C++中的观察者模式：通俗易懂的讲解与实现
什么是观察者模式？
观察者模式是一种常见的设计模式，它解决了这样一个问题：当某个对象的状态发生变化时，如何通知依赖它的其他对象？
用通俗的话说，观察者模式就像我们日常的“订阅-通知”机制：
- 主题（Subject） 是信息的提供者（比如新闻网站、天气站）。
- 观察者（Observer） 是信息的订阅者（比如读者、天气App）。
- 当主题有了新的变化（如新闻更新、天气变化），会通知所有订阅的观察者。
观察者模式的特点
-
松耦合
主题和观察者之间通过接口交互，彼此不直接依赖，可以独立扩展。 -
动态订阅与取消订阅
观察者可以随时订阅或取消订阅，运行时非常灵活。 -
通知机制自动化
主题变化后，会统一通知所有订阅者。
适用场景
-
消息通知
比如新闻推送系统，用户订阅后，新闻更新会自动推送。 -
数据驱动更新
在界面设计中，数据变化时需要动态更新UI（如MVC架构）。 -
事件触发系统
游戏中玩家状态变化需要通知其他玩家，或者股票系统推送实时行情。
C++实现观察者模式：天气预报案例
为了演示观察者模式，我们用一个天气预报系统来举例：
- 主题（WeatherStation）： 模拟一个天气站，用于监控和更新天气。
- 观察者（WeatherApp）： 模拟订阅天气的手机App，接收天气通知。
完整代码
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <algorithm>
#include <string>
// 抽象观察者接口
class WeatherObserver {
public:
virtual void updateWeather(const std::string& weather) = 0; // 收到天气更新通知的方法
virtual ~WeatherObserver() = default;
};
// 抽象主题类（天气站）
class WeatherStation {
private:
std::vector<std::shared_ptr<WeatherObserver>> observers; // 保存订阅者列表
std::string currentWeather; // 当前天气
public:
// 添加观察者（订阅）
void addObserver(std::shared_ptr<WeatherObserver> observer) {
observers.push_back(observer);
}
// 移除观察者（取消订阅）
void removeObserver(std::shared_ptr<WeatherObserver> observer) {
observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());
}
// 通知所有观察者
void notifyObservers() {
for (const auto& observer : observers) {
observer->updateWeather(currentWeather);
}
}
// 更新天气并通知观察者
void updateWeather(const std::string& weather) {
currentWeather = weather;
notifyObservers(); // 通知所有观察者天气变化
}
};
// 具体观察者类（手机App）
class WeatherApp : public WeatherObserver {
private:
std::string appName; // App的名字
public:
explicit WeatherApp(const std::string& name) : appName(name) {}
// 实现天气更新通知方法
void updateWeather(const std::string& weather) override {
std::cout << appName << " 收到了最新天气：" << weather << std::endl;
}
};
// 主函数：测试观察者模式
int main() {
// 创建天气站（主题）
std::shared_ptr<WeatherStation> station = std::make_shared<WeatherStation>();
// 创建两个观察者（手机App）
std::shared_ptr<WeatherObserver> app1 = std::make_shared<WeatherApp>("天气宝App");
std::shared_ptr<WeatherObserver> app2 = std::make_shared<WeatherApp>("气象通App");
// 两个App订阅天气站
station->addObserver(app1);
station->addObserver(app2);
// 更新天气，触发通知
station->updateWeather("晴天");
station->updateWeather("下雨");
// 取消天气宝App的订阅
station->removeObserver(app1);
// 再次更新天气，验证通知
station->updateWeather("大风");
return 0;
}
代码拆解与分析
-
抽象观察者接口（
WeatherObserver）- 定义了一个虚函数
updateWeather()，所有观察者类都必须实现这个方法，用来接收通知。
- 定义了一个虚函数
-
主题类（
WeatherStation）- 保存了一个观察者列表（
std::vector），用于管理所有订阅者。 - 提供了
addObserver()和removeObserver()方法，方便动态添加或移除观察者。 - 通过
notifyObservers()方法通知所有观察者。
- 保存了一个观察者列表（
-
具体观察者（
WeatherApp）- 每个观察者都实现了
updateWeather()方法，用来处理天气变化的通知。
- 每个观察者都实现了
-
运行逻辑
- 创建主题和观察者。
- 观察者订阅主题。
- 当主题状态改变时，所有观察者都会收到更新通知。
程序运行结果
运行程序后输出如下：
天气宝App 收到了最新天气：晴天
气象通App 收到了最新天气：晴天
天气宝App 收到了最新天气：下雨
气象通App 收到了最新天气：下雨
气象通App 收到了最新天气：大风
可以看到：
- 两个App订阅后，天气更新时都会收到通知。
- 取消天气宝App的订阅后，只有气象通App收到通知。
优缺点
优点
- 松耦合设计
- 主题和观察者通过接口交互，方便扩展和维护。
- 动态订阅机制
- 可随时添加或移除观察者。
- 统一通知
- 通知逻辑集中管理，简单直观。
缺点
- 性能开销
- 如果观察者过多，通知过程可能带来性能问题。
- 依赖复杂
- 观察者之间可能产生隐式依赖关系，增加调试难度。
应用场景
-
消息推送系统：
比如新闻网站向订阅用户推送最新动态。 -
实时数据更新：
数据变化时需要更新多个UI组件。 -
事件监听机制：
游戏中角色状态改变时通知其他玩家或系统。
总结
观察者模式是一个简单却功能强大的模式，它通过“发布-订阅”机制解耦了对象之间的依赖，使得代码更加灵活和易维护。在C++中，我们可以通过抽象接口和容器来实现观察者模式，并根据需求灵活扩展。
通过本文的天气预报示例，相信你已经掌握了观察者模式的核心概念及其实现方法！