C++ 设计模式——观察者模式

观察者模式

观察者模式（Observer Pattern）是一种常用的设计模式，属于行为型模式。它定义了一种一对多的依赖关系，使得当一个对象（主题）状态发生变化时，所有依赖于它的对象（观察者）都会得到通知并自动更新。

引入“观察者”设计模式的定义（实现意图）：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都会自动得到通知。

主要组成部分

1. 主题（Subject）：

   • 也叫观察目标，指被观察的对象。
   • 维护观察者列表，提供添加、删除观察者的方法。
   • 当状态变化时，通知所有的观察者。

2. 观察者（Observer）：

   • 定义一个更新接口，以便主题在状态变化时调用。
   • 每个观察者都可以根据主题的变化更新自身状态。

3. 具体主题（ConcreteSubject）：

   • 实现主题的接口，维护具体的状态。
   • 在状态变化时，调用通知方法来更新所有观察者。

4. 具体观察者（ConcreteObserver）：

   • 实现观察者接口，更新自身状态以反映主题的变化。
   • 每个观察者可以根据主题的状态执行特定的操作。

例一：工作流程

1. 观察者注册到主题：在主函数中，使用 attach 方法将观察者注册到主题。
2. 主题的状态发生变化：调用 setState 方法改变主题的状态。
3. 主题调用通知方法：在 setState 方法中，调用 notify 方法通知所有注册的观察者。
4. 观察者接收到通知后，更新自身状态：每个观察者实现 update 方法，接收到通知后更新自身状态并输出。

第一步：定义观察者接口

首先，定义一个观察者接口，所有观察者都需要实现这个接口。

// 观察者接口
class Observer {
public:virtual void update(int state) = 0; // 更新接口
};

第二步：定义主题接口

接下来，定义一个主题接口，主题需要维护观察者列表，并提供添加、删除观察者的方法。

// 主题接口
class Subject {
public:virtual void attach(Observer* observer) = 0; // 添加观察者virtual void detach(Observer* observer) = 0; // 移除观察者virtual void notify() = 0; // 通知观察者
};

第三步：实现具体主题

实现一个具体主题类，维护观察者列表和状态，并在状态变化时通知观察者。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm> // 用于 std::remove// 具体主题
class ConcreteSubject : public Subject {
private:std::vector<Observer*> observers; // 观察者列表int state; // 主题的状态public:void attach(Observer* observer) override {observers.push_back(observer); // 添加观察者}void detach(Observer* observer) override {observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end()); // 移除观察者}void notify() override {for (Observer* observer : observers) {observer->update(state); // 通知所有观察者}}void setState(int newState) {state = newState; // 更新状态notify(); // 状态变化时通知观察者}int getState() const {return state; // 获取当前状态}
};

第四步：实现具体观察者

实现观察者类，更新自身状态以反映主题的变化。

// 具体观察者
class ConcreteObserver : public Observer {
private:std::string name; // 观察者名称int observedState; // 观察者的状态public:ConcreteObserver(const std::string& name) : name(name) {}void update(int state) override {observedState = state; // 更新观察者的状态std::cout << "Observer " << name << " updated with state: " << observedState << std::endl;}
};

第五步：主函数

在主函数中，创建主题和观察者对象，注册观察者，并演示状态变化。

// 主函数
int main() {ConcreteSubject subject; // 创建具体主题ConcreteObserver observer1("Observer 1"); // 创建观察者1ConcreteObserver observer2("Observer 2"); // 创建观察者2subject.attach(&observer1); // 注册观察者1subject.attach(&observer2); // 注册观察者2subject.setState(1);  // 状态变化，通知所有观察者subject.setState(2);  // 状态变化，通知所有观察者return 0;
}

UML 图

UML 图解析

Subject（主题）：也叫作观察目标，指被观察的对象。这里指 Subject 类。提供增加和删除观察者对象的接口，如 attach 和 detach。

ConcreteSubject（具体主题）：维护一个观察者列表，当状态发生改变时，调用 notify 向各个观察者发出通知。这里指 ConcreteSubject 类。

Observer（观察者）：定义了观察者的接口，所有具体观察者都需要实现这个接口。当被观察的对象状态发生变化时，观察者自身会收到通知。这里指 Observer 类。

ConcreteObserver（具体观察者）：实现了观察者接口，并注册到主题。当具体目标状态发生变化时，自身会接到通知。这里指 ConcreteObserver 类。

例二：工作流程

下面是逐步实现游戏聊天系统，使用观察者模式来管理玩家之间的聊天信息，每个玩家可以选择加入或退出家族聊天，系统会自动处理通知。将按照设计思路，逐步构建代码。

1. 观察者注册到被观察者：在主函数中，使用 addToList 方法将玩家注册到聊天通知器。
2. 被观察者的状态发生变化：调用 SayWords 方法改变聊天内容。
3. 被观察者调用通知方法：在 SayWords 方法中，调用 notify 方法通知所有注册的玩家。
4. 观察者接收到通知后，更新自身状态：每个玩家实现 NotifyWords 方法，接收到通知后输出聊天信息。

第一步：定义观察者接口

首先，定义一个观察者接口，所有玩家都需要实现这个接口，以接收聊天信息的更新通知。

// 观察者接口
class Notifier {
public:virtual void addToList(Fighter* player) = 0; // 添加玩家virtual void removeFromList(Fighter* player) = 0; // 移除玩家virtual void notify(Fighter* talker, const std::string& message) = 0; // 通知玩家virtual ~Notifier() {}
};

第二步：定义主题接口

接下来，定义一个定义主题接口，玩家需要维护聊天通知器，并提供添加、删除玩家的方法。

// 被观察者接口
class Fighter {
public:virtual void NotifyWords(Fighter* talker, const std::string& message) = 0; // 更新接口virtual void SetFamilyID(int id) = 0; // 设置家族IDvirtual int GetFamilyID() const = 0; // 获取家族IDvirtual ~Fighter() {}
};

第三步：实现具体主题（玩家类）

实现一个具体玩家类，维护玩家名称和家族ID，并在收到聊天信息时更新状态。

#include <iostream>
#include <string>
#include <list>
#include <map>
#include <algorithm> // 用于 std::remove// 具体主题：玩家
class ConcreteFighter : public Fighter {
private:std::string name; // 玩家名称int familyID; // 家族IDpublic:ConcreteFighter(const std::string& playerName) : name(playerName), familyID(-1) {}void SetFamilyID(int id) override {familyID = id;}int GetFamilyID() const override {return familyID;}void NotifyWords(Fighter* talker, const std::string& message) override {std::cout << "玩家 " << name << " 收到了来自 " << talker->GetFamilyID() << " 的消息: " << message << std::endl;}
};

第四步：实现具体观察者（聊天通知器）

实现聊天通知器类，维护玩家列表，并在聊天内容变化时通知玩家。

// 具体观察者：聊天通知器
class TalkNotifier : public Notifier {
private:std::map<int, std::list<Fighter*>> familyList; // 家族ID与玩家列表的映射public:void addToList(Fighter* player) override {int familyID = player->GetFamilyID();if (familyID != -1) {familyList[familyID].push_back(player); // 添加玩家到对应家族}}void removeFromList(Fighter* player) override {int familyID = player->GetFamilyID();if (familyID != -1) {familyList[familyID].remove(player); // 移除玩家}}void notify(Fighter* talker, const std::string& message) override {int familyID = talker->GetFamilyID();if (familyID != -1) {for (Fighter* player : familyList[familyID]) {player->NotifyWords(talker, message); // 通知所有玩家}}}
};

第五步：主函数

在主函数中，创建玩家和聊天通知器对象，注册玩家，并演示聊天信息的通知过程。

// 主函数
int main() {// 创建聊天通知器TalkNotifier notifier;// 创建玩家ConcreteFighter player1("张三");player1.SetFamilyID(100);ConcreteFighter player2("李四");player2.SetFamilyID(100);ConcreteFighter player3("王五");player3.SetFamilyID(200);// 注册玩家到通知器notifier.addToList(&player1);notifier.addToList(&player2);notifier.addToList(&player3);// 玩家发送消息player1.SayWords("大家集合，准备进攻！", &notifier); // 张三发送消息player2.SayWords("听从指挥，前往目标！", &notifier); // 李四发送消息// 移除玩家notifier.removeFromList(&player2); // 移除李四// 再次发送消息player1.SayWords("李四已经不在了，继续行动！", &notifier); // 张三发送消息return 0;
}

UML 图

UML 图解析

Subject（主题）：也叫作观察目标，指被观察的对象。这里指 Notifier 类。提供增加和删除观察者对象的接口，如 addToList 和 removeFromList。

ConcreteSubject（具体主题）：维护一个观察者列表，当状态发生改变时，调用 notify 向各个观察者发出通知。这里指 TalkNotifier 子类。

Observer（观察者）：当被观察的对象状态发生变化时，观察者自身会收到通知。这里指 Fighter 类。

ConcreteObserver（具体观察者）：调用观察目标的 addToList 成员函数将自身加入到观察者列表中，当具体目标状态发生变化时，自身会接到通知（NotifyWords 成员函数会被调用）。这里指 F_Warrior 和 F_Mage 子类。

优缺点

优点：

• 松耦合：观察者和主题之间的关系是松散的，降低了模块间的耦合度。
• 动态添加观察者：可以在运行时增加或减少观察者。
• 多对一的通知：一个主题可以通知多个观察者，适合事件驱动的场景。

缺点：

• 通知开销：如果观察者数量较多，通知开销可能较大。
• 循环依赖：若观察者和主题相互依赖，可能导致循环更新。

适用场景

• 事件处理系统：GUI框架中，用户操作（如点击按钮）会触发事件，多个组件需要对这些事件做出反应。

• 数据绑定：在MVC（模型-视图-控制器）架构中，当模型数据变化时，视图需要自动更新以反映最新的数据。

• 发布-订阅系统：在消息传递系统中，多个订阅者会对特定主题的消息做出反应，发布者只需发布消息而不需要关心订阅者的具体实现。

• 状态监控：在监控系统中，多个观察者需要监控同一状态（如温度传感器的读数），当状态变化时，所有观察者都能及时获取更新。

• 社交媒体通知：当用户发布新内容时，所有关注该用户的粉丝会收到更新通知。

例一：完整代码

将以上步骤组合在一起，完整代码如下：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm> // 用于 std::remove// 观察者接口
class Observer {
public:virtual void update(int state) = 0; // 更新接口
};// 主题接口
class Subject {
public:virtual void attach(Observer* observer) = 0; // 添加观察者virtual void detach(Observer* observer) = 0; // 移除观察者virtual void notify() = 0; // 通知观察者
};// 具体主题
class ConcreteSubject : public Subject {
private:std::vector<Observer*> observers; // 观察者列表int state; // 主题的状态public:void attach(Observer* observer) override {observers.push_back(observer); // 添加观察者}void detach(Observer* observer) override {observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end()); // 移除观察者}void notify() override {for (Observer* observer : observers) {observer->update(state); // 通知所有观察者}}void setState(int newState) {state = newState; // 更新状态notify(); // 状态变化时通知观察者}int getState() const {return state; // 获取当前状态}
};// 具体观察者
class ConcreteObserver : public Observer {
private:std::string name; // 观察者名称int observedState; // 观察者的状态public:ConcreteObserver(const std::string& name) : name(name) {}void update(int state) override {observedState = state; // 更新观察者的状态std::cout << "Observer " << name << " updated with state: " << observedState << std::endl;}
};// 主函数
int main() {ConcreteSubject subject; // 创建具体主题ConcreteObserver observer1("Observer 1"); // 创建观察者1ConcreteObserver observer2("Observer 2"); // 创建观察者2subject.attach(&observer1); // 注册观察者1subject.attach(&observer2); // 注册观察者2subject.setState(1);  // 状态变化，通知所有观察者subject.setState(2);  // 状态变化，通知所有观察者return 0;
}

例二：完整代码

#include <iostream>
#include <list>
#include <map>using namespace std;class Fighter; //类前向声明
class Notifier //通知器父类
{
public:virtual void addToList(Fighter* player) = 0; //把要被通知的玩家加到列表中virtual void removeFromList(Fighter* player) = 0; //把不想被通知的玩家从列表中去除virtual void notify(Fighter* talker, string tmpContent) = 0; //通知的一些细节信息virtual ~Notifier() {}
};
class Fighter
{
public:Fighter(int tmpID, string tmpName) :m_iPlayerID(tmpID), m_sPlayerName(tmpName)//构造函数{m_iFamilyID = -1; //-1表示没加入任何家族}virtual ~Fighter() {} //析构函数public:void SetFamilyID(int tmpID)  //加入家族时设置家族ID{m_iFamilyID = tmpID;}int GetFamilyID() //获取家族ID{return m_iFamilyID;}void SayWords(string tmpContent, Notifier* notifier) //玩家说了某句话{notifier->notify(this, tmpContent);}//通知该玩家接收到其他玩家发送来的聊天信息，虚函数，子类可以覆盖以实现不同的动作virtual void NotifyWords(Fighter* talker, string tmpContent){//显示信息cout << "玩家：" << m_sPlayerName << " 收到了玩家：" << talker->m_sPlayerName << " 发送的聊天信息：" << tmpContent << endl;}
private:int m_iPlayerID; //玩家ID，全局唯一string m_sPlayerName;  //玩家名字int m_iFamilyID;   //家族ID
};
//“战士”类玩家，父类为Fighter
class F_Warrior :public Fighter
{
public:F_Warrior(int tmpID, string tmpName) :Fighter(tmpID, tmpName) {} //构造函数
};//“法师”类玩家，父类为Fighter
class F_Mage :public Fighter
{
public:F_Mage(int tmpID, string tmpName) :Fighter(tmpID, tmpName) {} //构造函数
};//----------------------------------
class TalkNotifier :public Notifier  //聊天信息通知器
{
public://将玩家增加到家族列表中来virtual void addToList(Fighter* player){int tmpfamilyid = player->GetFamilyID();if (tmpfamilyid != -1) //加入了某个家族{auto iter = m_familyList.find(tmpfamilyid);if (iter != m_familyList.end()){//该家族id在map中已经存在iter->second.push_back(player); //直接把该玩家加入到该家族}else{//该家族id在map中不存在list<Fighter*> tmpplayerlist;m_familyList.insert(make_pair(tmpfamilyid, tmpplayerlist));//以该家族id为key，增加条目到map中m_familyList[tmpfamilyid].push_back(player); //向该家族中增加第一个玩家}}}//将玩家从家族列表中删除virtual void removeFromList(Fighter* player){int tmpfamilyid = player->GetFamilyID();if (tmpfamilyid != -1) //加入了某个家族{auto iter = m_familyList.find(tmpfamilyid);if (iter != m_familyList.end()){m_familyList[tmpfamilyid].remove(player);}}}//家族中某玩家说了句话，调用该函数来通知家族中所有人virtual void notify(Fighter* talker, string tmpContent) //talker是讲话的玩家{int tmpfamilyid = talker->GetFamilyID();if (tmpfamilyid != -1){auto itermap = m_familyList.find(tmpfamilyid);if (itermap != m_familyList.end()){//遍历该玩家所属家族的所有成员for (auto iterlist = itermap->second.begin(); iterlist != itermap->second.end(); ++iterlist){(*iterlist)->NotifyWords(talker, tmpContent);}}}}
private://map中的key表示家族id，value代表该家族中所有玩家列表map<int, list<Fighter*> > m_familyList; //增加#include <map>
};int main()
{//创建游戏玩家Fighter* pplayerobj1 = new F_Warrior(10, "张三");pplayerobj1->SetFamilyID(100);Fighter* pplayerobj2 = new F_Warrior(20, "李四");pplayerobj2->SetFamilyID(100);Fighter* pplayerobj3 = new F_Mage(30, "王五");pplayerobj3->SetFamilyID(100);Fighter* pplayerobj4 = new F_Mage(50, "赵六");pplayerobj4->SetFamilyID(200);//创建通知器Notifier* ptalknotify = new TalkNotifier();//玩家增加到家族列表中来，这样才能收到家族聊天信息ptalknotify->addToList(pplayerobj1);ptalknotify->addToList(pplayerobj2);ptalknotify->addToList(pplayerobj3);ptalknotify->addToList(pplayerobj4);//某游戏玩家聊天，同族人都应该收到该信息pplayerobj1->SayWords("全族人立即到沼泽地集结，准备进攻！", ptalknotify);cout << "王五不想再收到家族其他成员的聊天信息了---" << endl;ptalknotify->removeFromList(pplayerobj3); //将王五从家族列表中删除pplayerobj2->SayWords("请大家听从族长的调遣，前往沼泽地！", ptalknotify);//释放资源delete pplayerobj1;delete pplayerobj2;delete pplayerobj3;delete pplayerobj4;delete ptalknotify;return 0;
}