设计模式之观察者模式

一、观察者模式

根据应用场景的不同,观察者模式会对应不同的代码实现方式:有同步阻塞的实现方式,也有异步非阻塞的实现方式;有进程内的实现方式,也有跨进程的实现方式。本文重点讲解原理、实现、应用场景。

1.1、原理及应用场景剖析

  • 观察者模式(Observer Design Pattern)也被称为发布订阅模式(Publish-Subscribe Design Pattern)。在 GoF 的《设计模式》一书中,它的定义是这样的:
  • 在对象之间定义一个一对多的依赖,当一个对象状态改变的时候,所有依赖的对象都会自动收到通知
  • 一般情况下,被依赖的对象叫作被观察者(Observable),依赖的对象叫作观察者(Observer)。不过,在实际的项目开发中,这两种对象的称呼是比较灵活的,有各种不同的叫法,比如:Subject-Observer、Publisher-Subscriber、Producer-Consumer、EventEmitter-EventListener、Dispatcher-Listener。不管怎么称呼,只要应用场景符合刚刚给出的定义,都可以看作观察者模式。
  • 实际上,观察者模式是一个比较抽象的模式,根据不同的应用场景和需求,有完全不同的实现方式,待会我们会详细地讲到。现在,我们先来看其中最经典的一种实现方式。这也是在讲到这种模式的时候,很多书籍或资料给出的最常见的实现方式。具体的代码如下所示:
public interface Subject {
  void registerObserver(Observer observer);
  void removeObserver(Observer observer);
  void notifyObservers(Message message);
}
public interface Observer {
  void update(Message message);
}
public class ConcreteSubject implements Subject {
  private List<Observer> observers = new ArrayList<Observer>();
  @Override
  public void registerObserver(Observer observer) {
    observers.add(observer);
  }
  @Override
  public void removeObserver(Observer observer) {
    observers.remove(observer);
  }
  @Override
  public void notifyObservers(Message message) {
    for (Observer observer : observers) {
      observer.update(message);
    }
  }
}
public class ConcreteObserverOne implements Observer {
  @Override
  public void update(Message message) {
    //TODO: 获取消息通知,执行自己的逻辑...
    System.out.println("ConcreteObserverOne is notified.");
  }
}
public class ConcreteObserverTwo implements Observer {
  @Override
  public void update(Message message) {
    //TODO: 获取消息通知,执行自己的逻辑...
    System.out.println("ConcreteObserverTwo is notified.");
  }
}
public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    ConcreteSubject subject = new ConcreteSubject();
    subject.registerObserver(new ConcreteObserverOne());
    subject.registerObserver(new ConcreteObserverTwo());
    subject.notifyObservers(new Message());
  }
}
  • 上面的代码算是观察者模式的“模板代码”,只能反映大体的设计思路。在真实的软件开发中,并不需要照搬上面的模板代码。观察者模式的实现方法各式各样,函数、类的命名等会根据业务场景的不同有很大的差别,比如 register 函数还可以叫作 attach,remove 函数还可以叫作 detach 等等。不过,万变不离其宗,设计思路都是差不多的。
  • 假设我们在开发一个 P2P 投资理财系统,用户注册成功之后,我们会给用户发放投资体验金。代码实现大致是下面这个样子的:
public class UserController {
  private UserService userService; // 依赖注入
  private PromotionService promotionService; // 依赖注入
  public Long register(String telephone, String password) {
    //省略输入参数的校验代码
    //省略userService.register()异常的try-catch代码
    long userId = userService.register(telephone, password);
    promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
    return userId;
  }
}
  • 虽然注册接口做了两件事情,注册和发放体验金,违反单一职责原则,但是,如果没有扩展和修改的需求,现在的代码实现是可以接受的。如果非得用观察者模式,就需要引入更多的类和更加复杂的代码结构,反倒是一种过度设计。
  • 相反,如果需求频繁变动,比如,用户注册成功之后,不再发放体验金,而是改为发放优惠券,并且还要给用户发送一封“欢迎注册成功”的站内信。这种情况下,我们就需要频繁地修改 register() 函数中的代码,违反开闭原则。而且,如果注册成功之后需要执行的后续操作越来越多,那 register() 函数的逻辑会变得越来越复杂,也就影响到代码的可读性和可维护性。这个时候,观察者模式就能派上用场了:
public interface RegObserver {
  void handleRegSuccess(long userId);
}
public class RegPromotionObserver implements RegObserver {
  private PromotionService promotionService; // 依赖注入
  @Override
  public void handleRegSuccess(long userId) {
    promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
  }
}
public class RegNotificationObserver implements RegObserver {
  private NotificationService notificationService;
  @Override
  public void handleRegSuccess(long userId) {
    notificationService.sendInboxMessage(userId, "Welcome...");
  }
}
public class UserController {
  private UserService userService; // 依赖注入
  private List<RegObserver> regObservers = new ArrayList<>();
  // 一次性设置好,之后也不可能动态的修改
  public void setRegObservers(List<RegObserver> observers) {
    regObservers.addAll(observers);
  }
  public Long register(String telephone, String password) {
    //省略输入参数的校验代码
    //省略userService.register()异常的try-catch代码
    long userId = userService.register(telephone, password);
    for (RegObserver observer : regObservers) {
      observer.handleRegSuccess(userId);
    }
    return userId;
  }
}
  • 当我们需要添加新的观察者的时候,比如,用户注册成功之后,推送用户注册信息给大数据征信系统,基于观察者模式的代码实现,UserController 类的 register() 函数完全不需要修改,只需要再添加一个实现了 RegObserver 接口的类,并且通过 setRegObservers() 函数将它注册到 UserController 类中即可。
  • 前面我们已经学习了很多设计模式,实际上,设计模式要干的事情就是解耦。创建型模式是将创建和使用代码解耦,结构型模式是将不同功能代码解耦,行为型模式是将不同的行为代码解耦,具体到观察者模式,它是将观察者和被观察者代码解耦。借助设计模式,我们利用更好的代码结构,将一大坨代码拆分成职责更单一的小类,让其满足开闭原则、高内聚松耦合等特性,以此来控制和应对代码的复杂性,提高代码的可扩展性。

1.2、基于不同应用场景的不同实现方式

  • 观察者模式的应用场景非常广泛,小到代码层面的解耦,大到架构层面的系统解耦,再或者一些产品的设计思路,都有这种模式的影子,比如,邮件订阅、RSS Feeds,本质上都是观察者模式。
  • 不同的应用场景和需求下,这个模式也有截然不同的实现方式,开篇的时候我们也提到,有同步阻塞的实现方式,也有异步非阻塞的实现方式;有进程内的实现方式,也有跨进程的实现方式。
  • 之前讲到的实现方式,从刚刚的分类方式上来看,它是一种同步阻塞的实现方式。观察者和被观察者代码在同一个线程内执行,被观察者一直阻塞,直到所有的观察者代码都执行完成之后,才执行后续的代码。对照上面讲到的用户注册的例子,register() 函数依次调用执行每个观察者的 handleRegSuccess() 函数,等到都执行完成之后,才会返回结果给客户端。
  • 如果注册接口是一个调用比较频繁的接口,对性能非常敏感,希望接口的响应时间尽可能短,那我们可以将同步阻塞的实现方式改为异步非阻塞的实现方式,以此来减少响应时间。具体来讲,当 userService.register() 函数执行完成之后,我们启动一个新的线程来执行观察者的 handleRegSuccess() 函数,这样 userController.register() 函数就不需要等到所有的 handleRegSuccess() 函数都执行完成之后才返回结果给客户端。userController.register() 函数从执行 3 个 SQL 语句才返回,减少到只需要执行 1 个 SQL 语句就返回,响应时间粗略来讲减少为原来的 1/3。
  • 不管是同步阻塞实现方式还是异步非阻塞实现方式,都是进程内的实现方式。如果用户注册成功之后,我们需要发送用户信息给大数据征信系统,而大数据征信系统是一个独立的系统,跟它之间的交互是跨不同进程的,那如何实现一个跨进程的观察者模式呢?
  • 如果大数据征信系统提供了发送用户注册信息的 RPC 接口,我们仍然可以沿用之前的实现思路,在 handleRegSuccess() 函数中调用 RPC 接口来发送数据。但是,我们还有更加优雅、更加常用的一种实现方式,那就是基于消息队列(Message Queue,比如 ActiveMQ)来实现。
  • 当然,这种实现方式也有弊端,那就是需要引入一个新的系统(消息队列),增加了维护成本。不过,它的好处也非常明显。在原来的实现方式中,观察者需要注册到被观察者中,被观察者需要依次遍历观察者来发送消息。而基于消息队列的实现方式,被观察者和观察者解耦更加彻底,两部分的耦合更小。被观察者完全不感知观察者,同理,观察者也完全不感知被观察者。被观察者只管发送消息到消息队列,观察者只管从消息队列中读取消息来执行相应的逻辑。

二、异步非阻塞观察者模式的简易实现

  • 我们有两种实现方式。其中一种是:在每个 handleRegSuccess() 函数中创建一个新的线程执行代码逻辑;另一种是:在 UserController 的 register() 函数中使用线程池来执行每个观察者的 handleRegSuccess() 函数。两种实现方式的具体代码如下所示:
// 第一种实现方式,其他类代码不变,就没有再重复罗列
public class RegPromotionObserver implements RegObserver {
  private PromotionService promotionService; // 依赖注入
  @Override
  public void handleRegSuccess(Long userId) {
    Thread thread = new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
      }
    });
    thread.start();
  }
}
// 第二种实现方式,其他类代码不变,就没有再重复罗列
public class UserController {
  private UserService userService; // 依赖注入
  private List<RegObserver> regObservers = new ArrayList<>();
  private Executor executor;
  public UserController(Executor executor) {
    this.executor = executor;
  }
  public void setRegObservers(List<RegObserver> observers) {
    regObservers.addAll(observers);
  }
  public Long register(String telephone, String password) {
    //省略输入参数的校验代码
    //省略userService.register()异常的try-catch代码
    long userId = userService.register(telephone, password);
    for (RegObserver observer : regObservers) {
      executor.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          observer.handleRegSuccess(userId);
        }
      });
    }
    return userId;
  }
}
  • 对于第一种实现方式,频繁地创建和销毁线程比较耗时,并且并发线程数无法控制,创建过多的线程会导致堆栈溢出。第二种实现方式,尽管利用了线程池解决了第一种实现方式的问题,但线程池、异步执行逻辑都耦合在了 register() 函数中,增加了这部分业务代码的维护成本。
  • 如果我们的需求更加极端一点,需要在同步阻塞和异步非阻塞之间灵活切换,那就要不停地修改 UserController 的代码。除此之外,如果在项目中,不止一个业务模块需要用到异步非阻塞观察者模式,那这样的代码实现也无法做到复用。
  • 我们知道,框架的作用有:隐藏实现细节,降低开发难度,做到代码复用,解耦业务与非业务代码,让程序员聚焦业务开发。针对异步非阻塞观察者模式,我们也可以将它抽象成框架来达到这样的效果,而这个框架就是我们这节课要讲的 EventBus。

2.1、EventBus 框架功能需求介绍

  • EventBus 翻译为“事件总线”,它提供了实现观察者模式的骨架代码。我们可以基于此框架,非常容易地在自己的业务场景中实现观察者模式,不需要从零开始开发。其中,Google Guava EventBus 就是一个比较著名的 EventBus 框架,它不仅仅支持异步非阻塞模式,同时也支持同步阻塞模式
  • 通过例子来看一下,Guava EventBus 具有哪些功能,代码如下所示:
public class UserController {
  private UserService userService; // 依赖注入
  private EventBus eventBus;
  private static final int DEFAULT_EVENTBUS_THREAD_POOL_SIZE = 20;
  public UserController() {
    //eventBus = new EventBus(); // 同步阻塞模式
    eventBus = new AsyncEventBus(Executors.newFixedThreadPool(DEFAULT_EVENTBUS_THREAD_POOL_SIZE)); // 异步非阻塞模式
  }
  public void setRegObservers(List<Object> observers) {
    for (Object observer : observers) {
      eventBus.register(observer);
    }
  }
  public Long register(String telephone, String password) {
    //省略输入参数的校验代码
    //省略userService.register()异常的try-catch代码
    long userId = userService.register(telephone, password);
    eventBus.post(userId);
    return userId;
  }
}
public class RegPromotionObserver {
  private PromotionService promotionService; // 依赖注入
  @Subscribe
  public void handleRegSuccess(Long userId) {
    promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
  }
}
public class RegNotificationObserver {
  private NotificationService notificationService;
  @Subscribe
  public void handleRegSuccess(Long userId) {
    notificationService.sendInboxMessage(userId, "...");
  }
}
  • 利用 EventBus 框架实现的观察者模式,跟从零开始编写的观察者模式相比,从大的流程上来说,实现思路大致一样,都需要定义 Observer,并且通过 register() 函数注册 Observer,也都需要通过调用某个函数(比如,EventBus 中的 post() 函数)来给 Observer 发送消息(在 EventBus 中消息被称作事件 event)
  • 但在实现细节方面,它们又有些区别。基于 EventBus,我们不需要定义 Observer 接口任意类型的对象都可以注册到 EventBus 中,通过 @Subscribe 注解来标明类中哪个函数可以接收被观察者发送的消息。下面详细讲解其中涉及到的核心类
  • EventBus、AsyncEventBus
    • Guava EventBus 对外暴露的所有可调用接口,都封装在 EventBus 类中。其中,EventBus实现了同步阻塞的观察者模式,AsyncEventBus 继承自 EventBus,提供了异步非阻塞的观察者模式。具体使用方式如下所示:
EventBus eventBus = new EventBus(); // 同步阻塞模式
EventBus eventBus = new AsyncEventBus(Executors.newFixedThreadPool(8))// 异步阻塞模式
  • register() 函数
    • EventBus 类提供了 register() 函数用来注册观察者。具体的函数定义如下所示。它可以接受任何类型(Object)的观察者。而在经典的观察者模式的实现中,register() 函数必须接受实现了同一 Observer 接口的类对象。而eventBus可以让我们不再定义 Observer 接口,任意类型的对象都可以注册到 EventBus 中
public void register(Object object);
  • post() 函数
    • EventBus 类提供了 post() 函数,用来给观察者发送消息。比如上面例子中的post函数传递给观察者所需的userId参数,具体的函数定义如下所示:
public void post(Object event);
  • 跟经典的观察者模式的不同之处在于,当我们调用 post() 函数发送消息的时候,并非把消息发送给所有的观察者,而是发送给可匹配的观察者。所谓可匹配指的是,能接收的消息类型是发送消息(post 函数定义中的 event)类型的父类。举个例子来解释一下。
  • 比如,AObserver 能接收的消息类型是 XMsg,BObserver 能接收的消息类型是 YMsg,CObserver 能接收的消息类型是 ZMsg。其中,XMsg 是 YMsg 的父类。当我们如下发送消息的时候,相应能接收到消息的可匹配观察者如下所示:
XMsg xMsg = new XMsg();
YMsg yMsg = new YMsg();
ZMsg zMsg = new ZMsg();
post(xMsg); => AObserver接收到消息
post(yMsg); => AObserverBObserver接收到消息
post(zMsg); => CObserver接收到消息
  • 那每个 Observer 能接收的消息类型是在哪里定义的呢?我们来看下 Guava EventBus 最特别的一个地方,那就是 @Subscribe 注解。
  • @Subscribe 注解
    • EventBus 通过 @Subscribe 注解来标明,某个函数能接收哪种类型的消息。具体的使用代码如下所示。在 DObserver 类中,我们通过 @Subscribe 注解了两个函数 f1()、f2()。
public DObserver {
  //...省略其他属性和方法...
  
  @Subscribe
  public void f1(PMsg event) { //... }
  
  @Subscribe
  public void f2(QMsg event) { //... }
}
  • 当通过 register() 函数将 DObserver 类对象注册到 EventBus 的时候,EventBus 会根据 @Subscribe 注解找到 f1() 和 f2()并且将两个函数能接收的消息类型记录下来(PMsg->f1,QMsg->f2)当我们通过 post() 函数发送消息(比如 QMsg 消息)的时候,EventBus 会通过之前的记录(QMsg->f2),调用相应的函数(f2)

2.2、手动实现一个 EventBus 框架

  • 重点来看,EventBus 中两个核心函数 register() 和 post() 的实现原理。弄懂了它们,基本上就弄懂了整个 EventBus 框架。下面两张图是这两个函数的实现原理图。
  • 设计模式之观察者模式_第1张图片
    设计模式之观察者模式_第2张图片
  • 从图中我们可以看出,最关键的一个数据结构是 Observer 注册表记录了消息类型和可接收消息函数的对应关系当调用 register() 函数注册观察者的时候,EventBus 通过解析 @Subscribe 注解,生成 Observer 注册表。当调用 post() 函数发送消息的时候,EventBus 通过注册表找到相应的可接收消息的函数,然后通过 Java 的反射语法来动态地创建对象、执行函数。对于同步阻塞模式,EventBus 在一个线程内依次执行相应的函数。对于异步非阻塞模式,EventBus 通过一个线程池来执行相应的函数。
  • 弄懂了原理,实现起来就简单多了。整个小框架的代码实现包括 5 个类:EventBus、AsyncEventBus、Subscribe、ObserverAction、ObserverRegistry。接下来,我们依次来看下这 5 个类。

①Subscribe

  • Subscribe 是一个注解,用于标明观察者中的哪个函数可以接收消息。
  • @Beta用于断言,这个用来判断后面方法参数个数。因为在这里手写的只是简化的框架,所以只允许有方法参数为1个,多个的太过于复杂,在这里不过多讨论。
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface Subscribe {}

②ObserverAction

  • ObserverAction 类用来表示 @Subscribe 注解的方法,其中,target 表示观察者类,method 表示方法。它主要用在 ObserverRegistry 观察者注册表中。
package com.mbw.eventbus;

import org.assertj.core.util.Preconditions;

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class ObserverAction {
    private Object target;
    private Method method;

    public ObserverAction(Object target, Method method) {
        this.target = Preconditions.checkNotNull(target);
        this.method = method;
        this.method.setAccessible(true);
    }

    public void execute(Object event) { // event是method方法的参数
        try {
            method.invoke(target, event);
        } catch (InvocationTargetException | IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}


③ObserverRegistry

  • ObserverRegistry 类就是前面讲到的 Observer 注册表,是最复杂的一个类,框架中几乎所有的核心逻辑都在这个类中。这个类大量使用了 Java 的反射语法,不过代码整体来说都不难理解,其中,一个比较有技巧的地方是 CopyOnWriteArraySet 的使用。它是线程安全的无序的集合,可以将它理解成线程安全的HashSet。
  • CopyOnWriteArraySet,顾名思义,在写入数据的时候,会创建一个新的 set,并且将原始数据 clone 到新的 set 中,在新的 set 中写入数据完成之后,再用新的 set 替换老的 set。这样就能保证在写入数据的时候,不影响数据的读取操作,以此来解决读写并发问题。除此之外,CopyOnWriteSet 还通过加锁的方式,避免了并发写冲突。具体的作用你可以去查看一下 CopyOnWriteSet 类的源码,一目了然。
  • 为了代码更加易懂简单,这里观察者被@Subscribe修饰的方法只允许有一个参数,否则会被检查并抛出异常。
package com.mbw.eventbus;

import com.mbw.annotation.Subscribe;
import org.assertj.core.util.Preconditions;

import java.lang.reflect.Method;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentMap;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet;

public class ObserverRegistry {
    private ConcurrentMap<Class<?>, CopyOnWriteArraySet<ObserverAction>> registry = new ConcurrentHashMap<>();
    public void register(Object observer) {
        Map<Class<?>, Collection<ObserverAction>> observerActions = findAllObserverActions(observer);
        for (Map.Entry<Class<?>, Collection<ObserverAction>> entry : observerActions.entrySet()) {
            Class<?> eventType = entry.getKey();
            Collection<ObserverAction> eventActions = entry.getValue();
            CopyOnWriteArraySet<ObserverAction> registeredEventActions = registry.get(eventType);
            if (registeredEventActions == null) {
                registry.putIfAbsent(eventType, new CopyOnWriteArraySet<>());
                registeredEventActions = registry.get(eventType);
            }
            registeredEventActions.addAll(eventActions);
        }
    }
    //根据参数类型获取指定的被@Subscribe描述的方法
    public List<ObserverAction> getMatchedObserverActions(Object event) {
        List<ObserverAction> matchedObservers = new ArrayList<>();
        Class<?> postedEventType = event.getClass();
        for (Map.Entry<Class<?>, CopyOnWriteArraySet<ObserverAction>> entry : registry.entrySet()) {
            Class<?> eventType = entry.getKey();
            Collection<ObserverAction> eventActions = entry.getValue();
            if (postedEventType.isAssignableFrom(eventType)) {
                matchedObservers.addAll(eventActions);
            }
        }
        return matchedObservers;
    }
    private Map<Class<?>, Collection<ObserverAction>> findAllObserverActions(Object observer) {
        Map<Class<?>, Collection<ObserverAction>> observerActions = new HashMap<>();
        //反射获取观察者类
        Class<?> clazz = observer.getClass();
        //获取观察者类中被@Subscribe标注的所有方法
        for (Method method : getAnnotatedMethods(clazz)) {
            Class<?>[] parameterTypes = method.getParameterTypes();
            Class<?> eventType = parameterTypes[0];
            if (!observerActions.containsKey(eventType)) {
                observerActions.put(eventType, new ArrayList<>());
            }
            //存入observerActions(消息类型,ObserverAction)
            observerActions.get(eventType).add(new ObserverAction(observer, method));
        }
        return observerActions;
    }
    private List<Method> getAnnotatedMethods(Class<?> clazz) {
        List<Method> annotatedMethods = new ArrayList<>();
        for (Method method : clazz.getDeclaredMethods()) {
            //获取所有被注解标识的方法
            if (method.isAnnotationPresent(Subscribe.class)) {
                Class<?>[] parameterTypes = method.getParameterTypes();
                //为了代码更加简单,这里只做含有一个参数的方法,大于两个参数抛出异常
                Preconditions.checkArgument(parameterTypes.length == 1,
                        "Method %s has @Subscribe annotation but has %s parameters."
                                + "Subscriber methods must have exactly 1 parameter.",
                        method, parameterTypes.length);
                annotatedMethods.add(method);
            }
        }
        return annotatedMethods;
    }
}

④EventBus

  • EventBus 实现的是阻塞同步的观察者模式。看代码你可能会有些疑问,这明明就用到了线程池 Executor 啊。实际上,MoreExecutors.directExecutor() 是 Google Guava 提供的工具类,看似是多线程,实际上是单线程。之所以要这么实现,主要还是为了跟 AsyncEventBus 统一代码逻辑,做到代码复用。
public class EventBus {
  private Executor executor;
  private ObserverRegistry registry = new ObserverRegistry();
  public EventBus() {
    this(MoreExecutors.directExecutor());
  }
  protected EventBus(Executor executor) {
    this.executor = executor;
  }
  public void register(Object object) {
    registry.register(object);
  }
  public void post(Object event) {
    List<ObserverAction> observerActions = registry.getMatchedObserverActions(event);
    for (ObserverAction observerAction : observerActions) {
      executor.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          observerAction.execute(event);
        }
      });
    }
  }
}

⑤AsyncEventBus

  • 有了 EventBus,AsyncEventBus 的实现就非常简单了。为了实现异步非阻塞的观察者模式,它就不能再继续使用 MoreExecutors.directExecutor() 了,而是需要在构造函数中,由调用者注入线程池。
package com.mbw.eventbus;

import java.util.concurrent.Executor;

public class AsyncEventBus extends EventBus {
    public AsyncEventBus(Executor executor) {
        super(executor);
    }
}

三、参考链接

https://www.jianshu.com/p/de22335797a1
https://www.jianshu.com/p/54da3cb6ed8b

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