原理及应用场景剖析
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.
翻译成中文就是：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。
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。不同的应用场景和需求下，这个模式也有截然不同的实现方式，有同步阻塞的实现方式，也有异步非阻塞的实现方式；有进程内的实现方式，也有跨进程的实现方式。
同步阻塞观察者模式的简易实现
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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) {
System.out.println("ConcreteObserverOne is notified.");
}
}
public class ConcreteObserverTwo implements Observer {
@Override
public void update(Message message) {
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());
}
}
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异步非阻塞观察者模式的简易实现
对于异步非阻塞观察者模式，如果只是实现一个简易版本，不考虑任何通用性、复用性，实际上是非常容易的。
我们有两种实现方式。其中一种是：在每个 handleRegSuccess() 函数中创建一个新的线程执行代码逻辑；另一种是：在 UserController 的 register() 函数中使用线程池来执行每个观察者的 handleRegSuccess() 函数。两种实现方式的具体代码如下所示：
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public class RegPromotionObserver implements RegObserver {
private PromotionService promotionService;
@Override
public void handleRegSuccess(Long userId) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
}
});
thread.start();
}
}
public class UserController {
private UserService userService;
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) {
long userId = userService.register(telephone, password);
for (RegObserver observer : regObservers) {
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
observer.handleRegSuccess(userId);
}
});
}
return userId;
}
}
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对于第一种实现方式，频繁地创建和销毁线程比较耗时，并且并发线程数无法控制，创建过多的线程会导致堆栈溢出。第二种实现方式，尽管利用了线程池解决了第一种实现方式的问题，但线程池、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。
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 EventBus 。
EventBus 框架功能需求介绍
EventBus 翻译为“事件总线”，它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。其中，Google Guava EventBus 就是一个比较著名的 EventBus 框架，它不仅仅支持异步非阻塞模式，同时也支持同步阻塞模式
EventBus例子
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public class UserController {
private UserService userService;
private EventBus eventBus;
private static final int DEFAULT_EVENTBUS_THREAD_POOL_SIZE = 20;
public UserController() {
eventBus = new AsyncEventBus(Executors.newFixedThreadPool(DEFAULT_EVENTBUS_THREAD_POOL_SIZE));
}
public void setRegObservers(List<Object> observers) {
for (Object observer : observers) {
eventBus.register(observer);
}
}
public Long register(String telephone, String password) {
long userId = userService.register(telephone, password);
eventBus.post(userId);
return userId;
}
}
public class RegPromotionObserver {
private PromotionService promotionService;
@Subscribe
public void handleRegSuccess(Long userId) {
promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
}
}
public class RegNotificationObserver {
private NotificationService notificationService;
@Subscribe
public void handleRegSuccess(Long userId) {
notificationService.sendInboxMessage(userId, "...");
}
}
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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。
Guava EventBus 的几个主要的类和函数。
Guava EventBus 对外暴露的所有可调用接口，都封装在 EventBus 类中。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：
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| EventBus eventBus = new EventBus();
EventBus eventBus = new AsyncEventBus(Executors.newFixedThreadPool(8))；
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EventBus 类提供了 register() 函数用来注册观察者。具体的函数定义如下所示。它可以接受任何类型（Object）的观察者。而在经典的观察者模式的实现中，register() 函数必须接受实现了同一 Observer 接口的类对象。
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| public void register(Object object);
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相对于 register() 函数，unregister() 函数用来从 EventBus 中删除某个观察者。我就不多解释了，具体的函数定义如下所示：
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| public void unregister(Object object);
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EventBus 类提供了 post() 函数，用来给观察者发送消息。具体的函数定义如下所示：
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| public void post(Object event);
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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。
比如，AObserver 能接收的消息类型是 XMsg，BObserver 能接收的消息类型是 YMsg，CObserver 能接收的消息类型是 ZMsg。其中，XMsg 是 YMsg 的父类。当我们如下发送消息的时候，相应能接收到消息的可匹配观察者如下所示：
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| XMsg xMsg = new XMsg();
YMsg yMsg = new YMsg();
ZMsg zMsg = new ZMsg();
post(xMsg); => AObserver接收到消息
post(yMsg); => AObserver、BObserver接收到消息
post(zMsg); => CObserver接收到消息
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EventBus 通过 @Subscribe 注解来标明，某个函数能接收哪种类型的消息。具体的使用代码如下所示。在 DObserver 类中，我们通过 @Subscribe 注解了两个函数 f1()、f2()。
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| public DObserver {
@Subscribe
public void f1(PMsg event) {
@Subscribe
public void f2(QMsg event) {
}
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当通过 register() 函数将 DObserver 类对象注册到 EventBus 的时候，EventBus 会根据 @Subscribe 注解找到 f1() 和 f2()，并且将两个函数能接收的消息类型记录下来（PMsg->f1，QMsg->f2）。当我们通过 post() 函数发送消息（比如 QMsg 消息）的时候，EventBus 会通过之前的记录（QMsg->f2），调用相应的函数（f2）。
手把手实现一个 EventBus 框架
EventBus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。
Subscribe
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| @Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface Subscribe {
}
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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。
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| public class ObserverAction {
private final Object target;
private final Method method;
public ObserverAction(Object target, Method method) {
this.target = target;
this.method = method;
this.method.setAccessible(true);
}
public void execute(Object event) {
try {
method.invoke(target, event);
} catch (IllegalAccessException | InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
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ObserverRegistry
ObserverRegistry 类就是前面讲到的 Observer 注册表，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，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。
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| public class ObserverRegistry {
private ConcurrentHashMap<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();
CopyOnWriteArraySet<ObserverAction> registeredEventActions = registry.get(eventType);
if (registeredEventActions == null) {
registry.putIfAbsent(eventType, new CopyOnWriteArraySet<>());
registeredEventActions = registry.get(eventType);
}
registeredEventActions.addAll(entry.getValue());
}
}
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 (postedEventType.isAssignableFrom(eventType)) {
matchedObservers.addAll(eventActions);
}
}
return matchedObservers;
}
private Map<Class<?>, Collection<ObserverAction>> findAllObserverActions(Object observer) {
Map<Class<?>, Collection<ObserverAction>> observerActions = new HashMap<>();
Class<?> clazz = observer.getClass();
List<Method> annotatedMethods = getAnnotatedMethods(clazz);
for (Method method: annotatedMethods) {
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;
}
}
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EventBus
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| public class EventBus {
private Executor executor;
private ObserverRegistry registry = new ObserverRegistry();
public EventBus() {
this(MoreExecutors.directExecutor());
}
public EventBus(Executor executor) {
this.executor = executor;
}
public void register(Object object) {
registry.register(object);
}
public void post(Object event) {
List<ObserverAction> matchedObserverActions = registry.getMatchedObserverActions(event);
for (ObserverAction observerAction : matchedObserverActions) {
executor.execute(() -> {
observerAction.execute(event);
});
}
}
}
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AsyncEventBus
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public class AsyncEventBus extends EventBus {
public AsyncEventBus(Executor executor) {
super(executor);
}
}
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demo
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| public class Observer1 {
@Subscribe
public void handle(Long userId) {
System.out.println("Observer1 handle:" + userId);
}
}
public class Observer2 {
@Subscribe
public void handle(Long userId) {
System.out.println("Observer2 handle:" + userId);
}
}
public class UserService {
private EventBus eventBus;
public UserService() {
eventBus = new EventBus();
}
public void setObservers(List<Object> observers) {
for (Object observer : observers) {
eventBus.register(observer);
}
}
public void register() {
Long userId = 111L;
eventBus.post(userId);
}
}
public class UserServiceForAsync {
private EventBus eventBus;
public UserServiceForAsync() {
eventBus = new AsyncEventBus(Executors.newFixedThreadPool(4));
}
public void setObservers(List<Object> observers) {
for (Object observer : observers) {
eventBus.register(observer);
}
}
public void register() {
Long userId = 111L;
eventBus.post(userId);
}
}
public class Application {
public static void main(String[] args) {
UserService userService = new UserService();
userService.setObservers(Arrays.asList(new Observer1(), new Observer2()));
userService.register();
UserServiceForAsync userServiceForAsync = new UserServiceForAsync();
userServiceForAsync.setObservers(Arrays.asList(new Observer1(), new Observer2()));
userServiceForAsync.register();
}
}
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