觀察者模式在面向抽象編程中的應(yīng)用

劉凌云

(東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院　大慶　163000)

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觀察者模式在面向抽象編程中的應(yīng)用

劉凌云

(東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院大慶163000)

為了提高軟件系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須搭建一個(gè)可以適應(yīng)用戶需求變化的系統(tǒng)框架,因此,在處理系統(tǒng)中對(duì)象間一對(duì)多的依賴關(guān)系時(shí),采用面向抽象的思維方式,引入觀察者模式,把變化部分從那些不變部分里分離出來(lái),形成抽象類或接口,這樣,當(dāng)用戶需求發(fā)生變化時(shí),只需增添抽象類或接口的實(shí)現(xiàn)類,而無(wú)需改變?cè)瓉?lái)的代碼,從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)健性,大大降低了軟件系統(tǒng)維護(hù)的成本。實(shí)踐證明,在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,具體抽象到哪一層可以結(jié)合各個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的特性而做調(diào)整和優(yōu)化,并不是一成不變的。

面向抽象編程; 觀察者模式; 抽象類; 接口; 事件; 委托

Class NumberTP311

1　引言

在軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,雖然會(huì)拿出大量的時(shí)間來(lái)做需求分析,但是,用戶的需求不可能一成不變,既然無(wú)法控制變化,那么可以根據(jù)特定的場(chǎng)景,采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)模式,把變化部分從那些不變部分里分離出來(lái),形成抽象層,這樣當(dāng)用戶需求發(fā)生變化時(shí),就可以盡量地?cái)U(kuò)展原有的代碼,而減少對(duì)已有代碼的更改,來(lái)提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

2　面向抽象編程

所謂面向抽象編程,是指當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)類時(shí),不讓該類面向具體的類,而是面向抽象類或接口,即所設(shè)計(jì)類中的重要數(shù)據(jù)是抽象類或接口聲明的變量,而不是具體類聲明的變量[1]。

面向抽象編程是附屬于面向?qū)ο笏枷塍w系,屬于其一部分。或者說(shuō),它是面向?qū)ο缶幊腆w系中的思想精髓之一,面向抽象編程可以更好地實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笠裱奈宕笾笇?dǎo)原則:單一職責(zé)原則:每一個(gè)類應(yīng)該專注于做一件事情;開(kāi)閉原則:每一個(gè)類應(yīng)該是對(duì)擴(kuò)展開(kāi)放,對(duì)修改關(guān)閉;里氏代換原則:避免造成派生類的方法非法或退化,一個(gè)基類的用戶應(yīng)當(dāng)不需要知道這個(gè)派生類;依賴倒轉(zhuǎn)原則:用依賴于接口和抽象類來(lái)替代依賴容易變化的具體類;接口隔離原則:應(yīng)當(dāng)為客戶提供盡可能小的接口,而不是提供大的接口[2]。

3　抽象類和接口

抽象類和接口都是對(duì)業(yè)務(wù)邏輯的一種抽象,業(yè)務(wù)具體實(shí)現(xiàn)通過(guò)該接口或抽象類的實(shí)現(xiàn)類來(lái)完成,它們是對(duì)客戶端的一種承諾,是相對(duì)不變的[3]。當(dāng)需求發(fā)生變化時(shí),只需實(shí)現(xiàn)接口或者繼承抽象類就可以擴(kuò)展新的功能。同時(shí)由于接口或者抽象類沒(méi)有變化,因此依賴于該接口的客戶端類代碼不需要進(jìn)行改變。這就很好地做到了對(duì)擴(kuò)展開(kāi)放、對(duì)修改關(guān)閉,減少對(duì)系統(tǒng)的影響。

抽象類往往用來(lái)表征對(duì)問(wèn)題領(lǐng)域進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)中得出的抽象概念,是對(duì)一系列看上去不同,但是本質(zhì)上相同的具體概念的抽象[4];使用抽象類是為了代碼的復(fù)用,它和子類之間是一般和特殊的關(guān)系;而接口是設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)外部設(shè)定的“契約”,體現(xiàn)了自然界“如果你是……則必須能……”的理念[5]。使用接口可以實(shí)現(xiàn)多態(tài),接口是它的子類應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的一組規(guī)則。

4　觀察者模式

4.1問(wèn)題描述

某單位開(kāi)發(fā)一套航空訂票系統(tǒng),有如下場(chǎng)景:在系統(tǒng)收到顧客訂票支付現(xiàn)金的消息后,要馬上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)記錄、系統(tǒng)日志記錄。

對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行分析,對(duì)按照面向?qū)ο蟮乃枷?該場(chǎng)景里有顧客、訂單、數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)類:類圖如圖1所示。

圖1　訂單支付類圖

在該類圖設(shè)計(jì)中,對(duì)于用戶的上述場(chǎng)景我們完全可以滿足。但是隨著系統(tǒng)的運(yùn)行,要考慮到該場(chǎng)景可能加入其他的記錄操作或者通知操作:在系統(tǒng)收到顧客訂票支付現(xiàn)金的消息后,除了要馬上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作外,可能還要添加發(fā)送信息通知用戶,購(gòu)票送積分等其他記錄操作;能觸發(fā)用戶更改數(shù)據(jù)的操作,除了訂單被支付外,可能還會(huì)有別的通知操作(比如用戶改簽、飛機(jī)晚點(diǎn))。

如果需求真的如上述所說(shuō)那樣變更,就得更改代碼:就要增加一個(gè)SMSOperator類,該類里應(yīng)該有一個(gè)sendMessage()方法,這樣,就得修改Order類,再加一個(gè)List〈SMSOperator〉的變量,以及相關(guān)的添加取消方法,如果還有送積分操作,還得繼續(xù)修改,這樣,每添加一個(gè)記錄操作,就得修改類中代碼,這不符合開(kāi)閉原則,為什么會(huì)導(dǎo)致這樣呢?

因?yàn)樵谶@樣的設(shè)計(jì)中,Order類和DBRecorder類是雙向耦合的關(guān)系,也就是說(shuō)Order類中有DBRecorder類的實(shí)例,同樣DBRecorderOrder類中有Order類的實(shí)例;這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)就是:不論修改哪個(gè)類中的代碼,另一個(gè)類中的代碼都有可能要發(fā)生改變:比如就要在把Order類重命名是FlightOder,就得更改DBRecorder中的代碼,同樣,如果把DBRecorder的updateData()方法重命名,同樣要更改Order中的代碼;不僅如此,客戶端也依賴具體的Order類和DBRecoder類,這樣再更改的Order類和DBRecoder類的時(shí)候,同樣也需要更改客戶端的代碼;也就是說(shuō),這樣的設(shè)計(jì)模式并不能滿足需求的變化,對(duì)后期的維護(hù)非常不利。在這個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,既然通知操作和記錄操作都有可能發(fā)生變化,那么應(yīng)該把這些變化抽象出來(lái),形成抽象類或者是接口,形成觀察者模式。

4.2觀察者模式定義

觀察者模式定義了對(duì)象間一種一對(duì)多的依賴關(guān)系,讓多個(gè)觀察者對(duì)象同時(shí)監(jiān)聽(tīng)某一個(gè)主題對(duì)象[5]。這個(gè)主題對(duì)象在狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),會(huì)通知所有觀察者對(duì)象,使它們能夠自動(dòng)更新自己[6]。

圖2　觀察者模式類圖

在該模式中,通過(guò)對(duì)多個(gè)通知操作和記錄操作的實(shí)例進(jìn)行抽象,制定好規(guī)范和契約,形成抽象類和接口,抽象類或接口只負(fù)責(zé)定義屬性和操作,把具體怎樣實(shí)現(xiàn)操作交給它們的實(shí)現(xiàn)類去完成。從類之間的關(guān)系上來(lái)說(shuō),客戶端依賴于抽象,具體的實(shí)現(xiàn)類也依賴于抽象。依賴于抽象的優(yōu)點(diǎn)就是即使實(shí)現(xiàn)類不斷變動(dòng),只要抽象不變,客戶程序就不需要變化,這大大降低了客戶程序與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的耦合度[7],觀察者模式類圖如圖2所示。

將上述問(wèn)題場(chǎng)景按照觀察者模式進(jìn)行修改,為購(gòu)票對(duì)象添加紀(jì)錄觀察者:數(shù)據(jù)庫(kù)觀察者,短信觀察者。

1) 抽象主題

定義一個(gè)抽象類ATicketSubject,規(guī)定具體主題需要繼承的三個(gè)抽象方法,用來(lái)添加、刪除觀察者及通知觀察者更新數(shù)據(jù)。主題接口ITicketObservable代碼如下:

public abstract class ATicketSubject{

private IList〈ITicketObserver〉 observers = new List〈ITicketObserver〉();

public void ResisterObserver(ITicketObserver o){

observers. Add (o) };

public void UnResisterObserver(ITicketObserver o) {

observers. Remove(o) };

public void notifyObserver(){

foreach (ITicketObserver o in observers) {o.Update();}}

2) 抽象觀察者

設(shè)計(jì)觀察者ITicketObserver接口:代碼如下:

public interface ITicketObserver {

public void Update(); }

3) 具體主題FlightOrder

具體主題類FlightOrder的部分代碼如下:

Public class FlightOrder: ATicketSubject {

private string orderState; //得到當(dāng)前用戶是否支付訂單}

4) 具體觀察者

在本問(wèn)題中,購(gòu)票之后的操作為具體觀察者;創(chuàng)建的具體觀察者類分別為:SMSOperator和DBRecorder。SMSOperator部分代碼如下:

Public class SMSOperator implements ITicketObserver {

private string observerState;

private ATicketSubject subject;

public SMSOperator (ATicketSubject subject) {

this.subject = subject;}

Public void update(){

observerState = subject.SubjectState;

if(observerState =”訂單已支付”){

sendMessage(); //發(fā)送短信給用戶}

}

具體觀察者DBRecorder的代碼同具體觀察者SMSOperator。

從上述代碼中可以看出,觀察者模式體現(xiàn)了松耦合的設(shè)計(jì)原則:即當(dāng)Subject類中的數(shù)據(jù)有更改時(shí),會(huì)調(diào)用notifyObserver函數(shù),來(lái)通知所有的觀察者更新數(shù)據(jù),即調(diào)用Observer中的Update方法,但是Update只是在觀察者中更新了數(shù)據(jù),但是這些數(shù)據(jù)具體如何應(yīng)用就看觀察者自己的了。在訂單完成支付時(shí),購(gòu)票系統(tǒng)會(huì)通知數(shù)據(jù)觀察者更新記錄數(shù)據(jù),短信觀察者給用戶發(fā)短信。但這一切的動(dòng)作都與主題和Update無(wú)關(guān)了。從而在遵循觀察者模式最小的接口的規(guī)則下,觀察者怎么改變(即再實(shí)現(xiàn)其他動(dòng)作接口,繼承其他超類),都不會(huì)影響主題類。而主題類的具體實(shí)現(xiàn)者(ConcreteSubject)中無(wú)論擴(kuò)展什么樣的行為,也不會(huì)影響觀察者(Observer)。

4.3觀察者模式優(yōu)缺點(diǎn)

觀察者模式在被觀察者和觀察者之間建立起松耦合關(guān)系這種“針對(duì)抽象編程”的做法體現(xiàn)了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)復(fù)用原則中的“依賴倒轉(zhuǎn)原則”,可以有效減少模塊間的“緊耦合”,有利于提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)展性[8]。

但是從上述代碼中可以看出,依賴關(guān)系并未完全解除,抽象通知者依舊依賴抽象的觀察者。在多個(gè)具體觀察者中,并不是所有的觀察者都執(zhí)行相同的Update方法[9],也就是說(shuō)SMSOperator類中的sendMessage()方法和DBRecorder中的updateData()方法關(guān)注的目標(biāo)中的狀態(tài)是相同的,但具體觀察者所執(zhí)行的操作卻是截然不同的[10],把它們統(tǒng)一抽象為Update(),這和現(xiàn)實(shí)世界中的命名是矛盾的。

4.4基于為事件委托的觀察者模式

要想消除上述依賴關(guān)系,“.NET”框架中的委托機(jī)制恰恰具備這個(gè)特征:委托并不知道也不關(guān)心它引用的方法所屬的類,只要方法的簽名與委托的簽名相匹配,該方法就可以被調(diào)用[11]。“.NET”框架還提供了事件(event)機(jī)制。事件是建立在委托機(jī)制上的,包含了事件成員的對(duì)象在某些特定事情發(fā)生時(shí)可通知其他對(duì)象[12]。

通過(guò)在目標(biāo)對(duì)象中定義一組事件和委托,將具題觀察者中的Update()方法作為委托對(duì)象與目標(biāo)對(duì)象的事件綁定來(lái)實(shí)現(xiàn)通知更新的服務(wù)。一方面,目標(biāo)發(fā)送通知時(shí),利用委托允許同時(shí)被委托者增加多個(gè)對(duì)象這一“多播”的特性,來(lái)實(shí)現(xiàn)注冊(cè)觀察者[13],在執(zhí)行Notify()方法時(shí),無(wú)需指定觀察者,通知會(huì)自動(dòng)傳播。另一方面,觀察者自己決定是否需要接受通知[14]。利用ASP.NET中頁(yè)面回傳的事件處理機(jī)制,來(lái)達(dá)到觀察者注銷的效果[15],基于事件機(jī)制的觀察者模式如圖3所示。

圖3　基于事件的觀察者模式

圖3中可以看出,通過(guò)在具體目標(biāo)類中聲明事件,在客戶端程序中關(guān)聯(lián)和引發(fā)事件,降低了了Observer和Subject的耦合度,具體觀察者只依賴于Subject。要引入新的通知操作,只需要在具體觀察者的更新方法與具體主題中的相關(guān)事件關(guān)聯(lián)即可。相關(guān)代碼如下

1) 具體目標(biāo)類FlightOrder代碼如下:

public class FlightOrder: Subject

{

private string orderState;

public delegate void EventHandler () ; / / 聲明委托類型及簽名

public event EventHandler Update; / / 聲明事件 Update

public void Notify()

{

Update() ;}}

2) DBRecorder(具體觀察者ConcreteObserver1)

public class DBRecorder

{

public void updateData (){}

}

3) SMSOperator(具體觀察者ConcreteObserver2)

public class SMSOperator

{

public void sendMessage(){}

}

4) 客戶端

FlightOrder fo= new FlightOrder () ; / /定義具有目標(biāo)對(duì)象

/ / 定義 2 個(gè)具體的觀察者

DBRecoder db= new DBRecoder(“我是數(shù)據(jù)庫(kù)觀察者”,fo)

SMSOperator sms= new SMSOperator( “我是信息觀察者”,fo)

/ / 將方法updateData 和sendMessage和事件 Update關(guān)聯(lián)

fo.Update + = new EventHandler (db.updateData) ;

fo.Update + = new EventHandler (sms.sendMessage) ;

fo. orderState =“訂單已經(jīng)支付”;

fo.Notify ();/ Update 事件,分別調(diào)用方法 updateData 和 sendMessage

5　結(jié)語(yǔ)

觀察者模式是解決軟件設(shè)計(jì)中對(duì)象間一對(duì)多依賴關(guān)系的高效和成熟的設(shè)計(jì)模板,在軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中被廣泛應(yīng)用。國(guó)外在研究設(shè)計(jì)模式的同時(shí),也在相對(duì)應(yīng)的研究反模式。反模式其實(shí)也是一種模式,不過(guò)它主要考察的是這種模式所帶來(lái)的不良后果。用面向抽象設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)分析與解決問(wèn)題,通過(guò)發(fā)現(xiàn)可能變化的結(jié)構(gòu),用面向抽象的方法對(duì)其進(jìn)行封裝與隱藏,所取得的效果可能與采用設(shè)計(jì)模式一致甚至更優(yōu)[16]。

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Application of the Observer Mode in Abstract-Oriented Programming

LIU Lingyun

(College of Computer and Information Technology, Northeast Petroleum University, Daqing163000)

In order to improve scalability and maintainability os software system, a system framework must be able to build to adapt to the changing needs of the user is system design, therefore, in dealing with one to many dependencies in the system, abstract oriented way of thinking is used, the observer mode is introduced, the change part is separated from unchange part, an abstract class or interface is formed, so that when an user needs change, an abstract class or interface implementation class is added without changing the original code, thereby the robustness of the system is improved greatly the cost of software maintenance is reduced. Practice has proved that in project design, which layer is abstracted specifically can combine various development platforms and make adjustments and optimization, it is not immutable.

abstract-oriented programming, observer mode, abstract, interface, event, delegate

2016年2月7日,

2016年3月30日

劉凌云,女,碩士,研究方向:軟件工程。

TP311

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.08.017