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。

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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

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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 WeatherData
    CurrentConditionsDisplay(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

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三、Mermaid 类图说明

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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

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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

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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
};

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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。