一、观察者模式概述

观察者模式（Observer Pattern）是一种行为型设计模式，用于建立对象间的一对多依赖关系。当一个对象（被观察者）状态发生变化时，所有依赖它的对象（观察者）都会自动收到通知并更新。这种模式通过解耦通知方与接收方，实现了系统的灵活性和可扩展性。

---

二、传统代码 vs 观察者模式对比

1. 传统实现（紧耦合）

// 抽象显示元素接口，强制子类实现 display 方法
class DisplayElement {
public:virtual void display() = 0;
};// 具体显示类：直接绑定 WeatherData 数据
class CurrentConditionsDisplay : public DisplayElement {
public:// 接收 WeatherData 的更新数据并刷新显示void update(float temp, float humidity, float pressure) {this->temp = temp;this->humidity = humidity;this->pressure = pressure;display();  // 调用 display 展示最新数据}void display() override {std::cout << "Current conditions: " << temp << "F degrees and " << humidity << "% humidity" << std::endl;}private:float temp, humidity, pressure;
};// 被观察者类：直接持有显示对象（紧耦合）
class WeatherData {
public:// 设置天气数据并直接触发显示更新void setMeasurements(float temp, float humidity, float pressure) {this->temp = temp;this->humidity = humidity;this->pressure = pressure;// ❗️直接调用具体观察者方法，形成硬编码依赖currentDisplay.update(temp, humidity, pressure);}private:CurrentConditionsDisplay currentDisplay;  // ❗️硬编码依赖具体观察者float temp, humidity, pressure;
};

问题分析：

• 紧耦合问题：WeatherData 需要直接包含具体观察者类（如 CurrentConditionsDisplay）
• 扩展困难：添加新观察者需要修改 WeatherData 类
• 违反开闭原则：系统难以对扩展开放，对修改关闭

---

2. 观察者模式实现（松耦合）

// 抽象观察者接口：定义统一的更新协议
class IObserver {
public:// 纯虚函数：子类必须实现 update 方法virtual void update(float temp, float humidity, float pressure) = 0;virtual ~IObserver() = default;  // 虚析构确保多态释放
};// 抽象被观察者接口：定义观察者管理操作
class ISubject {
public:// 注册观察者virtual void registerObserver(IObserver* observer) = 0;// 移除观察者virtual void removeObserver(IObserver* observer) = 0;// 通知所有观察者virtual void notifyObservers() = 0;
};// 具体被观察者实现
class WeatherData : public ISubject {
public:// 实现注册观察者方法void registerObserver(IObserver* observer) override {observers.push_back(observer);  // 将观察者加入列表}// 实现移除观察者方法void removeObserver(IObserver* observer) override {// 使用 std::remove 重排容器，然后 erase 删除observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());}// 实现通知观察者方法void notifyObservers() override {for (auto& observer : observers) {observer->update(temp, humidity, pressure);  // 通过接口调用更新}}// 设置天气数据并触发通知void setMeasurements(float temp, float humidity, float pressure) {this->temp = temp;this->humidity = humidity;this->pressure = pressure;measurementsChanged();  // 触发状态变化通知}private:// 状态变化时调用通知逻辑void measurementsChanged() {notifyObservers();  // 通知所有注册观察者}std::vector<IObserver*> observers;  // 存储观察者指针列表float temp, humidity, pressure;
};// 具体观察者实现
class CurrentConditionsDisplay : public IObserver {
public:// 构造函数自动注册到 WeatherDataCurrentConditionsDisplay(WeatherData& weatherData) {this->weatherData.registerObserver(this);  // 将自身注册为观察者}// 实现 update 方法void update(float temp, float humidity, float pressure) override {this->temp = temp;this->humidity = humidity;this->pressure = pressure;display();  // 刷新显示}void display() {std::cout << "Current conditions: " << temp << "F degrees and " << humidity << "% humidity" << std::endl;}private:float temp, humidity, pressure;WeatherData& weatherData;  // 引用 WeatherData 实例
};

（一堆观察者，一堆被观察者，一堆接口；被观察者提供观察者注册、解绑、通知接口，被观察者提供数据更新并通知方法；观察者实现被观察者注册构造方法，实现更新接口，实现展示方法）

改进优势：

• 松耦合：WeatherData 只依赖抽象接口 IObserver
• 可扩展性强：新增观察者只需实现 IObserver 接口
• 符合开闭原则：无需修改 WeatherData 即可扩展功能

---

三、Mermaid 类图说明

---

四、核心设计要点

1. 接口分层设计

• ISubject 接口：定义观察者管理方法（注册/移除/通知）
• IObserver 接口：定义更新方法的标准化协议
• 具体实现类：通过组合方式实现接口协作

2. 通知机制实现

void WeatherData::notifyObservers() {for (auto& observer : observers) {observer->update(temp, humidity, pressure);  // 通过接口调用具体实现}
}

• 使用迭代器遍历观察者列表
• 通过统一接口调用更新方法
• 实现"广播-订阅"通信模式

3. 扩展性验证

新增统计显示观察者只需：

class StatisticsDisplay : public IObserver {
public:void update(float temp, float humidity, float pressure) override {temps.push_back(temp);// 计算统计信息...display();}void display() {std::cout << "Stats: Max/Min/Avg temperature..." << std::endl;}
private:std::vector<float> temps;
};

无需修改 WeatherData 类即可实现功能扩展

---

五、应用场景与注意事项

适用场景

• GUI 事件处理系统（如按钮点击事件）
• 实时数据监控系统
• 分布式事件总线架构
• 游戏中的事件驱动系统

注意事项

1. 内存管理：需注意观察者生命周期管理，避免野指针

2. 通知顺序：观察者列表顺序可能影响业务逻辑

3. 线程安全：多线程环境下需考虑同步机制

4. 异常处理：单个观察者异常不应影响整体通知流程

---

六、现代C++改进方案

使用智能指针和lambda表达式增强安全性：

class ModernWeatherData : public ISubject {
public:void registerObserver(std::shared_ptr<IObserver> observer) override {observers.push_back(observer);  // 使用智能指针避免内存泄漏}// ...其他方法...
private:std::vector<std::shared_ptr<IObserver>> observers;  // 智能指针容器
};

---

七、总结

特性	传统实现	观察者模式
对象耦合度	高	低
扩展性	需修改现有代码	支持开闭原则
维护成本	高	低
通知灵活性	固定调用	动态注册/注销
适用场景复杂度	简单场景	复杂系统架构

观察者模式通过接口抽象和行为封装，为复杂系统提供了优雅的通信解决方案。在C++中实现时需注意接口设计规范、内存管理和线程安全等工程实践问题，合理使用智能指针和现代C++特性可进一步提升代码质量。