意圖
定義對象間的一種一對多的依賴關系,當一個對象的狀態發生改變時, 所有依賴於它的對象都得到通知並被自動更新。[GOF 《設計模式》]
結構圖
圖1 Observer模式結構圖
生活中的例子
觀察者定義了對象間一對多的關系，當一個對象的狀態變化時，所有依賴它的對象都得到通知並且自動地更新。拍賣演示了這種模式。每個投標人都有一個標有數字的牌子用於出價。拍賣師開始拍賣時，他觀察是否有牌子舉起出價。每次接受一個新的出價都改變了拍賣的當前價格，並且廣播給所有的投標人進行新的出價。
圖2 使用拍賣例子的觀察者模式
Observer模式解說
下面通過一個例子來說明Observer模式。監控某一個公司的股票價格變化，可以有多種方式，通知的對象可以是投資者，或者是發送到移動設備，還有電子郵件等。一開始我們先不考慮Observer模式，通過一步步地重構，最終重構為Observer模式。現在有這樣兩個類：Microsoft和Investor，如下圖所示：
圖3 UML靜態圖示例
它們的實現如下：
public class Microsoft
{
private Investor _investor;
private String _symbol;
private double _price;
public void Update()
{
_investor.SendData(this);
}
public Investor Investor
{
get { return _investor; }
set { _investor = value; }
}
public String Symbol
{
get { return _symbol; }
set { _symbol = value; }
}
public double Price
{
get { return _price; }
set { _price = value; }
}
}
public class Investor
{
private string _name;
public Investor(string name)
{
this._name = name;
}
public void SendData(Microsoft ms)
{
Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, ms.Symbol,ms.Price);
}
}
簡單的客戶端實現：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Investor investor = new Investor("Jom");
Microsoft ms = new Microsoft();
ms.Investor = investor;
ms.Symbol = "Microsoft";
ms.Price = 120.00;
ms.Update();
Console.ReadLine();
}
}
運行後結果如下：
Notified Jom of Microsoft's change to ￥120
可以看到，這段代碼運行並沒有問題，也確實實現了我們最初的設想的功能，把Microsoft的股票價格變化通知到了Jom投資者那兒。但是這裡面出現了如下幾個問題：
1．Microsoft和Investor之間形成了一種雙向的依賴關系，即Microsoft調用了Investor的方法，而Investor調用了Microsoft類的屬性。如果有其中一個類變化，有可能會引起另一個的變化。
2．當出現一種的通知對象，比如說是移動設備Mobile：
public class Mobile
{
private string _no;
public Mobile(string No)
{
this._no = No;
}
public void SendData(Microsoft ms)
{
Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _no, ms.Symbol, ms.Price);
}
}
這時候對應的Microsoft的類就應該改變為如下代碼，在Microsot類中增加Mobile，同時修改Update()方法使其可以通知到移動設備：
public class Microsoft
{
private Investor _investor;
private Mobile _mobile;
private String _symbol;
private double _price;
public void Update()
{
_investor.SendData(this);
_mobile.SendData(this);
}
public Mobile Mobile
{
get { return _mobile; }
set { _mobile = value; }
}
public Investor Investor
{
get { return _investor; }
set { _investor = value; }
}
public String Symbol
{
get { return _symbol; }
set { _symbol = value; }
}
public double Price
{
get { return _price; }
set { _price = value; }
}
}
顯然這樣的設計極大的違背了“開放-封閉”原則，這不是我們所想要的，僅僅是新增加了一種通知對象，就需要對原有的Microsoft類進行修改，這樣的設計是很糟糕的。對此做進一步的抽象，既然出現了多個通知對象，我們就為這些對象之間抽象出一個接口，用它來取消Microsoft和具體的通知對象之間依賴。
圖4 靜態UML圖示例
實現代碼如下：
public interface IObserver
{
void SendData(Microsoft ms);
}
public class Investor : IObserver
{
private string _name;
public Investor(string name)
{
this._name = name;
}
public void SendData(Microsoft ms)
{
Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, ms.Symbol,ms.Price);
}
}
public class Microsoft
{
private IObserver _investor;
private String _symbol;
private double _price;
public void Update()
{
_investor.SendData(this);
}
public String Symbol
{
get { return _symbol; }
set { _symbol = value; }
}
public double Price
{
get { return _price; }
set { _price = value; }
}
public IObserver Investor
{
get { return _investor; }
set { _investor = value; }
}
}
做到這一步，可以看到，我們在降低兩者的依賴性上已經邁進了一小步，正在朝著弱依賴性這個方向變化。在Microsoft類中已經不再依賴於具體的Investor，而是依賴於接口IObserver。
但同時我們看到，再新出現一個移動設備這樣的通知對象，Microsoft類仍然需要改變，對此我們再做如下重構，在Microsoft中維護一個IObserver列表，同時提供相應的維護方法。
圖5 靜態UML示例圖
Microsoft類的實現代碼如下：
public class Microsoft
{
private List<IObserver> observers = new List<IObserver>();
private String _symbol;
private double _price;
public void Update()
{
foreach (IObserver ob in observers)
{
ob.SendData(this);
}
}
public void AddObserver(IObserver observer)
{
observers.Add(observer);
}
public void RemoveObserver(IObserver observer)
{
observers.Remove(observer);
}
public String Symbol
{
get { return _symbol; }
set { _symbol = value; }
}
public double Price
{
get { return _price; }
set { _price = value; }
}
}
此時客戶端的調用代碼：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
IObserver investor1 = new Investor("Jom");
IObserver investor2 = new Investor("TerryLee");
Microsoft ms = new Microsoft();
ms.Symbol = "Microsoft";
ms.Price = 120.00;
ms.AddObserver(investor1);
ms.AddObserver(investor2);
ms.Update();
Console.ReadLine();
}
}
走到這一步，已經有了Observer模式的影子了，Microsoft類不再依賴於具體的Investor，而是依賴於抽象的IOberver。存在著的一個問題是Investor仍然依賴於具體的公司Microsoft，況且公司還會有很多IBM，Google等，解決這樣的問題很簡單，只需要再對Microsoft類做一次抽象。如下圖所示：
圖6 靜態UML示例圖
實現代碼如下：
public abstract class Stock
{
private List<IObserver> observers = new List<IObserver>();
private String _symbol;
private double _price;
public Stock(String symbol, double price)
{
this._symbol = symbol;
this._price = price;
}
public void Update()
{
foreach (IObserver ob in observers)
{
ob.SendData(this);
}
}
public void AddObserver(IObserver observer)
{
observers.Add(observer);
}
public void RemoveObserver(IObserver observer)
{
observers.Remove(observer);
}
public String Symbol
{
get { return _symbol; }
}
public double Price
{
get { return _price; }
}
}
public class Microsoft : Stock
{
public Microsoft(String symbol, double price)
: base(symbol, price)
{ }
}
public interface IObserver
{
void SendData(Stock stock);
}
public class Investor : IObserver
{
private string _name;
public Investor(string name)
{
this._name = name;
}
public void SendData(Stock stock)
{
Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, stock.Symbol,stock.Price);
}
}
客戶端程序代碼如下：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Stock ms = new Microsoft("Microsoft",120.00);
ms.AddObserver(new Investor("Jom"));
ms.AddObserver(new Investor("TerryLee"));
ms.Update();
Console.ReadLine();
}
}
到這裡我們可以看到，通過不斷的重構，不斷地抽象，我們由一開始的很糟糕的設計，逐漸重構為使用Observer模式的這樣一個方案。在這個例子裡面，IOberser充當了觀察者的角色，而Stock則扮演了主題對象角色，在任何時候，只要調用了Stock的Update()方法，它就會通知它的所有觀察者對象。同時可以看到，通過Observer模式，取消了直接依賴，變為間接依賴，這樣大大提供了系統的可維護性和可擴展性。
推模式與拉模式
對於發布-訂閱模型，大家都很容易能想到推模式與拉模式，用SQL Server做過數據庫復制的朋友對這一點很清楚。在Observer模式中同樣區分推模式和拉模式，我先簡單的解釋一下兩者的區別：推模式是當有消息時，把消息信息以參數的形式傳遞（推）給所有觀察者，而拉模式是當有消息時，通知消息的方法本身並不帶任何的參數，是由觀察者自己到主體對象那兒取回（拉）消息。知道了這一點，大家可能很容易發現上面我所舉的例子其實是一種推模式的Observer模式。我們先看看這種模式帶來了什麼好處：當有消息時，所有的觀察者都會直接得到全部的消息，並進行相應的處理程序，與主體對象沒什麼關系，兩者之間的關系是一種松散耦合。但是它也有缺陷，第一是所有的觀察者得到的消息是一樣的，也許有些信息對某個觀察者來說根本就用不上，也就是觀察者不能“按需所取”；第二，當通知消息的參數有變化時，所有的觀察者對象都要變化。鑒於以上問題，拉模式就應運而生了，它是由觀察者自己主動去取消息，需要什麼信息，就可以取什麼，不會像推模式那樣得到所有的消息參數。OK，說到這兒，你是否對於推模式和拉模式有了一點了解呢？我把前面的例子修改為了拉模式，供大家參考，可以看到通知方法是沒有任何參數的：
public abstract class Stock
{
private List<IObserver> observers = new List<IObserver>();
private String _symbol;
private double _price;
public Stock(String symbol, double price)
{
this._symbol = symbol;
this._price = price;
}
public void Update()
{
foreach (IObserver ob in observers)
{
ob.SendData();
}
}
public void AddObserver(IObserver observer)
{
observers.Add(observer);
}
public void RemoveObserver(IObserver observer)
{
observers.Remove(observer);
}
public String Symbol
{
get { return _symbol; }
}
public double Price
{
get { return _price; }
}
}
public class Microsoft : Stock
{
public Microsoft(String symbol, double price)
: base(symbol, price)
{ }
}
public interface IObserver
{
void SendData();
}
public class Investor : IObserver
{
private string _name;
private Stock _stock;
public Investor(string name,Stock stock)
{
this._name = name;
this._stock = stock;
}
public void SendData()
{
Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, _stock.Symbol, _stock.Price);
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Stock ms = new Microsoft("Microsoft", 120.00);
ms.AddObserver(new Investor("Jom",ms));
ms.AddObserver(new Investor("TerryLee",ms));
ms.Update();
Console.ReadLine();
}
}
當然拉模式也是有一些缺點的，主體對象和觀察者之間的耦合加強了，但是這可以通過抽象的手段使這種耦合關系減到最小。[感謝idior的意見]
.NET中的Observer模式
在.NET中，相信大家對於事件和委托都已經不陌生了，這裡就不具體多說了。利用事件和委托來實現Observer模式我認為更加的簡單和優雅，也是一種更好的解決方案。因為在上面的示例中我們可以看到，雖然取消了直接耦合，但是又引入了不必要的約束（暫且這麼說吧）。即那些子類必須都繼承於主題父類，還有觀察者接口等。網上有很多這方面的例子，上面的例子簡單的用事件和委托實現如下，僅供大家參考：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Stock stock = new Stock("Microsoft", 120.00);
Investor investor = new Investor("Jom");
stock.NotifyEvent += new NotifyEventHandler(investor.SendData);
stock.Update();
Console.ReadLine();
}
}
public delegate void NotifyEventHandler(object sender);
public class Stock
{
public NotifyEventHandler NotifyEvent;
private String _symbol;
private double _price;
public Stock(String symbol, double price)
{
this._symbol = symbol;
this._price = price;
}
public void Update()
{
OnNotifyChange();
}
public void OnNotifyChange()
{
if (NotifyEvent != null)
{
NotifyEvent(this);
}
}
public String Symbol
{
get { return _symbol; }
}
public double Price
{
get { return _price; }
}
}
public class Investor
{
private string _name;
public Investor(string name)
{
this._name = name;
}
public void SendData(object obj)
{
if (obj is Stock)
{
Stock stock = (Stock)obj;
Console.WriteLine("Notified {0} of {1}'s " + "change to {2:C}", _name, stock.Symbol, stock.Price);
}
}
}
效果及實現要點
1．使用面向對象的抽象，Observer模式使得我們可以獨立地改變目標與觀察者，從而使二者之間的依賴關系達到松耦合。
2．目標發送通知時，無需指定觀察者，通知（可以攜帶通知信息作為參數）會自動傳播。觀察者自己決定是否需要訂閱通知。目標對象對此一無所知。
3．在C#中的Event。委托充當了抽象的Observer接口，而提供事件的對象充當了目標對象，委托是比抽象Observer接口更為松耦合的設計。
適用性
1．當一個抽象模型有兩個方面, 其中一個方面依賴於另一方面。將這二者封裝在獨立的對象中以使它們可以各自獨立地改變和復用。
2．當對一個對象的改變需要同時改變其它對象, 而不知道具體有多少對象有待改變。
3．當一個對象必須通知其它對象，而它又不能假定其它對象是誰。換言之, 你不希望這些對象是緊密耦合的。
總結
通過Observer模式，把一對多對象之間的通知依賴關系的變得更為松散，大大地提高了程序的可維護性和可擴展性，也很好的符合了開放-封閉原則。
參考資料
Erich Gamma等，《設計模式：可復用面向對象軟件的基礎》，機械工業出版社
Robert C.Martin，《敏捷軟件開發：原則、模式與實踐》，清華大學出版社
閻宏，《Java與模式》，電子工業出版社
Alan Shalloway James R. Trott，《Design Patterns Explained》，中國電力出版社
MSDN WebCast 《C#面向對象設計模式縱橫談(19)：Observer 觀察者模式(行為型模式)》
