C++中的观察者模式：通俗易懂的讲解与实现

什么是观察者模式？

观察者模式是一种常见的设计模式，它解决了这样一个问题：当某个对象的状态发生变化时，如何通知依赖它的其他对象？

用通俗的话说，观察者模式就像我们日常的“订阅-通知”机制：

主题（Subject） 是信息的提供者（比如新闻网站、天气站）。
观察者（Observer） 是信息的订阅者（比如读者、天气App）。
当主题有了新的变化（如新闻更新、天气变化），会通知所有订阅的观察者。

观察者模式的特点

松耦合
主题和观察者之间通过接口交互，彼此不直接依赖，可以独立扩展。
动态订阅与取消订阅
观察者可以随时订阅或取消订阅，运行时非常灵活。
通知机制自动化
主题变化后，会统一通知所有订阅者。

适用场景

消息通知
比如新闻推送系统，用户订阅后，新闻更新会自动推送。
数据驱动更新
在界面设计中，数据变化时需要动态更新UI（如MVC架构）。
事件触发系统
游戏中玩家状态变化需要通知其他玩家，或者股票系统推送实时行情。

C++实现观察者模式：天气预报案例

为了演示观察者模式，我们用一个天气预报系统来举例：

主题（WeatherStation）： 模拟一个天气站，用于监控和更新天气。
观察者（WeatherApp）： 模拟订阅天气的手机App，接收天气通知。

完整代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <algorithm>
#include <string>

// 抽象观察者接口
class WeatherObserver {
public:
    virtual void updateWeather(const std::string& weather) = 0; // 收到天气更新通知的方法
    virtual ~WeatherObserver() = default;
};

// 抽象主题类（天气站）
class WeatherStation {
private:
    std::vector<std::shared_ptr<WeatherObserver>> observers; // 保存订阅者列表
    std::string currentWeather; // 当前天气

public:
    // 添加观察者（订阅）
    void addObserver(std::shared_ptr<WeatherObserver> observer) {
        observers.push_back(observer);
    }

    // 移除观察者（取消订阅）
    void removeObserver(std::shared_ptr<WeatherObserver> observer) {
        observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());
    }

    // 通知所有观察者
    void notifyObservers() {
        for (const auto& observer : observers) {
            observer->updateWeather(currentWeather);
        }
    }

    // 更新天气并通知观察者
    void updateWeather(const std::string& weather) {
        currentWeather = weather;
        notifyObservers(); // 通知所有观察者天气变化
    }
};

// 具体观察者类（手机App）
class WeatherApp : public WeatherObserver {
private:
    std::string appName; // App的名字

public:
    explicit WeatherApp(const std::string& name) : appName(name) {}

    // 实现天气更新通知方法
    void updateWeather(const std::string& weather) override {
        std::cout << appName << " 收到了最新天气：" << weather << std::endl;
    }
};

// 主函数：测试观察者模式
int main() {
    // 创建天气站（主题）
    std::shared_ptr<WeatherStation> station = std::make_shared<WeatherStation>();

    // 创建两个观察者（手机App）
    std::shared_ptr<WeatherObserver> app1 = std::make_shared<WeatherApp>("天气宝App");
    std::shared_ptr<WeatherObserver> app2 = std::make_shared<WeatherApp>("气象通App");

    // 两个App订阅天气站
    station->addObserver(app1);
    station->addObserver(app2);

    // 更新天气，触发通知
    station->updateWeather("晴天");
    station->updateWeather("下雨");

    // 取消天气宝App的订阅
    station->removeObserver(app1);

    // 再次更新天气，验证通知
    station->updateWeather("大风");

    return 0;
}

代码拆解与分析

抽象观察者接口（WeatherObserver）
- 定义了一个虚函数 updateWeather()，所有观察者类都必须实现这个方法，用来接收通知。
主题类（WeatherStation）
- 保存了一个观察者列表（std::vector），用于管理所有订阅者。
- 提供了 addObserver() 和 removeObserver() 方法，方便动态添加或移除观察者。
- 通过 notifyObservers() 方法通知所有观察者。
具体观察者（WeatherApp）
- 每个观察者都实现了 updateWeather() 方法，用来处理天气变化的通知。
运行逻辑
- 创建主题和观察者。
- 观察者订阅主题。
- 当主题状态改变时，所有观察者都会收到更新通知。

程序运行结果

运行程序后输出如下：

天气宝App 收到了最新天气：晴天
气象通App 收到了最新天气：晴天
天气宝App 收到了最新天气：下雨
气象通App 收到了最新天气：下雨
气象通App 收到了最新天气：大风

可以看到：

两个App订阅后，天气更新时都会收到通知。
取消天气宝App的订阅后，只有气象通App收到通知。

优缺点

优点

松耦合设计
- 主题和观察者通过接口交互，方便扩展和维护。
动态订阅机制
- 可随时添加或移除观察者。
统一通知
- 通知逻辑集中管理，简单直观。

缺点

性能开销
- 如果观察者过多，通知过程可能带来性能问题。
依赖复杂
- 观察者之间可能产生隐式依赖关系，增加调试难度。

应用场景

消息推送系统：
比如新闻网站向订阅用户推送最新动态。
实时数据更新：
数据变化时需要更新多个UI组件。
事件监听机制：
游戏中角色状态改变时通知其他玩家或系统。

总结

观察者模式是一个简单却功能强大的模式，它通过“发布-订阅”机制解耦了对象之间的依赖，使得代码更加灵活和易维护。在C++中，我们可以通过抽象接口和容器来实现观察者模式，并根据需求灵活扩展。

通过本文的天气预报示例，相信你已经掌握了观察者模式的核心概念及其实现方法！