实践GoF的23种设计模式：观察者模式

摘要：当你需要监听某个状态的变更，且在状态变更时通知到监听者，用观察者模式吧。

本文分享自华为云社区《【Go实现】实践GoF的23种设计模式：观察者模式》，作者： 元闰子 。

简介

现在有 2 个服务，Service A 和 Service B，通过 REST 接口通信；Service A 在某个业务场景下调用 Service B 的接口完成一个计算密集型任务，假设接口为http://service_b/api/v1/domain；该任务运行时间很长，但 Service A 不想一直阻塞在接口调用上。为了满足 Service A 的要求，通常有 2 种方案：

1、Service A 隔一段时间调用一次 Service B 的接口，如果任务还没完成，就返回 HTTP Status 102 Processing；如果已完成，则返回 HTTP Status 200 Ok。

2、Service A 在请求 Service B 接口时带上 callback uri，比如 http://service_b/api/v1/domain?callbackuri=http://service_a/api/v1/domain，Service B 收到请求后立即返回 HTTP Status 200 Ok，等任务完成后再调用 Service A callback uri 进行通知。

方案 1 须要轮询接口，轮询太频繁会导致资源浪费，间隔太长又会导致任务完成后 Service A 无法及时感知。显然，方案 2 更加高效，因此也被广泛应用。

方案 2 用到的思想就是本文要介绍的观察者模式（Observer Pattern），GoF 对它的定义如下：

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

我们将观察者称为 Observer，被观察者（或主体）称为 Subject，那么 Subject 和 Observer 是一对多的关系，当 Subject 状态变更时，所有的 Observer 都会被通知到。

UML 结构

场景上下文

在简单的分布式应用系统（示例代码工程）中，应用之间通过 network 模块来通信，其中通信模型采用观察者模式：

从上图可知，App 直接依赖 http 模块，而 http 模块底层则依赖 socket 模块：

1. 在 App2 初始化时，先向 http 模块注册一个 request handler，处理 App1 发送的 http 请求。
2. http 模块会将 request handler 转换为 packet handler 注册到 socket 模块上。
3. App 1 发送 http 请求，http 模块将请求转换为 socket packet 发往 App 2 的 socket 模块。
4. App 2 的 socket 模块收到 packet 后，调用 packet handler 处理该报文；packet handler 又会调用 App 2 注册的 request handler 处理该请求。

在上述 socket - http - app 三层模型 中，对 socket 和 http，socket 是 Subject，http 是 Observer；对 http 和 app，http 是 Subject，app 是 Observer。

代码实现

因为在观察者模式的实现上，socket 模块和 http 模块类似，所以，下面只给出 socket 模块的实现：

// demo/network/socket.go
package network
// 关键点1: 定义Observer接口
// SocketListener Socket报文监听者
type SocketListener interface {
 // 关键2: 为Observer定义更新处理方法，入参为相关的上下文对象
Handle(packet *Packet) error
}
// Subject接口
// Socket 网络通信Socket接口
type Socket interface {
// Listen 在endpoint指向地址上起监听
Listen(endpoint Endpoint) error
// Close 关闭监听
Close(endpoint Endpoint)
// Send 发送网络报文
Send(packet *Packet) error
// Receive 接收网络报文
Receive(packet *Packet)
// AddListener 增加网络报文监听者
AddListener(listener SocketListener)
}
// 关键点3: 定义Subject对象
// socketImpl Socket的默认实现
type socketImpl struct {
 // 关键点4: 在Subject中持有Observer的集合
listeners []SocketListener
}
// 关键点5: 为Subject定义注册Observer的方法
func (s *socketImpl) AddListener(listener SocketListener) {
s.listeners = append(s.listeners, listener)
}
// 关键点6: 当Subject状态变更时，遍历Observers集合，调用它们的更新处理方法
func (s *socketImpl) Receive(packet *Packet) {
for _, listener := range s.listeners {
listener.Handle(packet)
}
}
...

总结实现观察者模式的几个关键点：

1. 定义 Observer 接口，上述例子中为 SocketListener 接口。
2. 为 Observer 接口定义状态更新的处理方法，其中方法入参为相关的上下文对象。上述例子为 Handle 方法，上下文对象为 Packet。
3. 定义 Subject 对象，上述例子为 socketImpl 对象。当然，也可以先将 Subject 抽象为接口，比如上述例子中的 Socket 接口，但大多数情况下都不是必须的。
4. 在 Subject 对象中，持有 Observer 接口的集合，上述例子为 listeners 属性。让 Subject 依赖 Observer 接口，能够使 Subject 与具体的 Observer 实现解耦，提升代码的可扩展性。
5. 为 Subject 对象定义注册 Observer 的方法，上述例子为 AddListener 方法。
6. 当 Subject 状态变更时，遍历 Observer 集合，并调用它们的状态更变处理方法，上述例子为 Receive 方法。

扩展

发布-订阅模式

与观察者模式相近的，是发布-订阅模式（Pub-Sub Pattern），很多人会把两者等同，但它们之间还是有些差异。

从前文的观察者模式实现中，我们发现 Subject 持有 Observer 的引用，当状态变更时，Subject 直接调用 Observer 的更新处理方法完成通知。也就是，Subject 知道有哪些 Observer，也知道 Observer 的数量：

在发布-订阅模式中，我们将发布方称为 Publisher，订阅方称为 Subscriber，不同于观察者模式，Publisher 并不直接持有 Subscriber 引用，它们之间通常通过 Broker 来完成解耦。也即，Publisher 不知道有哪些 Subscriber，也不知道 Subscriber 的数量：

发布-订阅模式被广泛应用在消息中间件的实现上，比如 Apache Kafka 基于 Topic 实现了发布-订阅模式，发布方称为 Producer，订阅方称为 Consumer。

下面，我们通过简单的分布式应用系统（示例代码工程）中的 mq 模块，展示一个简单的发布-订阅模式实现，在该实现中，我们将 Publisher 的 produce 方法和 Subscriber 的 consume 方法都合并到 Broker 中：

// demo/mq/memory_mq.go
// 关键点1: 定义通信双方交互的消息，携带topic信息
// Message 消息队列中消息定义
type Message struct {
topic   Topic
payload string
}
// 关键点2: 定义Broker对象
// memoryMq 内存消息队列，通过channel实现
type memoryMq struct {
 // 关键点3: Broker中维持一个队列的map，其中key为topic，value为queue，go语言通常用chan实现。
queues sync.Map // key为Topic，value为chan *Message，每个topic单独一个队列
}
// 关键点4: 为Broker定义Produce方法，根据消息中的topic选择对应的queue发布消息
func (m *memoryMq) Produce(message *Message) error {
record, ok := m.queues.Load(message.Topic())
if !ok {
q := make(chan *Message, 10000)
m.queues.Store(message.Topic(), q)
record = q
}
queue, ok := record.(chan *Message)
if !ok {
return errors.New("model's type is not chan *Message")
}
queue <- message
return nil
}
// 关键点5: 为Broker定义Consume方法，根据topic选择对应的queue消费消息
func (m *memoryMq) Consume(topic Topic) (*Message, error) {
record, ok := m.queues.Load(topic)
if !ok {
q := make(chan *Message, 10000)
m.queues.Store(topic, q)
record = q
}
queue, ok := record.(chan *Message)
if !ok {
return nil, errors.New("model's type is not chan *Message")
}
return <-queue, nil
}

客户端使用时，直接调用 memoryMq 的 Produce 方法和 Consume 方法完成消息的生产和消费：

// 发布方
func publisher() {
msg := NewMessage("test", "hello world")
err := MemoryMqInstance().Produce(msg)
assert.Nil(t, err)
}
// 订阅方
func subscriber() {
result, err := MemoryMqInstance().Consume("test")
assert.Nil(err)
assert.Equal(t, "hello world", result.payload)
}

总结实现发布-订阅模式的几个关键点：

1. 定义通信双方交互的消息，携带 topic 信息，上述例子为 Message 对象。
2. 定义 Broker 对象，Broker 是缓存消息的地方，上述例子为 memoryMq 对象。
3. 在 Broker 中维持一个队列的 map，其中 key 为 topic，value 为 queue，go 语言通常用 chan 来实现 queue，上述例子为 queues 属性。
4. 为 Broker 定义 produce 方法，根据消息中的 topic 选择对应的 queue 发布消息，上述例子为 Produce 方法。
5. 为 Broker 定义 consume 方法，根据 topic 选择对应的 queue 消费消息，上述例子为 Consume 方法。

Push 模式 VS Pull 模式

实现观察者模式和发布-订阅模式时，都会涉及到 Push 模式或 Pull 模式的选取。所谓 Push 模式，指的是 Subject/Publisher 直接将消息推送给 Observer/Subscriber；所谓 Pull 模式，指的是 Observer/Subscriber 主动向 Subject/Publisher 拉取消息：

Push 模式和 Pull 模式的选择，取决于通信双方处理消息的速率大小。

如果 Subject/Publisher 方生产消息的速率要比 Observer/Subscriber 方处理消息的速率小，可以选择 Push 模式，以求得更高效、及时的消息传递；相反，如果 Subject/Publisher 方产生消息的速率要大，就要选择 Pull 模式，由 Observer/Subscriber 方决定消息的消费速率，否则可能导致 Observer/Subscriber 崩溃。

Pull 模式有个缺点，如果当前无消息可处理，将导致 Observer/Subscriber 空轮询，可以采用类似 Kafka 的解决方案：让 Observer/Subscriber 阻塞一定时长，让出 CPU，避免长期无效的 CPU 空转。

典型应用场景

• 需要监听某个状态的变更，且在状态变更时，通知到监听者。
• web 框架。很多 web 框架都用了观察者模式，用户注册请求 handler 到框架，框架收到相应请求后，调用 handler 完成处理逻辑。
• 消息中间件。如 Kafka、RocketMQ 等。

优缺点

优点

• 消息通信双方解耦。观察者模式通过依赖接口达到松耦合；发布-订阅模式则通过 Broker 达到解耦目的。
• 支持广播通信。
• 可基于 topic 来达到指定消费某一类型消息的目的。

缺点

• 通知 Observer/Subscriber 的顺序是不确定的，应用程序不应该依赖通知顺序来保证业务逻辑的正确性。
• 广播通信场景，需要 Observer/Subscriber 自己去判断是否需要处理该消息，否则容易导致 unexpected update。

与其他模式的关联

观察者模式和发布-订阅模式中的 Subject 和 Broker，通常都会使用单例模式来确保它们全局唯一。

文章配图

可以在 用Keynote画出手绘风格的配图 中找到文章的绘图方法。

参考

[1] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式：SOLID原则, 元闰子

[2] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式：单例模式, 元闰子

[3] Design Patterns, Chapter 5. Behavioral Patterns, GoF

[4] 观察者模式, refactoringguru.cn

[5] 观察者模式 vs 发布订阅模式, 柳树

 

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