Design Pattern Java

Observer Pattern 觀察者模式 [Design Pattern in Java]

Posted by Kubeguts on 2020-07-26

觀察者模式可以讓物件了解資料變化的情況。
物件甚至可以在執行期間決定是否要繼續被通知，又或者是可以主動去詢問資料的狀態。
在此模式中也會了解一對多，以及物件鬆綁的意義是如何。

以氣象監測系統的概況來當做例子

假設系統中有三個組成要件：
(1) 氣象站: 獲取實際氣象的物理裝置，假設有三個:溫度,濕度,壓力感應
(2) Weather Data物件: 追蹤來自氣象站的資料，並且顯示在佈告版上
(3) 佈告版: 將Weather Data物件給予的資料呈現出來

整個例子會有，一個氣象站(產出假的氣象資料)，Weather Data物件(獲取氣象資料並通知佈告版)，佈告版將拿到的資料給呈現出來

沒使用觀察者模式 Observer Pattern的情況

初學者會很直覺的寫出這樣的程式架構：

佈告欄

CurrentConditionsDisplay.class

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public class CurrentConditionsDisplay {
    private int temp;
    private int humidity;
    private int pressure;
    
    public void update() {
       this.temp = temp;
       this.humidity = humidity;
       this.pressure = pressure;
    }
    
    // 顯示資料
    public void display() {
        System.out.println(temp);
        System.out.println(humidity);
        System.out.println(pressure);
    }
}

WeatherData.class

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public class WeatherData {
    // instance variable declarations
    
    // 宣告佈告欄
    CurrentConditionsDisplay currentConditionsDisplay;
    StatisticsDisplay statisticsDisplay;
     
    // 建構子
    public WeatherData(
        CurrentConditionsDisplay currentConditionsDisplay,
        StatisticsDisplay statisticsDisplay
    ) {
        this.currentConditionsDisplay = currentConditionsDisplay;
        this.statisticsDisplay = statisticsDisplay;
    }
    
    public int getTemperature() {...}
    public int getHumidity() {...}
    public int getPressure() {...}
    
    public void measurementsChanged() {
        float temp = getTemperature();
        float humidity = getHumidity();
        float pressure = getPressure();
        
        // 對佈告欄類別進行更新他們的顯示內容
        currentConditionsDisplay.update(temp, humidity, pressure);
        statisticsDisplay.update(temp, humidity, pressure);
        
        // 其他WeatherData function...
    }
}

但是以上程式結構會有耦合性的狀況：

所以接下來來了解觀察者模式的內涵

觀察者模式解析

定義了物件之間一對多關係，如此一來，當一個物件改變狀態時，其他相依者都會收到通知並自動做改變

其示意圖如下：

主題與觀察者們定義了一對多的關係

若要實踐出可以隔離主題和觀察者們的方式，以 Subject介面和Observer介面最為常見

在這張圖要注意一個重點是，由於現在已經針對介面實作，現在的Subject中的註冊Observer都是以註冊"介面"為主！而非是像上面一開始的新手例子是直接針對實踐而寫

如此一來如果要在新增一個佈告欄叫做ForecastDisplay，直接實踐Observer就好，這樣就不用動到實踐Subject介面的WeatherData之程式碼

以觀察者模式來重寫氣象監測系統

Subject.interface

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public interface Subject {
    void registerObserver(Observer o);
    void removeObserver(Observer o);
    void notifyObservers();
}

ObserverInterface

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public interface Observer {
    void update(float temperature, float humidity, float pressure);
}

WeatherData.java

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import java.util.ArrayList;

public class WeatherData implements Subject{
    private ArrayList observers;
    private float temperature;
    private float humidity;
    private float pressure;

    public WeatherData() {
        observers = new ArrayList();
    }

    public void registerObserver(Observer o) {
        int i = observers.indexOf(o);
        observers.add(o);
    }

    public void removeObserver(Observer o) {
        int i = observers.indexOf(o);
        if(i>=0) {
            observers.remove(i);
        }
    }

    // 向觀察者們送以改動的資料
    // 可以看到現在我們是直接註冊Observer介面，如此一來觀察者類別的實作就不用去在意
    // 只要知道要註冊的對象必須要有實作Observer介面就好
    public void notifyObservers() {
        for(int i=0; i<observers.size(); i++) {
            Observer observer = (Observer)observers.get(i);
            observer.update(temperature, humidity, pressure);
        }
    }

    // 執行向觀察者們通知資料
    public void measurementsChanged() {
        notifyObservers();
    }

    // 讀取假資料，可以改動這地方，改為向氣象局網站爬資料
    public void setMeasurements(
            float temperature,
            float humidity,
            float pressure) {
        this.temperature = temperature;
        this.humidity = humidity;
        this.pressure = pressure;
        measurementsChanged();
    }
}

這裡我們只實踐一個佈告欄 CurrentConditionDisplay

CurrentConditionDisplay.java

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public class CurrentConditionDisplay implements Observer {
    private float temperature;
    private float humidity;
    private float pressure;
    private Subject weatherData;

    public CurrentConditionDisplay(Subject weatherData) {
        this.weatherData = weatherData;
        weatherData.registerObserver(this);
    }

    public void update(float temperature, float humidity, float pressure) {
        this.temperature = temperature;
        this.humidity = humidity;
        this.pressure = pressure;
        display();
    }

    public void display() {
        System.out.println("Current condition: "+temperature + "F degrees and " + humidity + "% humidity and "+ pressure + " pressure");
    }
}

執行程式

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public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        WeatherData weatherData = new WeatherData();

        CurrentConditionDisplay currentDisplay = new CurrentConditionDisplay(weatherData);

        weatherData.setMeasurements(80, 64, 30.4f);
    }
}

可以看到以下結果

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Current condition: 80.0F degrees and 64.0% humidity and 30.4 pressure

之後只要透過主題呼叫觀察者的update()的方法，就可以通知新的資料給觀察者

並且透過註冊的方式+只加入針對實踐Observer介面的觀察者，如此一來可以達到分離主題物件與觀察者物件的邏輯，之後新增新的佈告欄就不用動到主題的程式邏輯。

補充

java sdk也有自行提供Observer方法

其中會有setChange()的方法，主要讓呼叫者定義什麼時候才要通知新的資料給觀察者，避免每次資料一改變就一直通知觀察者。Ex: 如果沒有setChanged的方法，WeahterData物件就會持續不斷的通知觀察者，所以若我們希望溫度差距半度才更新，溫度差距插到半度以上，主題才會呼叫觀察者的update()的方法。

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setChanged() {
    changed = ture;
}

notifyObservers(Object arg) {
    if(changed) {
        for every observer on the list {
            call update(this. org)
        }
        changed = false;
    }
}

notifyObsergers() {
    notifyObservers(null);
}
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