观察者模式 - 行为型
一、观察者模式的定义
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。该模式也被称为发布订阅模式。
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。
二、观察者模式的实现
1.最经典的实现方式
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。
三、观察者模式的实现方式
同步阻塞是最经典的实现方式，主要是为了代码解耦；异步非阻塞除了能实现代码解耦之外，还能提高代码的执行效率；进程间的观察者模式解耦更加彻底，一般是基于消息队列来实现，用来实现不同进程间的被观察者和观察者之间的交互。
1.进程内的同步阻塞实现
上述例子就是进程内的同步阻塞实现
2.进程内的异步非阻塞实现
Google Guava EventBus框架实现异步非阻塞
3.跨进程的实现
跨系统的消息通知，例如邮箱订阅、消息队列
四、EventBus框架
异步非阻塞的实现方式
基于上述的代码，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。
// 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;
}
}
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；
2.EventBus框架功能介绍
EventBus提供了实现观察者模式的骨架代码。它不仅仅支持异步非阻塞模式，同时也支持同步阻塞模式。
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）。
基于 EventBus，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。接下来，我们详细地讲一下，Guava EventBus。
Guava EventBus的几个主要类：
1.EventBus、AsyncEventBus
ventBus 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。
EventBus eventBus = new EventBus(); // 同步阻塞模式
EventBus eventBus = new AsyncEventBus(Executors.newFixedThreadPool(8))；// 异步阻塞模式
2.register()函数
EventBus 类提供了 register() 函数用来注册观察者，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。具体的函数定义如下所示。
public void register(Object object);
3.unregister()函数
unregister() 函数用来从 EventBus 中删除某个观察者。
unregister() 函数用来从 EventBus 中删除某个观察者
4.post()函数
EventBus 类提供了 post() 函数，用来给观察者发送消息。
EventBus 类提供了 post() 函数，用来给观察者发送消息
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。例如，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。
XMsg xMsg = new XMsg();
YMsg yMsg = new YMsg();
ZMsg zMsg = new ZMsg();
post(xMsg); => AObserver接收到消息
post(yMsg); => AObserver、BObserver接收到消息
post(zMsg); => CObserver接收到消息
5.@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）。
五、自实现EvenBus框架
1.Subscribe
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。
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
@Beta
public @interface Subscribe {}
2.ObserverAction
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。
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();
}
}
}
3.ObserverRegistry
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。
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。
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);
}
}
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<>();
Class<?> clazz = observer.getClass();
for (Method method : getAnnotatedMethods(clazz)) {
Class<?>[] parameterTypes = method.getParameterTypes();
Class<?> eventType = parameterTypes[0];
if (!observerActions.containsKey(eventType)) {
observerActions.put(eventType, new ArrayList<>());
}
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()) {
if (method.isAnnotationPresent(Subscribe.class)) {
Class<?>[] parameterTypes = method.getParameterTypes();
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;
}
}
4.EventBus
EventBus 实现的是阻塞同步的观察者模式，使用了线程池 Executor ，但MoreExecutors.directExecutor() 是 Google Guava 提供的工具类，实质是单线程。因为要 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);
}
});
}
}
}
5.AsyncEventBus
AsyncEventBus在构造函数中注入线程池。
public class AsyncEventBus extends EventBus {
public AsyncEventBus(Executor executor) {
super(executor);
}
}
