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实例解析观察者模式及其在Java设计模式开发中的运用

一、观察者模式(Observer)的定义:

观察者模式又称为订阅―发布模式,在此模式中,一个目标对象管理所有相依于它的观察者对象,并且在它本身的状态改变时主动发出通知。这通常透过呼叫各观察者所提供的方法来实现。此种模式通常被用来事件处理系统。

1、观察者模式的一般结构

首先看下观察者模式的类图描述:

观察者模式的角色如下:

Subject(抽象主题接口):定义了主题类中对观察者列表的一系列操作, 包括增加,删除, 通知等。
Concrete Subject(具体主题类):
Observer(抽象观察者接口):定义了观察者对主题类更新状态接受操作。
ConcreteObserver(具体观察者类):实现观察者接口更新主题类通知等逻辑。
从这个类图可以看出, 主题类中维护了一个实现观察者接口的类列表, 主题类通过这个列表来对观察者进行一系列的增删改操作。观察者类也可以主动调用update方法来了解获取主题类的状态更新信息。

以上的类图所描述的只是基本的观察者模式的思想, 有很多不足。比如作为观察者也可以主动订阅某类主题等。下面的例子将进行一些改动, 以便适用具体的业务逻辑。

2、观察者模式示例

我们构建一个观察者和主题类, 观察者可以主动订阅主题或者取消主题。主题类统一被一个主题管理者所管理。下面给出类图:

Subject:

public interface Subject {
  //注册一个observer
  public void register(Observer observer);
  //移除一个observer
  public void remove(Observer observer);
  //通知所有观察者
  public void notifyObservers();
  //获取主题类要发布的消息
  public String getMessage();
}
ConcerteSubject:
public class MySubject implements Subject {
  private List<Observer> observers;
  private boolean changed;
  private String message;
  //对象锁, 用于同步更新观察者列表
  private final Object mutex = new Object();
  public MySubject() {
    observers = new ArrayList<Observer>();
    changed = false;
  }
  @Override
  public void register(Observer observer) {
    if (observer == null)
      throw new NullPointerException();
      //保证不重复
    if (!observers.contains(observer))
      observers.add(observer);
  }
  @Override
  public void remove(Observer observer) {
    observers.remove(observer);
  }
  @Override
  public void notifyObservers() {
    // temp list
    List<Observer> tempObservers = null;
    synchronized (mutex) {
      if (!changed)
        return;
      tempObservers = new ArrayList<>(this.observers);
      this.changed = false;
    }
    for(Observer obj : tempObservers) {
      obj.update();
    }
  }
  //主题类发布新消息
  public void makeChanged(String message) {
    System.out.println("The Subject make a change: " + message);
    this.message = message;
    this.changed = true;
    notifyObservers();
  }
  @Override
  public String getMessage() {
    return this.message;
  }
}

ConcerteSubject做出更新时, 就通知列表中的所有观察者, 并且调用观察者update方法以实现接受通知后的逻辑。这里注意notifyObservers中的同步块。在多线程的情况下, 为了避免主题类发布通知时, 其他线程对观察者列表的增删操作, 同步块中用一个临时List来获取当前的观察者列表。

SubjectManagement:主题类管理器

public class SubjectManagement {
  //一个记录 名字――主题类 的Map
  private Map<String, Subject> subjectList = new HashMap<String, Subject>();
  public void addSubject(String name, Subject subject) {
    subjectList.put(name, subject);
  }
  public void addSubject(Subject subject) {
    subjectList.put(subject.getClass().getName(), subject);
  }
  public Subject getSubject(String subjectName) {
    return subjectList.get(subjectName);
  }
  public void removeSubject(String name, Subject subject) {
  }
  public void removeSubject(Subject subject) {
  }
  //singleton
  private SubjectManagement() {}
  public static SubjectManagement getInstance() {
    return SubjectManagementInstance.instance;
  }
  private static class SubjectManagementInstance {
    static final SubjectManagement instance = new SubjectManagement();
  }
}

主题类管理器的作用就是在观察者订阅某个主题时, 获取此主题的实例对象。

Observer:

public interface Observer {
  public void update();
  public void setSubject(Subject subject);
}
ConcerteObserver:
public class MyObserver implements Observer {
  private Subject subject;
  // get the notify message from Concentrate Subject
  @Override
  public void update() {
    String message = subject.getMessage();
    System.out.println("From Subject " + subject.getClass().getName()
        + " message: " + message);
  }
  @Override
  public void setSubject(Subject subject) {
    this.subject = subject;
  }
  // subcirbe some Subject
  public void subscribe(String subjectName) {
    SubjectManagement.getInstance().getSubject(subjectName).register(this);
  }
  // cancel subcribe
  public void cancelSubcribe(String subjectName) {
    SubjectManagement.getInstance().getSubject(subjectName).remove(this);
  }
}

测试:我们将主题类和观察者抽象成写者和读者

public class ObserverTest {
  private static MySubject writer;
  @BeforeClass
  public static void setUpBeforeClass() throws Exception {
    writer = new MySubject();
    //添加一个名为Linus的作家
    SubjectManagement.getInstance().addSubject("Linus",writer);
  }
  @Test
  public void test() {
    //定义几个读者
    MyObserver reader1 = new MyObserver();
    MyObserver reader2 = new MyObserver();
    MyObserver reader3 = new MyObserver();
    reader1.setSubject(writer);
    reader2.setSubject(writer);
    reader3.setSubject(writer);
    reader1.subscribe("Linus");
    reader2.subscribe("Linus");
    reader3.subscribe("Linus");
    writer.makeChanged("I have a new Changed");
    reader1.update();
  }
}

以上就是观察者模式的小示例。可以看出每个主题类都要维护一个相应的观察者列表, 这里可以根据具体主题的抽象层次进一步抽象, 将这种聚集放到一个抽象类中去实现, 来共同维护一个列表, 当然具体操作要看实际的业务逻辑。

二、Servlet中的Listener

再说Servlet中的Listener之前, 先说说观察者模式的另一种形态――事件驱动模型。与上面提到的观察者模式的主题角色一样, 事件驱动模型包括事件源, 具体事件, 监听器, 具体监听器。
Servlet中的Listener就是典型的事件驱动模型。
JDK中有一套事件驱动的类, 包括一个统一的监听器接口和一个统一的事件源, 源码如下:

/**
 * A tagging interface that all event listener interfaces must extend.
 * @since JDK1.1
 */
public interface EventListener {
}

这是一个标志接口, JDK规定所有监听器必须继承这个接口。

public class EventObject implements java.io.Serializable {
  private static final long serialVersionUID = 5516075349620653480L;
  /**
   * The object on which the Event initially occurred.
   */
  protected transient Object source;
  /**
   * Constructs a prototypical Event.
   *
   * @param  source  The object on which the Event initially occurred.
   * @exception IllegalArgumentException if source is null.
   */
  public EventObject(Object source) {
    if (source == null)
      throw new IllegalArgumentException("null source");
    this.source = source;
  }
  /**
   * The object on which the Event initially occurred.
   *
   * @return  The object on which the Event initially occurred.
   */
  public Object getSource() {
    return source;
  }
  /**
   * Returns a String representation of this EventObject.
   *
   * @return A a String representation of this EventObject.
   */
  public String toString() {
    return getClass().getName() + "[source=" + source + "]";
  }
}

EvenObject是JDK给我们规定的一个统一的事件源。EvenObject类中定义了一个事件源以及获取事件源的get方法。

下面就分析一下Servlet Listener的运行流程。

1、Servlet Listener的组成

目前, Servlet中存在6种两类事件的监听器接口, 具体如下图:

具体触发情境如下表:

2、一个具体的Listener触发过程

我们以ServletRequestAttributeListener为例, 来分析一下此处事件驱动的流程。

首先一个Servlet中, HttpServletRequest调用setAttrilbute方法时, 实际上是调用的org.apache.catalina.connector.request#setAttrilbute方法。 我们看下它的源码:

public void setAttribute(String name, Object value) {
    ...
    //上面的逻辑代码已省略
    // 此处即通知监听者
    notifyAttributeAssigned(name, value, oldValue);
  }

下面是notifyAttributeAssigned(String name, Object value, Object oldValue)的源码

private void notifyAttributeAssigned(String name, Object value,
      Object oldValue) {
    //从容器中获取webAPP中定义的Listener的实例对象
    Object listeners[] = context.getApplicationEventListeners();
    if ((listeners == null) || (listeners.length == 0)) {
      return;
    }
    boolean replaced = (oldValue != null);
    //创建相关事件对象
    ServletRequestAttributeEvent event = null;
    if (replaced) {
      event = new ServletRequestAttributeEvent(
          context.getServletContext(), getRequest(), name, oldValue);
    } else {
      event = new ServletRequestAttributeEvent(
          context.getServletContext(), getRequest(), name, value);
    }
    //遍历所有监听器列表, 找到对应事件的监听器
    for (int i = 0; i < listeners.length; i++) {
      if (!(listeners[i] instanceof ServletRequestAttributeListener)) {
        continue;
      }
      //调用监听器的方法, 实现监听操作
      ServletRequestAttributeListener listener =
        (ServletRequestAttributeListener) listeners[i];
      try {
        if (replaced) {
          listener.attributeReplaced(event);
        } else {
          listener.attributeAdded(event);
        }
      } catch (Throwable t) {
        ExceptionUtils.handleThrowable(t);
        context.getLogger().error(sm.getString("coyoteRequest.attributeEvent"), t);
        // Error valve will pick this exception up and display it to user
        attributes.put(RequestDispatcher.ERROR_EXCEPTION, t);
      }
    }
  }

上面的例子很清楚的看出ServletRequestAttributeListener是如何调用的。用户只需要实现监听器接口就行。Servlet中的Listener几乎涵盖了Servlet整个生命周期中你感兴趣的事件, 灵活运用这些Listenser可以使程序更加灵活。

三、综合示例
举个例子,如果你看过TVB的警匪片,你就知道卧底的工作方式。一般一个警察可能有几个卧底,潜入敌人内部,打探消息,卧底完全靠他的领导的指示干活,领导说几点行动,他必须按照这个时间去执行,如果行动时间改变,他也要立马改变自己配合行动的时间。领导派两个卧底去打入敌人内部,那么领导相当于抽象主题,而督察警官张三这个人派了两个卧底李四和万王五,张三就相当于具体主题,卧底相当于抽象观察者,这两名卧底是李四和王五就是具体观察者,派的这个动作相当于观察者在主题的登记。那么这个类图如下:

利用javaAPI来实现,代码描述如下:

package observer; 
 
import java.util.List; 
import java.util.Observable; 
import java.util.Observer; 
/** 
 *描述:警察张三 
 */ 
public class Police extends Observable { 
 
  private String time ; 
  public Police(List<Observer> list) { 
    super(); 
    for (Observer o:list) { 
      addObserver(o); 
    } 
  } 
  public void change(String time){ 
    this.time = time; 
    setChanged(); 
    notifyObservers(this.time); 
  } 
} 
package observer; 
 
import java.util.Observable; 
import java.util.Observer; 
/** 
 *描述:卧底A 
 */ 
public class UndercoverA implements Observer { 
 
  private String time; 
  @Override 
  public void update(Observable o, Object arg) { 
    time = (String) arg; 
    System.out.println("卧底A接到消息,行动时间为:"+time); 
  } 
 
 
} 

package observer; 
 
import java.util.Observable; 
import java.util.Observer; 
/** 
 *描述:卧底B 
 */ 
public class UndercoverB implements Observer { 
  private String time; 
  @Override 
  public void update(Observable o, Object arg) { 
    time = (String) arg; 
    System.out.println("卧底B接到消息,行动时间为:"+time); 
  } 
 
 
 
} 

package observer; 
 
import java.util.ArrayList; 
import java.util.List; 
import java.util.Observer; 
/** 
 *描述:测试 
 */ 
public class Client { 
 
  /** 
   * @param args 
   */ 
  public static void main(String[] args) { 
    UndercoverA o1 = new UndercoverA(); 
    UndercoverB o2 = new UndercoverB(); 
    List<Observer> list = new ArrayList<>(); 
    list.add(o1); 
    list.add(o2); 
    Police subject = new Police(list); 
    subject.change("02:25"); 
    System.out.println("===========由于消息败露,行动时间提前========="); 
    subject.change("01:05"); 
     
  } 
 
} 

测试运行结果:

卧底B接到消息,行动时间为:02:25
卧底A接到消息,行动时间为:02:25
===========由于消息败露,行动时间提前=========
卧底B接到消息,行动时间为:01:05
卧底A接到消息,行动时间为:01:05

四、总结

观察者模式定义了对象之间一对多的关系, 当一个对象(被观察者)的状态改变时, 依赖它的对象都会收到通知。可以应用到发布――订阅, 变化――更新这种业务场景中。
观察者和被观察者之间用松耦合的方式, 被观察者不知道观察者的细节, 只知道观察者实现了接口。
事件驱动模型更加灵活,但也是付出了系统的复杂性作为代价的,因为我们要为每一个事件源定制一个监听器以及事件,这会增加系统的负担。

观察者模式的核心是先分清角色、定位好观察者和被观察者、他们是多对一的关系。实现的关键是要建立观察者和被观察者之间的联系、比如在被观察者类中有个集合是用于存放观察者的、当被检测的东西发生改变的时候就要通知所有观察者。在观察者的构造方法中将被观察者传入、同时将本身注册到被观察者拥有的观察者名单中、即observers这个list中。

1.观察者模式优点:
(1)抽象主题只依赖于抽象观察者
(2)观察者模式支持广播通信
(3)观察者模式使信息产生层和响应层分离

2.观察者模式缺点:
(1)如一个主题被大量观察者注册,则通知所有观察者会花费较高代价
(2)如果某些观察者的响应方法被阻塞,整个通知过程即被阻塞,其它观察者不能及时被通知

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