觀察者模式 (Observer Pattern)與幾個C++應用例子

1. 模式定義與核心思想
觀察者模式定義了一種一對多的依賴關系，讓多個觀察者對象同時監聽某一個主題對象。當這個主題對象的狀態發生變化時，它會自動通知所有觀察者對象，使它們能夠自動更新自己。

核心思想：解耦主題和觀察者。主題不需要知道哪些具體對象在觀察它，它只需要維護一個觀察者列表，并在狀態改變時向它們發送通知。這使得系統更靈活，可以動態地添加和刪除觀察者，而無需修改主題的代碼。

2. 模式結構（角色分析）
觀察者模式通常包含以下四個角色：

Subject (主題 / 被觀察者)：

維護一個觀察者（Observer）對象的集合。

提供接口可以添加(Attach)和刪除(Detach)觀察者。

提供接口用于通知(Notify)所有注冊的觀察者。

ConcreteSubject (具體主題)：

繼承自 Subject。

維護其自身的狀態（例如，一個溫度值、一個鼠標點擊位置）。

當狀態發生改變時，調用父類的 Notify 方法通知所有觀察者。

Observer (觀察者)：

為所有具體觀察者定義一個更新接口。通常是一個抽象的 Update() 方法。

當接到主題的通知時，調用此方法做出響應。

ConcreteObserver (具體觀察者)：

繼承自 Observer。

實現 Update() 方法。在此方法中，通常會從 ConcreteSubject 獲取所需的狀態，并執行具體的業務邏輯（如更新UI、記錄日志等）。

通常會維護一個指向 ConcreteSubject 的引用，以便在更新時獲取其狀態。

它們之間的協作關系如下圖所示：
（這是一個UML協作序列的文本描述）

ConcreteObserver 調用 ConcreteSubject 的 Attach 方法將自己注冊到主題的觀察者列表中。

ConcreteSubject 的內部狀態發生變化。

ConcreteSubject 調用 Notify 方法。

Notify 方法遍歷所有注冊的 Observer，并調用每個觀察者的 Update 方法。

ConcreteObserver 的 Update 方法被調用，它可以通過傳入的參數或查詢 ConcreteSubject 來獲取新狀態，并據此更新自身。

3. 經典C++實現示例
下面是一個簡單的C++實現，模擬一個氣象站（主題）和多個顯示設備（觀察者）。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <memory>// 前向聲明
class Subject;// 1. Observer (觀察者接口)
class Observer {
public:virtual ~Observer() = default;// 更新接口，參數通常是Subject或狀態數據virtual void Update(Subject& subject) = 0;
};// 2. Subject (主題接口)
class Subject {
public:virtual ~Subject() = default;// 注冊觀察者void Attach(std::shared_ptr<Observer> observer) {observers_.push_back(observer);}// 移除觀察者void Detach(std::shared_ptr<Observer> observer) {// 在實際項目中，這里需要更安全的刪除邏輯observers_.erase(std::remove(observers_.begin(), observers_.end(), observer),observers_.end());}// 通知所有觀察者void Notify() {for (auto& observer : observers_) {observer->Update(*this);}}private:std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers_;
};// 3. ConcreteSubject (具體主題：氣象站)
class WeatherStation : public Subject {
public:// 設置狀態（溫度）并通知觀察者void SetTemperature(double temp) {temperature_ = temp;Notify(); // 關鍵一步：狀態改變，立即通知所有觀察者}// 獲取狀態（供觀察者查詢）double GetTemperature() const {return temperature_;}private:double temperature_ = 0.0;
};// 4. ConcreteObserver (具體觀察者：手機顯示)
class PhoneDisplay : public Observer {
public:explicit PhoneDisplay(const std::string& name) : name_(name) {}void Update(Subject& subject) override {// 安全的向下轉型，確認主題類型WeatherStation* ws = dynamic_cast<WeatherStation*>(&subject);if (ws) {double temp = ws->GetTemperature();std::cout << "[" << name_ << "] Temperature updated: " << temp << "°C\n";}}private:std::string name_;
};// 5. 另一個具體觀察者：LED大屏顯示
class LedDisplay : public Observer {
public:void Update(Subject& subject) override {WeatherStation* ws = dynamic_cast<WeatherStation*>(&subject);if (ws) {double temp = ws->GetTemperature();std::cout << "*** LED Display: CURRENT TEMP = " << temp << "°C ***\n";}}
};// 客戶端代碼
int main() {// 創建主題（氣象站）WeatherStation station;// 創建觀察者（兩個顯示設備）auto phone1 = std::make_shared<PhoneDisplay>("User's Phone");auto phone2 = std::make_shared<PhoneDisplay>("Dad's Phone");auto led = std::make_shared<LedDisplay>();// 注冊觀察者station.Attach(phone1);station.Attach(phone2);station.Attach(led);// 模擬氣象站溫度變化，觀察者會自動更新std::cout << "Setting temperature to 25.5°C...\n";station.SetTemperature(25.5);std::cout << "\nSetting temperature to 18.2°C...\n";station.SetTemperature(18.2);// 移除一個觀察者std::cout << "\nDetaching Dad's Phone...\n";station.Detach(phone2);std::cout << "Setting temperature to 30.0°C...\n";station.SetTemperature(30.0);return 0;
}

輸出結果：

Setting temperature to 25.5°C...
[User's Phone] Temperature updated: 25.5°C
[Dad's Phone] Temperature updated: 25.5°C
*** LED Display: CURRENT TEMP = 25.5°C ***Setting temperature to 18.2°C...
[User's Phone] Temperature updated: 18.2°C
[Dad's Phone] Temperature updated: 18.2°C
*** LED Display: CURRENT TEMP = 18.2°C ***Detaching Dad's Phone...
Setting temperature to 30.0°C...
[User's Phone] Temperature updated: 30°C
*** LED Display: CURRENT TEMP = 30°C ***

更多例子：

示例 1: GUI 事件處理 (按鈕點擊)

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <algorithm>// 前向聲明
class Button;// 觀察者接口：事件監聽器
class EventListener {
public:virtual ~EventListener() = default;virtual void onClick(Button& source) = 0;
};// 主題：按鈕
class Button {std::vector<EventListener*> listeners_; // 使用原始指針簡化示例std::string name_;public:Button(const std::string& name) : name_(name) {}// 注冊觀察者void addListener(EventListener* listener) {listeners_.push_back(listener);}// 移除觀察者void removeListener(EventListener* listener) {listeners_.erase(std::remove(listeners_.begin(), listeners_.end(), listener), listeners_.end());}// 模擬用戶點擊void click() {std::cout << "Button '" << name_ << "' was clicked!\n";notifyListeners();}const std::string& getName() const { return name_; }private:// 通知所有觀察者void notifyListeners() {for (auto listener : listeners_) {listener->onClick(*this);}}
};// 具體觀察者：登錄處理器
class LoginHandler : public EventListener {
public:void onClick(Button& source) override {std::cout << "[LoginHandler] Handling click from: " << source.getName() << "\n";std::cout << "Performing login logic...\n";}
};// 具體觀察者：日志記錄器
class ClickLogger : public EventListener {
public:void onClick(Button& source) override {std::cout << "[ClickLogger] Button clicked: " << source.getName() << " at timestamp: 12345\n";}
};int main() {Button loginButton("Login");LoginHandler loginHandler;ClickLogger logger;// 注冊監聽器loginButton.addListener(&loginHandler);loginButton.addListener(&logger);// 模擬點擊事件loginButton.click();std::cout << "\nRemoving logger...\n";loginButton.removeListener(&logger);loginButton.click();return 0;
}

輸出結果：

Button 'Login' was clicked!
[LoginHandler] Handling click from: Login
Performing login logic...
[ClickLogger] Button clicked: Login at timestamp: 12345Removing logger...
Button 'Login' was clicked!
[LoginHandler] Handling click from: Login
Performing login logic...

示例 2: 發布-訂閱系統 (簡單的消息主題)

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <map>
#include <algorithm>// 消息類
struct Message {std::string topic;std::string content;
};// 訂閱者接口
class Subscriber {
public:virtual ~Subscriber() = default;virtual void onMessage(const Message& msg) = 0;
};// 消息代理（主題）
class MessageBroker {std::map<std::string, std::vector<Subscriber*>> topicSubscribers_;public:// 訂閱主題void subscribe(const std::string& topic, Subscriber* sub) {topicSubscribers_[topic].push_back(sub);}// 取消訂閱void unsubscribe(const std::string& topic, Subscriber* sub) {auto& subs = topicSubscribers_[topic];subs.erase(std::remove(subs.begin(), subs.end(), sub), subs.end());}// 發布消息void publish(const Message& msg) {auto it = topicSubscribers_.find(msg.topic);if (it != topicSubscribers_.end()) {for (auto sub : it->second) {sub->onMessage(msg);}}}
};// 具體訂閱者：日志服務
class LogService : public Subscriber {
public:void onMessage(const Message& msg) override {std::cout << "[LogService] Received on topic '" << msg.topic << "': " << msg.content << "\n";}
};// 具體訂閱者：告警服務
class AlertService : public Subscriber {
public:void onMessage(const Message& msg) override {if (msg.topic == "alerts") {std::cout << "[AlertService] ALERT! " << msg.content << "\n";}}
};int main() {MessageBroker broker;LogService logger;AlertService alerter;// 訂閱主題broker.subscribe("logs", &logger);broker.subscribe("alerts", &logger);broker.subscribe("alerts", &alerter);// 發布消息broker.publish({"logs", "System started successfully"});broker.publish({"alerts", "CPU usage over 90%"});broker.publish({"metrics", "This will be ignored by all"}); // 無訂閱者return 0;
}

輸出結果：

[LogService] Received on topic 'logs': System started successfully
[LogService] Received on topic 'alerts': CPU usage over 90%
[AlertService] ALERT! CPU usage over 90%