一文搞懂观察者模式的原理与实现观察者模式（Observer Design Pattern）也被称为发布订阅模式（Publ

什么是观察者模式？

观察者模式（Observer Design Pattern）也被称为发布订阅模式（Publish-Subscribe Design Pattern）。在 GoF 的《设计模式》一书中，它的定义是这样的：

Define a one-to-many dependency between objects so that when one object changes state, all its dependents are notified and updated automatically.

中文翻译：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。

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。不管怎么称呼，只要应用场景符合刚刚给出的定义，都可以看作观察者模式。

从定义中可以知道，观察者主要应用于通知的场景，并且通知的对象可能需要频繁的改变。它可以解耦被观察者与观察者。

观察者模式的应用场景非常广泛，小到代码层面的解耦，大到架构层面的系统解耦，再或者一些产品的设计思路，都有这种模式的影子，比如，邮件订阅、RSS Feeds，本质上都是观察者模式。

经典实现方式

我们先来看其中最经典的一种实现方式。这也是在讲到这种模式的时候，很多书籍或资料给出的最常见的实现方式。具体的代码如下所示：

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());
  }
}

这个例子很好理解：

它具有一个被观察者接口（Subject）和一个观察者接口（Observer）；
所有具体的被观察者都需要实现Subject接口，即所有的被观察者都具有注册观察者方法（registerObserver）、删除观察者方法（removeObserver）、通知观察者方法（notifyObservers）；
所有具体的观察者都需要实现Observer接口，即所有的观察者都具有执行通知逻辑的方法（update）；
在被观察者中通过一个List来保存所有注册的观察者，在需要时通过遍历List来通知所有的观察者。

但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。而且Java中也有一些第三方框架供我们使用，它们提供了实现观察者模式的骨架代码，我们可以基于此框架，非常容易地在自己的业务场景中实现观察者模式，不需要从零开始开发，如Guava 的EventBus、Spring Event等。

示例：用户注册通知

假设我们在开发一个 P2P 投资理财系统，用户注册成功之后，我们会给用户发放投资体验金。代码实现大致是下面这个样子的：

public class UserController {
  private UserService userService; // 依赖注入
  private PromotionService promotionService; // 依赖注入

  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);
    promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
    return userId;
  }
}

虽然注册接口做了两件事情，注册和发放体验金，违反单一职责原则，但是，如果没有扩展和修改的需求，现在的代码实现是可以接受的。如果非得用观察者模式，就需要引入更多的类和更加复杂的代码结构，反倒是一种过度设计。

相反，如果需求频繁变动，比如，用户注册成功之后，不再发放体验金，而是改为发放优惠券，并且还要给用户发送一封“欢迎注册成功”的站内信。这种情况下，我们就需要频繁地修改 register() 函数中的代码，违反开闭原则。而且，如果注册成功之后需要执行的后续操作越来越多，那 register() 函数的逻辑会变得越来越复杂，也就影响到代码的可读性和可维护性。

这个时候，观察者模式就能派上用场了。重构之后的代码如下所示：

public interface RegObserver {
  void handleRegSuccess(long userId);
}

public class RegPromotionObserver implements RegObserver {
  private PromotionService promotionService; // 依赖注入

  @Override
  public void handleRegSuccess(long userId) {
    promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
  }
}

public class RegNotificationObserver implements RegObserver {
  private NotificationService notificationService;

  @Override
  public void handleRegSuccess(long userId) {
    notificationService.sendInboxMessage(userId, "Welcome...");
  }
}

public class UserController {
  private UserService userService; // 依赖注入
  private List<RegObserver> regObservers = new ArrayList<>();

  // 一次性设置好，之后也不可能动态的修改
  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) {
      observer.handleRegSuccess(userId);
    }

    return userId;
  }
}

可以看到，借助设计模式，我们利用更好的代码结构，将一大坨代码拆分成职责更单一的小类，让其满足开闭原则、高内聚松耦合等特性，以此来控制和应对代码的复杂性，提高代码的可扩展性。

观察者模式的实现原理分析

如何通知观察者？

我们看到，被观察者需要通知每一个观察者，所以上面示例中被观察者通过一个List来保存了观察者，然后通过遍历List来实现通知每一个观察者。当然通过其他的容器也可以实现，比如Guava的EventBus就是用ConcurrentMap来存储的观察者信息的。

还有被观察者中保存的是观察者的接口，并不知道观察者的细节，即被观察者和观察者之间用松耦合方式结合（loosecoupling），符合“为交互对象之间的松耦合设计而努力”的设计原则。

在上面示例中是被观察者主动将消息推送到观察者中的，这种方式被称为推（push）。还有一种称为拉（pull）的方式，即被观察者通知观察者后，观察者再从被观察者中获取所需的数据。pull方式的前提条件是，被观察者需要提供对外获取数据的接口，同时观察者中需要能获取到被观察者对象。显然，pull方式使被观察者与观察者联系更紧密了，这不一定是一个好的现象。

如何

如何更具有复用性？

被观察者需要提供注册、通知等通用接口，其实这些操作和我们实际业务关系不大，可以考虑抽取出来。此时有两种可以考虑的方式，

一种是继承方式，将通用的操作都抽取到父类中，所有的被观察者只需要继承父类就可以具有注册、通知等操作的实现，JDK1.0中的观察者模式就是这样做的，它提供了Observable类用于给被观察者继承。

一种是组合方式，将通用的操作都抽取到其他类中，被观察者通过委托该类来实现注册、通知等通用操作。如果使用Guava的EventBus，就是通过组合EventBus类来实现的。

我们都知道组合的方式优于继承，因为继承有诸多限制，比如单继承。所以一般都推荐使用组合的方式，目前常用的第三方框架采用的都是组合的方式。

同步通知与异步通知

在通知观察者的方式上我们可以有两种方式，同步阻塞的实现方式和异步非阻塞的实现方式。

同步阻塞的实现方式

观察者和被观察者代码在同一个线程内执行，被观察者一直阻塞，直到所有的观察者代码都执行完成之后，才执行后续的代码。

上面讲到的用户注册的例子就是同步阻塞方式，register() 函数依次调用执行每个观察者的 handleRegSuccess() 函数，等到都执行完成之后，才会返回结果给客户端。

异步非阻塞的实现方式

如果注册接口是一个调用比较频繁的接口，对性能非常敏感，希望接口的响应时间尽可能短，那我们可以将同步阻塞的实现方式改为异步非阻塞的实现方式，以此来减少响应时间。

实现异步非阻塞的方式我们既可以自己手动创建线程来实现，也可以采用第三方框架提供的异步执行功能，如如Guava 的EventBus、Spring Event等。

跨进程间的调用

我们一般所介绍的观察者模式都是指在一个进程间（通常就是指同一个项目代码）进行的通知，但其实观察者模式也可以应用于进程间，比如如果用户注册成功之后，我们需要发送用户信息给大数据征信系统，而大数据征信系统是一个独立的系统，跟它之间的交互是跨不同进程的。

要实现跨进程的观察者模式，其实就是要实现进程间的通讯，这个我们就比较熟悉了，常用的就是：

RPC 接口调用的方式。
消息队列的方式。(采用消息队列的发布-订阅模式)

消息队列方式相对于RPC方式来说，被观察者和观察者解耦更加彻底，两部分的耦合更小，因为被观察者完全不感知观察者，同理，观察者也完全不感知被观察者。不过弊端就是需要引入一个新的系统（消息队列），增加了维护成本。

异步非阻塞的观察者

下面聚焦于异步非阻塞的观察者模式，针对上面用户注册通知的例子，我们采用两种方式来实现异步非阻塞通知。

手动实现异步

我们在 UserController 的 register() 函数中使用线程池来执行每个观察者的 handleRegSuccess() 函数。

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;
  }
}

在这种实现方式中，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。除此之外，如果在项目中，不止一个业务模块需要用到异步非阻塞观察者模式，那这样的代码实现也无法做到复用。

我们知道，框架的作用有：隐藏实现细节，降低开发难度，做到代码复用，解耦业务与非业务代码，让程序员聚焦业务开发。针对异步非阻塞观察者模式，我们也可以将它抽象成框架来达到这样的效果，而这个框架就是我们下面实现方式使用到的 EventBus。

EventBus 框架实现异步

EventBus 翻译为“事件总线”，它提供了实现观察者模式的骨架代码。其中，Google Guava EventBus 就是一个比较著名的 EventBus 框架，它不仅支持异步非阻塞模式，同时也支持同步阻塞模式。

针对上面的例子，我们用 Guava EventBus 重新实现一下，代码如下所示：

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，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）。

但在实现细节方面，它们又有些区别。基于 EventBus，我们不需要定义 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。

如何实现一个 EventBus 框架

EventBus主要类和函数

EventBus 主要包括 5 个类：EventBus、AsyncEventBus、@Subscribe、ObserverRegistry、ObserverAction。

EventBus、AsyncEventBus

我们前面提到过如何让经典的观察者模式更具有复用性，即可以抽取封装被观察者的注册、删除、通知接口，可以采用继承或者组合的方式，EventBus框架采用的就是组合的方式，将这些方法都抽取封装到EventBus类中。

public class EventBus {
    public void register(Object object);
    public void unregister(Object object);
    // 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。
    public void post(Object event);
}

其中，EventBus 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。具体使用方式如下所示：

EventBus eventBus = new EventBus(); // 同步阻塞模式
EventBus eventBus = new AsyncEventBus(Executors.newFixedThreadPool(8))；// 异步阻塞模式

@Subscribe

EventBus 中不需要定义 Observer 接口，任意类型的对象都可以注册到 EventBus，通过 @Subscribe 注解来标明，某个函数能接收哪种类型的消息。

ObserverRegistry

ObserverRegistry类为观察者注册表，即封装了所有注册的观察者，其实际是采用了一个ConcurrentMap来保存，同时对外提供了注册观察者、删除观察者、查找event对应的观察者的方法。

public class ObserverRegistry {
	private ConcurrentMap<Class<?>, CopyOnWriteArraySet<ObserverAction>> registry = new ConcurrentHashMap<>();

    public void register(Object observer) {}
    void unregister(Object observer) {}
    public List<ObserverAction> getMatchedObserverActions(Object event) {}
    
}

EventBus类的注册、删除方法都是委托给ObserverRegistry类来做的。

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;
}

自己手动实现EventBus

上面我们已经介绍了EventBus的主要实现类和方法，其功能总的来说就是：

最关键的一个数据结构是 Observer 注册表，记录了消息类型和可接收消息函数的对应关系。
当调用 register() 函数注册观察者的时候，EventBus 通过解析 @Subscribe 注解，生成 Observer 注册表。
当调用 post() 函数发送消息的时候，EventBus 通过注册表找到相应的可接收消息的函数，然后通过 Java 的反射语法来动态地创建对象、执行函数。
对于同步阻塞模式，EventBus 在一个线程内依次执行相应的函数。对于异步非阻塞模式，EventBus 通过一个线程池来执行相应的函数。

弄懂了原理，实现起来就简单多了。整个小框架的代码实现包括 5 个类：@Subscribe、ObserverAction、ObserverRegistry、EventBus、AsyncEventBus。接下来，我们依次来看下这 5 个类。

1.Subscribe

@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 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。

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 (eventType.isAssignableFrom(postedEventType)) {
        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。看代码你可能会有些疑问，这明明就用到了线程池 Executor 啊。实际上，MoreExecutors.directExecutor() 是 Google Guava 提供的工具类，看似是多线程，实际上是单线程。之所以要这么实现，主要还是为了跟 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

有了 EventBus，AsyncEventBus 的实现就非常简单了。为了实现异步非阻塞的观察者模式，它就不能再继续使用 MoreExecutors.directExecutor() 了，而是需要在构造函数中，由调用者注入线程池。

public class AsyncEventBus extends EventBus {
  public AsyncEventBus(Executor executor) {
    super(executor);
  }
}

至此，我们用了不到 200 行代码，就实现了一个还算凑活能用的 EventBus，从功能上来讲，它跟 Google Guava EventBus 几乎一样。不过，如果去查看Google Guava EventBus 的源码，你会发现，在实现细节方面，相比我们现在的实现，它其实做了很多优化，比如优化了在注册表中查找消息可匹配函数的算法。如果有时间的话，建议你去读一下它的源码。

扩展知识

请对比一下“生产者 - 消费者”模型和观察者模式的区别和联系。

发布-订阅模型，是一对多的关系，可以以同步的方式实现，也可以以异步的方式实现。一条消息可以被多个消费者共同消费。
生产-消费模型，是多对多的关系，一般以异步的方式实现。一条消息只会被一个消费者消费。

观察者模式和责任链模式的区别

观察者模式适用于有多个观察者需要被通知的场景，它向每个观察者发送相同的通知消息，并且不关心通知的顺序和处理结果。
责任链模式适用于请求需要被多个处理器对象处理的场景，它一般来说会关心请求的处理顺序，多个处理器要按顺序处理请求；它也会关心处理结果，如果请求被某个处理器处理完成，后面的处理器就不需要处理了。

扩展资料

Spring Boot 之事件（SpringEvent）

参考资料

《设计模式之美-观察者模式》
《Head-First设计模式》