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发布订阅/回调模型的核心技术——观察者模式复习总结

dashuai的博客 2019-02-10 17:51:00 阅读数:163 评论数:0 点赞数:0 收藏数:0

前言

这是一个原理非常重要,写法很常见的一个模式,值得深入理解和总结一下

可以想 zookeeper 等,有时系统需要定时(可插拔)接收或者监听其他服务的动态,这类需求经常见到,那么观察者模式就是做这个的:

一个软件系统里面包含了各种对象,就像一片欣欣向荣的森林充满了各种生物一样。在一片森林中,各种生物彼此依赖和约束,形成一个个生物链。一种生物的状态变化会造成其他一些生物的相应行动,每一个生物都处于别的生物的互动之中。

同样,一个软件系统常常要求在某一个对象的状态发生变化的时候,某些其他的对象做出相应的改变。做到这一点的设计方案有很多,但是为了使系统能够易于复用,应该选择低耦合度的设计方案。减少对象之间的耦合有利于系统的复用,但是同时设计师需要使这些低耦合度的对象之间能够维持行动的协调一致,保证高度的协作。

观察者模式是满足这一要求的各种设计方案中最重要的一种。

通俗的解释,联系生活中的邮件订阅或者报纸,杂志的订阅服务

1、xx 报社的业务就是出版报纸

2、张三向 xx 报社订阅了 A 品牌的报纸,只要 xx 报社有新一期的 A 报纸出版,就会派快递员给张三送到家。不仅仅是张三,任何公民,只要你成为了 xx 报社的 A 报的订户,你就会一直收到 A 报纸

3、随着信息时代的发展,张三迷恋起了手机新闻类的 APP,不想浪费钱订阅纸质的 A 报纸了。此时,张三可以取消 A 报纸的订阅,下一期 xx 报社就不会再送新的 A 报纸给张三

4、只要 xx 报社还在正常营业,理论上就会一直有人(或其它单位,也就是多人)向他们订阅报纸或取消订阅报纸

这就是所谓的发布订阅模式的生活模型,也叫出版订阅模式

而出版者+多个订阅者(也可以为一个)= 观察者模式,在观察者模式里,学术性的叫法是管出版者称为“主题”,订阅者称为“观察者”,仅此而已

显然,观察者模式定义了对象之间的一对多的依赖关系——当一个对象改变状态时,它的所有依赖者都会受到通知并自动更新状态。它是对象的行为模式。

案例1:气象观测系统

当前有一个气象监测系统,它有三个子系统:

1、一个 WeatherData 系统,负责计算、追踪目前的天气状况(温度,湿度,气压)。

2、三种电子显示器(这里不涉及前端),分别显示给用户目前的天气状况、气象统计信息、及简单的天气预报。当 WeatherData 从气象站获得了最新的测量数据时,三种布告板必须被实时更新。

3、气象站,它是一个物理设备,能获取实际的天气数据。

按照OOP的一般原则,应该最好把该系统设计成一个可扩展的服务,比如:

1、比如只公布 API,隐藏内部实现

2、让其他服务的 RD 可以自定义气象显示器,并插入此应用中。 

当前的 demo 如下:

/**
* 不关心这些数据到底如何从物理设备——气象站获取的
* 这是硬件工程师和气象工程师的事情
*/
public class WeatherData {
public int getTemperature() {
return 0;
}
public int getHumidity() {
return 0;
}
public int getPressure() {
return 0;
}
public void measurementsChanged() {
// 一旦气象测量更新,此方法会被调用
 }
}

如上 demo 可知现状:

1、WeatherData 类具有getter方法,可以从气象站取得测量值

2、当 WeatherData 从气象站获得了最新的测量数据时,measurementsChanged()方法必须要被调用

3、需要对接的 RD 实现天气预报的显示功能(三个显示器,这里不涉及前端),即:一旦 WeatherData 获取了新的测量数据,这些数据必须也同步更新到页面。

另外,要求此系统必须可扩展,比如 RD 可以自定义显示功能,还可以随意的更换或增删显示功能,而不会影响整个系统

气象观测系统的实现版本 1

有 RD 是这样实现WeatherData 类的 measurementsChanged 方法的:

/**
* 不关心这些数据到底如何从物理设备——气象站获取的
* 这是硬件工程师和气象工程师的事情
*/
public class WeatherData {
// 这些方法实现,不属于我们管
public float getTemperature() {
return 0;
}
// 这些方法实现,不属于我们管
public float getHumidity() {
return 0;
}
// 这些方法实现,不属于我们管
public float getPressure() {
return 0;
}
public void measurementsChanged() {
float temp = getTemperature();
float humidity = getHumidity();
float pressure = getPressure();
// 三种显示器的实现类的对象:
// currentConditionsDisplay 当前天气状态实时显示
// statisticsDisplay 天气数据统计信息展示
// forecastDisplay 天气预报展示
 currentConditionsDisplay.update(temp, humidity, pressure);
statisticsDisplay.update(temp, humidity, pressure);
forecastDisplay.update(temp, humidity, pressure);
}
// 这里是其他WeatherData方法
// …………
}

挑出问题

问题:

1、显示器是针对具体实现编程,而非针对接口编程,面向具体的实现编程会导致我们以后在修改显示器的名字时,也必须修改 WeatherData 程序

2、其实第 1 点更想表达的问题是:它的可扩展性很差,如果产品需要增加新的显示器类型,那么每次增加(当然也包括删除),都要打开 measurementsChanged 方法,修改代码,在复杂的业务系统中,增加测试难度,而且反复修改稳定的代码容易衍生bug

3、无法再运行时动态地增加(或删除)显示器

4、没有区分变化和不变,更没有封装改变的部分

5、第 4 点也说明:WeatherData 类的封装并不好

改进:

1、measurementsChanged 里的三个 update 方法,很明显可以抽象出一个接口——面向接口编程

2、显示器的实现对象们,明显是经常需要改变的部分,应该拆分变化的部分,并且独立抽取出来,做封装

观察者模式的标准定义

观察者模式是对象的行为模式,也叫发布-订阅 (Publish/Subscribe)模式、模型-视图 (Model/View)模式(这里可以联系 MVC 架构模式)、源-监听器 (Source/Listener) 模式或从属者(Dependents)模式等等,其实说的都是一个东西。观察者模式定义了一种对象间的一对多的依赖关系——让多个观察者对象同时监听某一个主题对象。这个主题对象在状态发生变化时,会通知所有已经注册(订阅了自己的)观察者对象,使它们能够自动更新自己。

标准类图和角色

观察者模式所涉及的角色有:

1、抽象主题(Subject)角色

抽象主题角色把所有对观察者对象的引用(注册的观察者们,订阅者们)保存在一个聚集(比如ArrayList对象)里,每个主题(其实主题也是可以有多个的)都可以有任何数量的观察者。抽象主题提供一个接口,可以增加和删除观察者对象,抽象主题角色又叫做抽象被观察者(Observable)角色。

2、具体主题(ConcreteSubject)角色

将有关状态存入具体观察者对象。在具体主题的内部状态改变时,给所有登记(注册)过的观察者发出通知(notify方法调用)。具体主题角色又叫做具体被观察者(Concrete Observable)角色。

3、抽象观察者(Observer)角色

为所有的具体观察者定义一个接口,实现 update 行为,在得到主题的通知(notify调用)时,update 被调用,从而能够更新自己,这个接口叫做更新接口。

4、具体观察者(ConcreteObserver)角色

存储与主题的状态自恰的状态。具体观察者角色实现抽象观察者角色所要求的更新接口,以便使本身的状态与主题的状态协调。如果需要,具体观察者角色可以保持一个指向具体主题对象的引用。

理解一对多的关联关系

所谓的对象间的一对多关系,是指主题是一个具有状态的主题,这个状态可以改变,另一方面,观察者们需要使用这个变化的状态,但是这个状态并不属于观察者自己维护,那么就需要观察者们去依赖主题的通知,让主题来告诉它们,何时状态发生了改变……

这就产生了一个关系——一个主题对应了多个观察者的关系。

因为主题对象是真正的维护变化的状态的一方,观察者是主题的依赖方,在主题的状态变化时,推送自己的变化给这些观察者们,比起让每个观察者自行维护该状态(一般是一个对象)要更加安全和 OO。

高内聚和低耦合的设计原则

在 遍历“容器”的优雅方法——总结迭代器模式 中,阐述了高内聚和单一职责,现在看下低耦合,也叫松耦合设计原则。

低耦合的定义:两个对象之间松耦合,就是说他们依然可以互交,但是不清楚彼此的实现细节。

观察者模式恰恰能提供一种一对多对象依赖关系的设计,让主题和观察者之间松耦合。

1、主题只知道各个注册的观察者们实现了某个接口(也就是 Observer 接口,观察者的接口),主题不需要,也不应该知道各个观察者的具体实现类是谁,它们都做了些什么

2、任何时候,RD 都可以为系统增加新的观察者。因为主题唯一依赖的东西是一个实现了 Observer 接口的对象列表,所以 RD 可以随时增加观察者。同样的,也可以在任何时候删除某些观察者。

3、在运行时,可以用新的观察者实现取代现有的观察者实现,而主题不会受到任何影响——代码不需要修改,假如以后扩展了新的业务,需要增加一个新的业务对象做为观察者,RD 不需要为了兼容新类型而修改主题的代码,所有要做的工作就是让新的业务类实现观察者接口——Observer ,并向主题注册为观察者即可,主题不 care 向其注册的对象具体都是谁,它只 care 何时发送什么通知,给所有实现了观察者接口的对象。

阶段小结

低耦合的设计能够建立有弹性的OO系统,将对象间的依赖降到最低,较容易的应对变化

气象观测系统的实现版本 2——基于推模型的观察者模式

气象观测系统的 WeatherData 类正是观察者模式中的“一”,“多”正是使用天气观测的各种显示器对象。

/**
* 主题接口
*/
public interface Subject {
void registerObserver(Observer o);
void removeObserver(Observer o);
void notifyObservers();
}
 
/////////////////////////////
/**
* 观察者接口
*/
public interface Observer {
void update(float temp, float humidity, float pressure);
}
/////////////////////////////
/**
* 显示器的接口,因为每个显示器都有一个展示的方法,故抽象出来,设计为接口
*/
public interface DisplayElement {
void display();
}
 
/////////////////////////////
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* 具体的主题——气象观测系统
*/
public class WeatherData implements Subject {
private List<Observer> observers; // 主题聚合了观察者,多用聚合(组合)慎用继承
private float temperature;
private float humidity;
private float pressure;
public WeatherData() {
observers = new ArrayList<>();
}
public float getTemperature() {
return temperature;
}
public float getHumidity() {
return humidity;
}
public float getPressure() {
return pressure;
}
@Override
public void registerObserver(Observer o) {
observers.add(o); // 注册观察者
 }
@Override
public void removeObserver(Observer o) {
observers.remove(o);
}
@Override
public void notifyObservers() {
for (Observer obs : observers) {
obs.update(temperature, humidity, pressure);
}
}
// 之前 demo 里的方法,抽取封装了变化的 update 代码,且面向接口编程,这里还能额外进行校验等
private void measurementsChanged() {
notifyObservers();
}
// 被动接收气象站的数据更新,或者主动抓取,这里可以实现爬虫等功能
public void setMeasurements(float temperature, float humidity, float pressure) {
this.temperature = temperature;
this.humidity = humidity;
this.pressure = pressure;
// 一旦数据更新了,就立即同步观察者们,这就是所谓的 push——推模型的观察者设计模式的实现,对应的还有
// 一种基于拉模型的——pull模型的实现
 measurementsChanged();
}
}
/////////////////////////////
/**
* 各个显示器类也是具体的观察者们
*/
public class CurrentConditionsDisplay implements DisplayElement, Observer {
private float temperature;
private float humidity;
private Subject weatherData; // 非必须,必要的时候,可以聚合主题接口的引用(指针),指向具体的主题对象
// 实现向上转型,面向接口编程,解耦合
public CurrentConditionsDisplay(Subject weatherData) {
this.weatherData = weatherData;
// 将自己(订阅者)注册到主题中(发布者中)
weatherData.registerObserver(this);
}
@Override
public void display() {
System.out.println("Current conditions: " + temperature
+ "degrees and " + humidity + "is % humidity");
}
@Override
public void update(float temp, float humidity, float pressure) {
this.temperature = temp;
this.humidity = humidity;
display();
}
}
 
/////////////////////////////
/**
* 各个显示器类也是具体的观察者们
*/
public class ForecastDisplay implements DisplayElement, Observer {
private float currentPressure = 29.92f;
private float lastPressure;
private Subject weatherData;
public ForecastDisplay(WeatherData weatherData) {
this.weatherData = weatherData;
weatherData.registerObserver(this);
}
@Override
public void display() {
System.out.print("Forecast: ");
if (currentPressure > lastPressure) {
System.out.println("Improving weather on the way!");
} else if (currentPressure == lastPressure) {
System.out.println("More of the same");
} else if (currentPressure < lastPressure) {
System.out.println("Watch out for cooler, rainy weather");
}
}
@Override
public void update(float temp, float humidity, float pressure) {
lastPressure = this.currentPressure;
this.currentPressure = pressure;
display();
}
}
/////////////////////////////
/**
* 各个显示器类也是具体的观察者们
*/
public class StatisticsDisplay implements Observer, DisplayElement {
private float maxTemp = 0.0f;
private float minTemp = 200;
private float tempSum = 0.0f;
private int numReadings;
private Subject weatherData;
public StatisticsDisplay(WeatherData weatherData) {
this.weatherData = weatherData;
weatherData.registerObserver(this);
}
@Override
public void display() {
System.out.println("Avg/Max/Min temperature = " + (tempSum / numReadings)
+ "/" + maxTemp + "/" + minTemp);
}
@Override
public void update(float temp, float humidity, float pressure) {
this.tempSum += temp;
this.numReadings++;
if (temp > this.maxTemp) {
this.maxTemp = temp;
}
if (temp < this.minTemp) {
this.minTemp = temp;
}
display();
}
}
 
///////////////////////////// 测试类
/**
* 气象站,模拟物理设备
*/
public class WeatherStation {
public static void main(String[] args) {
WeatherData weatherData = new WeatherData(); // 主题
// 各个观察者注册到主题
Observer currentDisplay = new CurrentConditionsDisplay(weatherData);
Observer statisticsDisplay = new StatisticsDisplay(weatherData);
Observer forecastDisplay = new ForecastDisplay(weatherData);
// 本设备会给气象观测系统推送变化的数据
weatherData.setMeasurements(80, 65, 30.4f);
weatherData.setMeasurements(82, 70, 29.2f);
weatherData.setMeasurements(78, 90, 29.2f);
}
}

问题发现

虽然基于观察者模式实现了该系统,但是还有不完美的地方:

要更新的数据的传递方式

在观察者接口的 update 方法中,其参数是各个经常变化的,被观测的气象参数,我们把观测值直接传入观察者中,并不是一种好的实现方法。比如,这些观测值的种类和个数在未来有可能改变,如果以后会改变,这些变化并没有被很好地封装。会牵一发动全身——需要修改许多地方的代码,再下一版中修改。

update 和 display 方法的位置

乍一看,update的同时,就把变化显示,是合理的。但是还有更好的设计方式,比如 MVC 架构模式中的实现,再下一版中说明。

具体观察者不写主题的引用的后果

如果不写这个主题引用,那么以后想增加取消订阅的方法(或者其他可能的方法),就不太方便。故还是一开始就保留引用。

push 模型

当前的实现是基于推模型的观察者模式实现,即主题主动推送更新给观察者,这样做的理由:

1、主题可以集齐所有数据,灵活的决定发送的数据量,可以一次性的推送完整的数据给观察者

2、观察者不需要主动的反复拉取数据,责任被分割

但是,有时候也得结合业务来看,比如当观察者很多很多的时候:

1、主题也许并不能完全掌握每个观察者的需求,那么让观察者主动 pull 数据,也许是比较好的实现。

2、在极多个观察者的场景下,如果仅仅是某些个别的观察者需要一点儿数据,那么主题仍然会通知全部的观察者,导致和该业务无关的观察者都要被通知,这是没有必要的。

3、外一以后观察者需要扩展一些状态,如果采用推模型,那么主题除了要新增必要的状态属性外,还要修改通知的代码逻辑。如果基于拉模型,主题只需要提供一些对外的getter方法,让观察者调用(主动拉取数据),那么当观察者扩展状态属性时,主题就不需要修改对各个观察者的调用代码。仅仅增加属性和对应的getter方法即可。

不过,生产环境中,也有很多是两个模型都实现了。

针对 pull 模型,JDK 中已经实现的观察者模式 API 也给我们实现好了,也就是说,JDK 有自带的观察者模式 API,且可以实现 push 或者 pull 模型的观察者模式。

气象监测系统的实现版本3——基于拉模型

使用 JDK 内置的观察者模式 API 实现,java.util 包内含有最基本的 Observer 接口——观察者,与 Observable 类(注意,JDK 设计的是类)——主题,这和第 4 节中的 Subject 接口与 Observer 接口十分相似。

基于 JDK 内置支持,实现观察者模式的拉模型

WeatherData 直接扩展 java.util.Observable 类,并继承到一些增加、删除、通知观察者的方法等,就摇身一变成了主题类。

各个观察者只需要实现观察者接口——java.uitl.Observer。

import java.util.Observable;

public class WeatherData extends Observable {
private float temperature;
private float humidity;
private float pressure;
public WeatherData() {
}
public float getTemperature() {
return temperature;
}
public float getHumidity() {
return humidity;
}
public float getPressure() {
return pressure;
}
private void measurementsChanged() {
// 从java.util.Observable;继承,线程安全
// 拉模型实现,只是设置一个状态,如果状态位变了,就说明数据变更
 setChanged();
// 从java.util.Observable;继承,线程安全,只有当状态位为true,通知才有效,之后观察者们会主动拉取数据
 notifyObservers();
}
public void setMeasurements(float temperature, float humidity, float pressure) {
this.temperature = temperature;
this.humidity = humidity;
this.pressure = pressure;
measurementsChanged();
}
}
 
/////////////////// 省略 DisplayElement 接口,和之前一样
import java.util.Observable;
import java.util.Observer;

public class CurrentConditionsDisplay implements Observer, DisplayElement {
private Observable observable; // java.util.Observable;
private float temperature;
private float humidity;
public CurrentConditionsDisplay(Observable observable) {
this.observable = observable;
// 继承自 java.util.Observable;
this.observable.addObserver(this);
}
public void removeObserver() {
this.observable.deleteObserver(this);
}
@Override
public void display() {
System.out.println("Current conditions: " + temperature
+ "F degrees and " + humidity + "% humidity");
}
// 从 java.util.Observer; 实现来的,实现的拉模型,arg 是空
// 额外的多了 Observable o 参数,让观察者能知道:到底是哪个主题通知的
 @Override
public void update(Observable o, Object arg) {
// 非常灵活的设计,可以指定观察者只响应特定主题的通知,而不是默认强制的全部被通知
if (o instanceof WeatherData) {
WeatherData weatherData = (WeatherData) o;
// 拉数据,让观察者具有了很大灵活性——自己决定需要什么数据
this.temperature = weatherData.getTemperature();
this.humidity = weatherData.getHumidity();
display();
}
}
}

注册观察者就是调用 Obsecable 的 addObserver()方法。取消注册,即调用 deleteObserver() 方法。

当需要发出通知时:

1、调用 Obsecable 的 setChanged 方法,会修改一个状态位为 true,说明状态已经改变了

2、调用 notifyObservers(); 或者 notifyObservers(Object obj); 前者是拉模型,后者是推模型

3、notifyObservers(Object obj); 是把变化的数据整合为了一个对象,在自定义实现的时候,如果 notify 的参数较多,也可以这样封装

关于 JDK 的观察者模式实现,参考:JDK 自带的观察者模式源码分析以及和自定义实现的取舍

回调机制和观察者模式

所谓回调:A类调用B类的方法C,然后B类反过来调用A类的方法D,D方法就叫回调方法,和观察者模式原理是一样的,只不过观察者只有一个,即一对一的关系。而且结合多线程,可以实现异步回调。

一般写程序是你调用系统的API,如果把关系反过来,你写一个函数,让系统调用你的函数,那就是回调了,那个被系统调用的函数就是回调函数。

示例代码

/**
* 一请求一线程模式
*/
public class ClientHandler {
private final Socket clientSocket;
private final ClientReadHandler clientReadHandler;
private final CloseNotify closeNotify; // 回调接口
public ClientHandler(Socket clientSocket, CloseNotify closeNotify) throws IOException {
this.clientSocket = clientSocket;
this.clientReadHandler = new ClientReadHandler(clientSocket.getInputStream());
this.closeNotify = closeNotify; // 回调
 }
private void exitByMyself() {
// 一些关闭的业务代码
closeNotify.onSelfClosed(this);
}
/**
* 回调接口:告诉服务器,某个客户端已经退出了,服务器要删除这个 client handler
*/
public interface CloseNotify {
void onSelfClosed(ClientHandler thisHandler);
}
private class ClientReadHandler extends Thread {
private final InputStream inputStream;
private boolean done = false;
ClientReadHandler(InputStream inputStream) {
this.inputStream = inputStream;
}
@Override
public void run() {
try {
InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(ClientReadHandler.this.inputStream);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);
do {
String line = bufferedReader.readLine();
if (line == null) {
ClientHandler.this.exitByMyself(); // line 收到的是 null,就认为异常了,需要通知服务端去除该异常客户端
break;
}
System.out.println(line);
} while (!this.done);
} catch (Exception e) {
if (!this.done) {
ClientHandler.this.exitByMyself();
}
}
}
}
}

服务器端,需要实现回调接口,这里是使用的内部接口

public class TCPServer {
private final int portServer;
private final List<ClientHandler> clientHandlerList = new ArrayList<>(); // 保存连接的客户端实例
private ClientListener clientListener;
public TCPServer(int portServer) {
this.portServer = portServer;
}
public boolean start(String name) {
try {
ClientListener clientListener = new ClientListener(name, this.portServer);
this.clientListener = clientListener;
clientListener.start();
} catch (Exception e) {
return false;
}
return true;
}
private class ClientListener extends Thread {
private ServerSocket serverSocket;
private boolean done = false;
ClientListener(String name, int portServer) throws IOException {
super(name);
this.serverSocket = create(portServer); // 监听 portServer 端口
 }

@Override
public void run() {
int count = 0;
do {
Socket clientSocket;
try {
clientSocket = this.serverSocket.accept();
} catch (IOException e) {
if (!this.done) {
e.printStackTrace();
}
continue;
} finally {
count++;
}
ClientHandler clientHandler;
try {
clientHandler = new ClientHandler(clientSocket, new ClientHandler.CloseNotify() {
@Override
public void onSelfClosed(ClientHandler thisHandler) {
TCPServer.this.clientHandlerList.remove(thisHandler);
}
});
clientHandler.readAndPrint();
TCPServer.this.clientHandlerList.add(clientHandler);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
} while (!this.done);
}
}
} 

观察者模式的典型应用

1、侦听事件驱动程序设计中的外部事件

2、侦听/监视某个对象的状态变化

3、发布者/订阅者(publisher/subscriber)模型中,当一个外部事件(新的产品,消息的出现等等)被触发时,通知邮件列表中的订阅者

……

开源框架中应用了观察者模式的例子

最经典的就是SpringMVC了,因为 MVC 架构模式就应用了观察者模式——多个 view 注册监听 model。

另外,比如 Tomcat、Netty 等著名的开源软件,也都广泛应用了观察者模式,包括任何具有回调方法的软件中,都有观察者模式的思想。

非常重要的一个设计模式 

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