C++20之设计模式：观察者模式

观察者

观察者模式是一种流行且必需的模式，QT的信号槽机制本质上就是观察者模式。

属性观察者

一个人每长大一岁的时候都会庆祝生日，怎么实现呢？可以给出下面这样一个定义：

struct Person {int age;Person(int age) : age{age} {}
};

怎么知道一个人的年龄发生改变了呢？尝试轮询？这种方法太糟糕！更好的是通知机制，当年龄变化时发出通知。

设计一个setter，使其变化时发出通知。

struct Person {int get_age() const { return age; }void set_age(const int value) { // 仅在变化时通知if (age != value) {age = value; // notify}}private:int age;
};

怎么实现notify呢？

Observer<T>

一种方法是定义一个基类，任何关心Person变化的对象都需要继承它

struct PersonListener {virtual void person_changed(Person &p, const string &property_name) = 0;
};

然而，属性更改可以发生在Person以外的类型上，此时需要为这些类型生成额外的类。这里使用更通用的定义:

template <typename T>
struct Observer {virtual void field_changed(T &source, const string &field_name) = 0;
};

field_changed()中的两个参数，第一个是对属性发生更改的对象的引用，第二个是属性的名称。名称作为字符串传递将损害代码的可重构性(因为属性名可以变化)

这个实现将允许我们观察Person类的变化

struct PersonObserver : Observer<Person> {void field_changed(Person &source, const string &field_name) override {cout << "Person's " << field_name << " has changed to " << source.get_age() << ".\n";}
};

这个方案允许同时观察多个类的属性变化。例如，将Creature类加入。

struct ConsolePersonObserver : Observer<Person>, Observer<Creature> {void field_changed(Person &source, const string &field_name) {}void field_changed(Creature &source, const string &field_name) {}
};

另一种替代方法是使用std::any。

Observable

Person作为一个可观察类，它将承担新的责任，即:

• 维护一个列表，其中保存所有订阅Person变化的观察者
• 观察者可以通过 subscribe()/unsubscribe() 订阅或者取消订阅
• 当Person发生改变的时候，通过notify通知所有的观察者。

template <typename T>
struct Observable {void notify(T& source, const string& name);void subscribe(Observer<T>* f) { observers.emplace_back(f); };void unsubscribe(Observer<T>* f);private:vector<Observer<T>*> observers;
};

subscribe()/unsubscribe()，将一个观察者从列表中加入/删除。

notify()遍历每个观察者，并且依次调用对应的observer.field_changed()函数。

void notify(T &source, const string &name) {for (auto &&obs : observers) observes->field_changed(source, name);
}

但是，仅继承Observable<T>是不够的，我们的类还需要在其属性发生改变的时候调用notify()函数。

例如，考虑set_age()函数，它现在有三个职责：

• 检查属性值是否已实际更改。如果age是20岁，设置为20岁，通知时是没有意义的。
• 给属性赋合理的值。
• 用正确的参数调用notify()函数

因此，set_age()的新实现可能长成这样:

struct Person : Observable<Person> {void set_age(const int age) {// check_age(age);if (this->age != age) {this->age = age;notify(*this, "age");}}private:int age;
};

连接观察者和被观察者

现在，使用设计的观察者和被观察者，下面是观察者的示例:

// CRTP
struct PersonObserver : Observer<Person> {void field_changed(Person &source, const string &field_name) override {cout << "Person's " << field_name << " has changed to " << source.get_age()<< ".\n";}
};

用法：

Person p{ 20 };
PersonObserver ob;
p.subscribe(&ob);
p.set_age(21); // Person's age has changed to 21.
p.set_age(22); // Person's age has changed to 22.

如果不关心有关属性依赖关系和线程安全性/可重入性的问题，就可以在这此止步。如果想看到更复杂的讨论，请继续阅读。

依赖问题

大于18岁的人具有恋爱权，当某个人具有恋爱权之后我们希望被通知到。首先，假设Person类有如下的getter函数：

bool get_can_love() const { return age >= 18};

注意，get_can_love()没有底层属性成员和setter(我们可以引入这样的字段，例如can_love()，但它显然是多余的)，但是有必要添加notify()接口。怎么做呢？试着找出是导致can_love改变的原因，是set_age()做的！因此，想要得到恋爱状态变化的通知，这些需要在set_age()中完成。

void set_age(const int value) const {if (age != value) {auto old_can_love = can_love();  // store old valueage = value;notify(*this, "age");if (old_can_love != can_love())  // check value has changednotify(*this, "can_love");}
}

set_age()里不仅检查年龄是否改变，也检查can_love是否改变并通知发出通知! 想象一下can_love依赖于两个字段，比如age和parent——这意味着它们的两个setter都必须处理can_love通知。更糟糕的是，如果年龄也会以这种方式影响其他10种属性呢? 这是一个不可用的解决方案！

当然，属性依赖关系可以被形式化为某种类型的map<string, vector<string>>。这将保留一个受属性影响的属性列表(或者相反，影响属性的所有属性)。遗憾的是，这个map必须手工定义，而且要与实际代码保持同步是相当棘手的。

取消订阅和线程安全

观察者如何从可观察对象中取消订阅？从观察者列表中删除即可，这在单线程场景中非常简单：

void unsubscribe(Observer<T>* observer) {observers.erase(remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end())
}

erase-remove的用法只在单线程场景中是正确的。vector不是线程安全的，所以同时调用subscribe()和unsubscribe()可能会导致意想不到的结果，因为这两个函数都会修改vector。

这很容易解决:只需对所有可观察对象的操作都加一个锁。这看起来很简单：

template <typename T>
struct Observable {void notify(T& source, const string& name) {scoped_lock<mutex> lock{mtx};...}void subscribe(Observer<T>* f) {scoped_lock<mutex> lock{mtx};...}void unsubscribe(Observer<T>* o) {scoped_lock<mutex> lock{mtx};...}private:vector<Observer<T>*> observers;mutex mtx;
};

另一个非常可行的替代方案是使用类似TPL/PPL的concurrent_ vector。当然，您会失去排序保证(换句话说，一个接一个地添加两个对象并不能保证它们按照那个顺序得到通知)，但它肯定会让您不必自己管理锁。

可重入

最后一个实现通过在3个关键接口中加锁来保证线程安全。例如，有一个交通管理组件一直监视一个人，直到他18岁。当他们18岁时，组件取消订阅:

struct TrafficAdministration : Observer<Person> {void TrafficAdministration::field_changed(Person& source, const string& field_name) override {if (field_name == "age") {if (source.get_age() < 17)cout << "Whoa there, you are not old enough to drive!\n";else {// oh, ok, they are old enough, let's not monitor them anymorecout << "We no longer care!\n";source.unsubscribe(this);}}}
};

这将会出现一个问题，因为当某人17岁时，整个调用链将会是：

notify() --> field_changed() --> unsubscribe()

这是存在一个问题，因为在unsubscribe()中试图获取一个已经被获取的锁。这就是可重入问题。

• 一种方法是简单地禁止这种情况

• 另一种方法是放弃从集合中删除元素的想法。相反，我们可以这样写:

  void unsubscribe(Observer<T>* o) {auto it = find(observers.begin(), observers.end(), o);if (it != observers.end()) *it = nullptr;  // cannot do this for a set
  }
  

  随后，当使用notify()时，只需要进行额外的检查:

  void notify(T& source, const string& name) {for (auto&& obs : observes)if (obs) obs->field_changed(source, name);
  }
  

通过 Boost.Signals2 来实现 Observer

观察者模式有很多预打包的实现，并且可能最著名的是 Boost.Signals2 库。本质上，该库提供了一种称为信号的类型，它表示 C++ 中的信号术语（在别处称为事件）。可以通过提供函数或 lambda 表达式 来订阅此信号。它也可以被取消订阅，当你想通知它时，它可以被解除。

template <typename T>
struct Observable {signal<void(T&, const string&)> property_changed;
};

它的调用如下所示:

struct Person : Observable<Person> {void set_age(const int age) {if (this->age == age) return;this->age = age;property_changed(*this, "age");}
};

API 的实际使用将直接使用信号，当然，除非你决定添加更多 API 陷阱以使其更容易：

Person p{123};
auto conn = p.property_changed.connect([](Person&, const string& prop_name) {cout << prop_name << " has been changed" << endl;
});
p.set_age(20);  // name has been changed
// later, optionally
conn.disconnect();

connect() 调用的结果是一个连接对象，它也可以用于在你不再需要信号通知时取消订阅。

总结

毫无疑问，本章中提供的代码是一个明显的例子，它过度思考和过度设计了一个超出大多数人想要实现的问题的方式。

让我们回顾一下实现 Observer 时的主要设计决策：

• 决定你希望你的 observable 传达什么信息。例如，如果你正在处理字段/属性更改，则可以包含属性名称。你还可以指定旧/新值，但传递类型可能会出现问题。

• 你想让你的观察者成为tire class，还是你只需要一个虚函数列表？

• 你想如何处理取消订阅的观察者？

  • 如果你不打算支持取消订阅——恭喜你，你将节省大量的实现观察者的工作，因为在重入场景中没有删除问题。
  • 如果你计划支持显式的 unsubscribe() 函数，你可能不想直接在函数中擦除-删除，而是将元素标记为删除并稍后删除它们。
  • 如果你不喜欢在（可能为空）裸指针上调度的想法，请考虑使用 weak_ptr 代替。

• Observer<T> 的函数是否有可能是 从几个不同的线程调用？如果他们是，你需要保护你的订阅列表：

  • 你可以在所有相关函数上放置 scoped_lock；或者
  • 你可以使用线程安全的集合，例如 TBB/PPLcurrenct_vector。你将失去顺序保证。

• 来自同一来源的多个订阅允许吗？如果是，则不能使用 std::set。

遗憾的是，没有理想的 Observer 实现能够满足所有条件。 无论你采用哪种实现方式，都需要做出一些妥协。