过度设计。

如果需求频繁改动，比如用户注册成功之后，不在发放体验券，而是改为发放优惠券，并且还要给用户发送一封 “欢迎注册成功” 的站内信。这种情况下，就需要频繁地修改 register() 函数中的代码，违反开闭原则。而且，如果注册成功之后需要执行的后续操作越来越多，那 register() 函数的逻辑会变得越来越复杂，也就影响到代码的可读性和可维护性。

此时，观察者模式就派上用场了。利用观察者模式，对上面的代码进行重构。

public interface RegObserver {void handleRegSuccess(long userId);
}public class RegPromotionObserver implements RegObserver {private PromotionService promotionService; // 依赖注入@Overridepublic void handleRegSuccess(long userId) {promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);}
}public class RegNotificationObserver implements RegObserver {private NotificationService notificationService;@Overridepublic void handleRegSuccess(long userId) {notificationService.senInboxMessage(userId, "Welcome ...");}
}public class UserController {private List<RegObserver> regObservers = new ArrayList<>();private UserService userService; // 依赖注入// 一次性设置好，之后也不可能动态地修改public void setRegObservers(List<RegObserver> observers) {regObservers.addAll(observers);}public long register(String telephone, String password) {// 省略输入参数的校验代码// 省略userService.register()异常的try-catch代码long userId = userService.register(telephone, password);for (RegObserver observer : regObservers) {observer.handleRegSuccess(userId);}return userId;}
}

当我们需要添加观察者时，比如用户注册成功之后，推送用户注册信息给大数据征信系统，基于观察者模式的代码实现， UserController 类的 register() 函数完全不需要修改，只需要再添加一个实现 RegObserver 接口的类，并通过 setRegObservers() 函数将它注册到 UserController 类中即可。

前面已经学习了很多设计模式，不知道你发现没有，实际上，设计模式要干的事情就是解耦。创建型模式是将创建和使用代码解耦，结构型模式是将不同功能代码解耦，行为型模式是将不同的行为代码解耦，再具体到观察者模式，它是将观察者和被观察者解耦。借助设计模式，利用更好的代码结构，将一大坨代码拆分成职责更单一的小类，让其满足开闭原则、高内聚松耦合等特性，依此来控制代码的复杂性，提高代码的可扩展性。

基于不同应用场景的不同实现方式

观察者模式的应用场景非常广泛，小到代码层面解耦，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。

不同的应用场景和需求下，这个模式也有截然不同的实现方式，上一小节我们提到，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。

第一小节例子中的实现方式，是一种同步阻塞的实现方式。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。对照上面讲到的用户注册的例子， register() 函数依次调用执行每个观察者的 handleRegSuccess() 函数，最后才返回结果给客户端。

如果注册接口是一个调用比较频繁地接口，对性能非常敏感，希望接口响应时间尽可能短，那我们可以将同步阻塞的实现方式改为异步非阻塞的实现方式，依此来减少响应时间。具体来讲，当 userService.register() 函数执行完成之后，我们启动一个新的线程开执行观察者的 handleRegSuccess() 函数，这样 userController.register() 函数不要等到所有的 handleRegSuccess() 函数都执行完成之后才返回结果给客户端。userController.register() 函数从执行 3 个 SQL 才返回，减少到只需要执行 1 个 SQL 语句就返回，响应时间粗略地讲减少为原来的 1/3。

如何实现一个异步非阻塞的观察者模式呢？简单的做法是在每个 handleRegSuccess() 函数中，创建一个新线程执行代码。不过，我们还有更加优雅的实现方式，那就是基于 EventBus 来实现。

刚刚提到的两个场景，不管是同步阻塞实现方式还是异步非阻塞实现方式，都是进程内的实现方式。如果用户注册成功之后，我们需要发送用户信息给大数据征信系统，而大数据征信系统是一个独立的系统，跟它之间的交互是跨不同进程的，那如何实现一个跨进程的观察者模式呢？

如果大数据征信系统提供了发送用户注册信息的 RPC 接口，仍然可以沿用之前的实现思路，在 handleRegSuccess() 函数中调用 RPC 接口来发送数据。但是，我们还有更加优雅、更加常用的一种实现方式，那就是基于消息队列（比如 ActiveMQ）来实现。

当然，这种实现方式也有弊端，那就是需要引入一个新的系统（消息队列），增加了维护成本。不过，它的好处也非常明显。在原来的实现方式中，观察者需要注册到被观察者需要依次遍历观察者来发送消息。而基于消息队列的实现方式，被观察者和观察者解耦更加彻底，两部分的耦合更小。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。

总结

设计模式要干的事情就是解耦，创建型模式是将创建和使用代码解耦，结构性模式是将不同功能代码解耦，行为性模式是将不同行为解耦，具体到观察者模式，它将观察者和被观察者代码解耦。借助设计模式，我们利用更好的代码结构，将一大坨代码拆分成职责更单一的小类，让其满足开闭原则、高内聚低耦合等特性，依此来控制和应对代码的复杂性，提高代码的可扩展性。

观察者模式的应用场景非常广泛，小到代码层面的解耦，大到框架层面的解耦，再或者一些产品的设计思路，都有观察者模式的影子，这个模式也有截然不同的实现方式，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。