一、觀察者模式概述

觀察者模式（Observer Pattern）是一種行為型設計模式，用于建立對象間的一對多依賴關系。當一個對象（被觀察者）狀態發生變化時，所有依賴它的對象（觀察者）都會自動收到通知并更新。這種模式通過解耦通知方與接收方，實現了系統的靈活性和可擴展性。

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二、傳統代碼 vs 觀察者模式對比

1. 傳統實現（緊耦合）

// 抽象顯示元素接口，強制子類實現 display 方法
class DisplayElement {
public:virtual void display() = 0;
};// 具體顯示類：直接綁定 WeatherData 數據
class CurrentConditionsDisplay : public DisplayElement {
public:// 接收 WeatherData 的更新數據并刷新顯示void update(float temp, float humidity, float pressure) {this->temp = temp;this->humidity = humidity;this->pressure = pressure;display();  // 調用 display 展示最新數據}void display() override {std::cout << "Current conditions: " << temp << "F degrees and " << humidity << "% humidity" << std::endl;}private:float temp, humidity, pressure;
};// 被觀察者類：直接持有顯示對象（緊耦合）
class WeatherData {
public:// 設置天氣數據并直接觸發顯示更新void setMeasurements(float temp, float humidity, float pressure) {this->temp = temp;this->humidity = humidity;this->pressure = pressure;// ??直接調用具體觀察者方法，形成硬編碼依賴currentDisplay.update(temp, humidity, pressure);}private:CurrentConditionsDisplay currentDisplay;  // ??硬編碼依賴具體觀察者float temp, humidity, pressure;
};

問題分析：

• 緊耦合問題：WeatherData 需要直接包含具體觀察者類（如 CurrentConditionsDisplay）
• 擴展困難：添加新觀察者需要修改 WeatherData 類
• 違反開閉原則：系統難以對擴展開放，對修改關閉

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2. 觀察者模式實現（松耦合）

// 抽象觀察者接口：定義統一的更新協議
class IObserver {
public:// 純虛函數：子類必須實現 update 方法virtual void update(float temp, float humidity, float pressure) = 0;virtual ~IObserver() = default;  // 虛析構確保多態釋放
};// 抽象被觀察者接口：定義觀察者管理操作
class ISubject {
public:// 注冊觀察者virtual void registerObserver(IObserver* observer) = 0;// 移除觀察者virtual void removeObserver(IObserver* observer) = 0;// 通知所有觀察者virtual void notifyObservers() = 0;
};// 具體被觀察者實現
class WeatherData : public ISubject {
public:// 實現注冊觀察者方法void registerObserver(IObserver* observer) override {observers.push_back(observer);  // 將觀察者加入列表}// 實現移除觀察者方法void removeObserver(IObserver* observer) override {// 使用 std::remove 重排容器，然后 erase 刪除observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());}// 實現通知觀察者方法void notifyObservers() override {for (auto& observer : observers) {observer->update(temp, humidity, pressure);  // 通過接口調用更新}}// 設置天氣數據并觸發通知void setMeasurements(float temp, float humidity, float pressure) {this->temp = temp;this->humidity = humidity;this->pressure = pressure;measurementsChanged();  // 觸發狀態變化通知}private:// 狀態變化時調用通知邏輯void measurementsChanged() {notifyObservers();  // 通知所有注冊觀察者}std::vector<IObserver*> observers;  // 存儲觀察者指針列表float temp, humidity, pressure;
};// 具體觀察者實現
class CurrentConditionsDisplay : public IObserver {
public:// 構造函數自動注冊到 WeatherDataCurrentConditionsDisplay(WeatherData& weatherData) {this->weatherData.registerObserver(this);  // 將自身注冊為觀察者}// 實現 update 方法void update(float temp, float humidity, float pressure) override {this->temp = temp;this->humidity = humidity;this->pressure = pressure;display();  // 刷新顯示}void display() {std::cout << "Current conditions: " << temp << "F degrees and " << humidity << "% humidity" << std::endl;}private:float temp, humidity, pressure;WeatherData& weatherData;  // 引用 WeatherData 實例
};

（一堆觀察者，一堆被觀察者，一堆接口；被觀察者提供觀察者注冊、解綁、通知接口，被觀察者提供數據更新并通知方法；觀察者實現被觀察者注冊構造方法，實現更新接口，實現展示方法）

改進優勢：

• 松耦合：WeatherData 只依賴抽象接口 IObserver
• 可擴展性強：新增觀察者只需實現 IObserver 接口
• 符合開閉原則：無需修改 WeatherData 即可擴展功能

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三、Mermaid 類圖說明

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四、核心設計要點

1. 接口分層設計

• ISubject 接口：定義觀察者管理方法（注冊/移除/通知）
• IObserver 接口：定義更新方法的標準化協議
• 具體實現類：通過組合方式實現接口協作

2. 通知機制實現

void WeatherData::notifyObservers() {for (auto& observer : observers) {observer->update(temp, humidity, pressure);  // 通過接口調用具體實現}
}

• 使用迭代器遍歷觀察者列表
• 通過統一接口調用更新方法
• 實現"廣播-訂閱"通信模式

3. 擴展性驗證

新增統計顯示觀察者只需：

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

無需修改 WeatherData 類即可實現功能擴展

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五、應用場景與注意事項

適用場景

• GUI 事件處理系統（如按鈕點擊事件）
• 實時數據監控系統
• 分布式事件總線架構
• 游戲中的事件驅動系統

注意事項

1. 內存管理：需注意觀察者生命周期管理，避免野指針

2. 通知順序：觀察者列表順序可能影響業務邏輯

3. 線程安全：多線程環境下需考慮同步機制

4. 異常處理：單個觀察者異常不應影響整體通知流程

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六、現代C++改進方案

使用智能指針和lambda表達式增強安全性：

class ModernWeatherData : public ISubject {
public:void registerObserver(std::shared_ptr<IObserver> observer) override {observers.push_back(observer);  // 使用智能指針避免內存泄漏}// ...其他方法...
private:std::vector<std::shared_ptr<IObserver>> observers;  // 智能指針容器
};

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七、總結

特性	傳統實現	觀察者模式
對象耦合度	高	低
擴展性	需修改現有代碼	支持開閉原則
維護成本	高	低
通知靈活性	固定調用	動態注冊/注銷
適用場景復雜度	簡單場景	復雜系統架構

觀察者模式通過接口抽象和行為封裝，為復雜系統提供了優雅的通信解決方案。在C++中實現時需注意接口設計規范、內存管理和線程安全等工程實踐問題，合理使用智能指針和現代C++特性可進一步提升代碼質量。