Python 监听模式（Observer Pattern）

1. 监听模式技术方案

监听模式（Observer Pattern）是一种行为设计模式，允许对象（称为“观察者”或“监听者”）在另一个对象（称为“被观察者”或“主题”）的状态发生变化时接收通知。这种模式的核心思想是解耦，使得被观察者和观察者之间没有直接的依赖关系，从而提高系统的灵活性和可维护性。

在监听模式中，观察者可以动态地注册和注销到被观察者。当被观察者的状态发生变化时，它会通知所有注册的观察者，观察者可以根据需要执行相应的操作。这种模式特别适用于需要处理异步事件的场景，例如用户界面事件、数据变化通知等。

1.1 主要组成部分

1. 被观察者（Subject）：

   • 被观察者是监听模式的核心，负责管理观察者的注册、注销和通知。它维护一个观察者列表，当其状态发生变化时，它会遍历这个列表并通知所有注册的观察者。
   • 被观察者通常提供以下方法：
     • 注册观察者：允许观察者注册到被观察者，以便接收通知。
     • 注销观察者：允许观察者从被观察者中注销，以停止接收通知。
     • 通知观察者：在状态变化时，遍历观察者列表并调用每个观察者的更新方法，传递相关的事件信息。

2. 观察者（Observer）：

   • 观察者是实现特定接口的对象，用于接收来自被观察者的通知。观察者在被观察者的状态变化时执行相应的操作。
   • 观察者通常定义一个更新方法，当被观察者发出通知时，该方法会被调用。观察者可以根据接收到的事件信息执行相应的操作。

3. 事件（Event）：

   • 事件是被观察者状态变化时传递给观察者的信息。事件通常封装了与状态变化相关的数据，观察者可以根据这些数据做出相应的反应。
   • 事件对象通常包含以下信息：
     • 事件类型：指示发生的事件类型，例如温度变化、状态变化等。
     • 事件数据：与事件相关的具体数据，例如新的温度值、状态信息等。

1.2 工作流程

监听模式的工作流程如下：

1. 注册观察者：观察者通过调用被观察者的注册方法，将自己注册到被观察者中。
2. 状态变化：被观察者的状态发生变化，例如数据更新、用户操作等。
3. 通知观察者：被观察者调用通知方法，遍历观察者列表，并调用每个观察者的更新方法，传递事件信息。
4. 处理事件：观察者接收到通知后，根据事件信息执行相应的操作。

1.3 优点

• 解耦：被观察者和观察者之间没有直接的依赖关系，便于系统的扩展和维护。
• 动态性：观察者可以在运行时注册和注销，灵活应对变化。
• 多对多关系：一个被观察者可以有多个观察者，一个观察者也可以观察多个被观察者，适应复杂的应用场景。

1.4 缺点

• 内存泄漏：如果观察者没有正确注销，可能导致内存泄漏。
• 性能问题：在观察者数量较多时，通知所有观察者可能会影响性能。

1.5 应用场景

监听模式广泛应用于各种场景，尤其是在需要事件驱动的系统中。以下是一些常见的应用场景：

• 图形用户界面（GUI）：在 GUI 应用程序中，用户的操作（如按钮点击、文本输入等）可以触发事件，监听器可以响应这些事件并执行相应的操作。
• 实时数据监控：在数据监控系统中，数据源的变化可以触发通知，监听器可以根据变化更新显示或执行其他操作。
• 游戏开发：在游戏中，游戏对象的状态变化（如生命值变化、得分变化等）可以通过监听模式通知其他对象。
• 网络编程：在网络应用中，连接状态的变化（如连接建立、断开等）可以通过监听模式进行处理。

2. 例子1：热水器温度监测系统

import time

class TemperatureEvent:
    """温度事件类，包含当前温度"""
    def __init__(self, temperature):
        self.temperature = temperature  # 当前温度

class WaterHeater:
    """热水器，负责温度变化并通知监听器"""
    def __init__(self):
        self.listeners = []  # 存储注册的监听器
        self.temperature = 20  # 初始温度

    def register_listener(self, listener):
        self.listeners.append(listener)  # 注册监听器

    def notify_listeners(self, event):
        for listener in self.listeners:
            listener.update(event)  # 通知所有监听器

    def heat_water(self):
        """模拟热水器加热水，每秒温度上升 10 度"""
        while self.temperature < 100:
            time.sleep(1)  # 每秒加热
            self.temperature += 10  # 温度上升 10 度
            print(f"Current Temperature: {self.temperature}°C")
            event = TemperatureEvent(self.temperature)
            self.notify_listeners(event)  # 通知监听器

class BathListener:
    """洗澡监听器，处理温度达到 40 度的事件"""
    def __init__(self):
        self.notified = False  # 状态标志，确保只通知一次

    def update(self, event):
        if event.temperature >= 40 and not self.notified:
            print("BathListener: The water is warm enough for a bath!")
            self.notified = True  # 设置状态标志为 True，表示已通知

class BoilListener:
    """烧开监听器，处理温度达到 100 度的事件"""
    def __init__(self):
        self.notified = False  # 状态标志，确保只通知一次

    def update(self, event):
        if event.temperature >= 100 and not self.notified:
            print("BoilListener: The water has boiled!")
            self.notified = True  # 设置状态标志为 True，表示已通知

# 创建热水器和监听器
water_heater = WaterHeater()
bath_listener = BathListener()
boil_listener = BoilListener()

# 注册监听器
water_heater.register_listener(bath_listener)
water_heater.register_listener(boil_listener)

# 启动热水器加热水
water_heater.heat_water()

1. TemperatureEvent 类：

   • 该类用于封装温度事件，包含当前温度信息。

2. WaterHeater 类：

   • 作为被观察者，负责管理温度变化和通知监听器。它有一个 heat_water 方法，每秒将温度上升 10 度，并在每次温度变化时通知所有注册的监听器。

3. BathListener 类：

   • 作为观察者，处理温度达到 40 度的事件。它使用 notified 状态标志确保只在温度达到 40 度时通知一次。

4. BoilListener 类：

   • 另一个观察者，处理温度达到 100 度的事件，同样使用 notified 状态标志确保只通知一次。

5. 使用示例：

   • 创建热水器和两个监听器，注册监听器，并启动热水器加热水。随着温度的变化，监听器会根据设定的条件做出相应的反应。

3. 例子2：电子邮件通知系统

import time

class EmailEvent:
    """电子邮件事件类，包含邮件信息"""
    def __init__(self, sender, subject):
        self.sender = sender  # 发件人
        self.subject = subject  # 邮件主题

class Mailbox:
    """邮箱，负责接收新邮件并通知监听器"""
    def __init__(self):
        self.listeners = []  # 存储注册的监听器

    def register_listener(self, listener):
        self.listeners.append(listener)  # 注册监听器

    def notify_listeners(self, event):
        for listener in self.listeners:
            listener.update(event)  # 通知所有监听器

    def receive_email(self, sender, subject):
        """模拟接收新邮件"""
        print(f"New email received from {sender}: {subject}")
        event = EmailEvent(sender, subject)
        self.notify_listeners(event)  # 通知监听器

class EmailNotificationListener:
    """电子邮件通知监听器，处理新邮件到达事件"""
    def update(self, event):
        print(f"EmailNotificationListener: You have a new email from {event.sender} with subject: '{event.subject}'")

class SpamFilterListener:
    """垃圾邮件过滤监听器，处理新邮件到达事件"""
    def update(self, event):
        if "spam" in event.subject.lower():
            print(f"SpamFilterListener: This email from {event.sender} is marked as spam: '{event.subject}'")
        else:
            print(f"SpamFilterListener: This email from {event.sender} is not spam.")

# 创建邮箱和监听器
mailbox = Mailbox()
email_listener = EmailNotificationListener()
spam_listener = SpamFilterListener()

# 注册监听器
mailbox.register_listener(email_listener)
mailbox.register_listener(spam_listener)

# 模拟接收新邮件
mailbox.receive_email("alice@example.com", "Meeting Reminder")
time.sleep(1)
mailbox.receive_email("bob@example.com", "Project Update")
time.sleep(1)
mailbox.receive_email("charlie@example.com", "Spam: Win a Million Dollars!")

1. EmailEvent 类：

   • 该类用于封装电子邮件事件，包含发件人和邮件主题信息。

2. Mailbox 类：

   • 作为被观察者，负责接收新邮件并通知监听器。它有一个 receive_email 方法，用于模拟接收新邮件，并在每次接收时通知所有注册的监听器。

3. EmailNotificationListener 类：

   • 作为观察者，处理新邮件到达事件。它在 update 方法中打印新邮件的发件人和主题信息。

4. SpamFilterListener 类：

   • 另一个观察者，处理新邮件到达事件。它检查邮件主题是否包含“spam”字样，并根据结果打印相应的消息。

5. 使用示例：

   • 创建邮箱和两个监听器，注册监听器，并模拟接收新邮件。每当新邮件到达时，两个监听器都会根据事件信息做出相应的反应。