觀察者（Observer）模式又名發(fā)布-訂閱（Publish/Subscribe）模式，是四人組（GoF，即 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides）在1994合著的《設計模式:可復用面向?qū)ο筌浖幕A》中提出的（詳見書中293-313頁）。盡管這種模式已經(jīng)有相當長的歷史，它仍然廣泛適用于各種場景，甚至成為了標準Java庫的一個組成部分。目前雖然已經(jīng)有大量關于觀察者模式的文章，但它們都專注于在 Java 中的實現(xiàn)，卻忽視了開發(fā)者在Java中使用觀察者模式時遇到的各種問題。

本文的寫作初衷就是為了填補這一空白：本文主要介紹通過使用 Java8 架構實現(xiàn)觀察者模式，并在此基礎上進一步探討關于經(jīng)典模式的復雜問題，包括匿名內(nèi)部類、lambda 表達式、線程安全以及非平凡耗時長的觀察者實現(xiàn)。本文內(nèi)容雖然并不全面，很多這種模式所涉及的復雜問題，遠不是一篇文章就能說清的。但是讀完本文，讀者能了解什么是觀察者模式，它在Java中的通用性以及如何處理在 Java 中實現(xiàn)觀察者模式時的一些常見問題。

觀察者模式
根據(jù) GoF 提出的經(jīng)典定義，觀察者模式的主旨是：

定義對象間的一種一對多的依賴關系，當一個對象的狀態(tài)發(fā)生改變時，所有依賴于它的對象都得到通知并被自動更新。

什么意思呢？很多軟件應用中，對象之間的狀態(tài)都是互相依賴的。例如，如果一個應用專注于數(shù)值數(shù)據(jù)加工，這個數(shù)據(jù)也許會通過圖形用戶界面（GUI）的表格或圖表來展現(xiàn)或者兩者同時使用，也就是說，當?shù)讓訑?shù)據(jù)更新時，相應的 GUI 組件也要更新。問題的關鍵在于如何做到底層數(shù)據(jù)更新時 GUI 組件也隨之更新，同時盡量減小 GUI 組件和底層數(shù)據(jù)的耦合度。

一種簡單且不可擴展的解決方案是給管理這些底層數(shù)據(jù)的對象該表格和圖像 GUI 組件的引用，使得對象可以在底層數(shù)據(jù)變化時能夠通知 GUI 組件。顯然，對于處理有更多 GUI 組件的復雜應用，這個簡單的解決方案很快顯示出其不足。例如，有20個 GUI 組件都依賴于底層數(shù)據(jù)，那么管理底層數(shù)據(jù)的對象就需要維護指向這20個組件的引用。隨著依賴于相關數(shù)據(jù)的對象數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)管理和對象之間的耦合度也變得難以控制。

另一個更好的解決方案是允許對象注冊獲取感興趣數(shù)據(jù)更新的權限，當數(shù)據(jù)變化時，數(shù)據(jù)管理器就會通知這些對象。通俗地說就是，讓感興趣的數(shù)據(jù)對象告訴管理器：“當數(shù)據(jù)變化時請通知我”。此外，這些對象不僅可以注冊獲取更新通知，也可以取消注冊，保證數(shù)據(jù)管理器在數(shù)據(jù)變化時不再通知該對象。在 GoF 的原始定義中，注冊獲取更新的對象叫作“觀察者”（observer），對應的數(shù)據(jù)管理器叫作“目標”(Subject)，觀察者感興趣的數(shù)據(jù)叫作“目標狀態(tài)”，注冊過程叫“添加”（attach），撤銷觀察的過程叫“移除”（detach）。前文已經(jīng)提到觀察者模式又叫發(fā)布－訂閱模式，可以理解為客戶訂閱關于目標的觀察者，當目標狀態(tài)更新時，目標把這些更新發(fā)布給訂閱者（這種設計模式擴展為通用架構，稱為發(fā)布——訂閱架構）。這些概念可以用下面的類圖表示：

具體觀察者（ConcereteObserver）用來接收更新的狀態(tài)變化，同時將指向具體主題（ConcereteSubject）的引用傳遞給它的構造函數(shù)。這為具體觀察者提供了指向具體主題的引用，在狀態(tài)變化時可由此獲得更新。簡單來說，具體觀察者會被告知主題更新，同時用其構造函數(shù)中的引用來獲取具體主題的狀態(tài)，最后將這些檢索狀態(tài)對象存儲在具體觀察者的觀察狀態(tài)（observerState）屬性下。這一過程如下面的序列圖所示：

經(jīng)典模式的專業(yè)化
盡管觀察者模式是通用的，但也有很多專業(yè)化的模式，最常見是以下兩種：

1、為State對象提供一個參數(shù)，傳給觀察者調(diào)用的Update方法。在經(jīng)典模式下，當觀察者被通知Subject狀態(tài)發(fā)生變化后，會直接從Subject獲得其更新后狀態(tài)。這要求觀察者保存指向獲取狀態(tài)的對象引用。這樣就形成了一個循環(huán)引用，ConcreteSubject的引用指向其觀察者列表，ConcreteObserver的引用指向能獲得主題狀態(tài)的ConcreteSubject。除了獲得更新的狀態(tài)，觀察者和其注冊監(jiān)聽的Subject間并沒有聯(lián)系，觀察者關心的是State對象，而非Subject本身。也就是說，很多情況下都將ConcreteObserver和ConcreteSubject強行聯(lián)系一起，相反，當ConcreteSubject調(diào)用Update函數(shù)時，將State對象傳遞給ConcreteObserver，二者就無需關聯(lián)。ConcreteObserver和State對象之間關聯(lián)減小了觀察者和State之間的依賴程度（關聯(lián)和依賴的更多區(qū)別請參見Martin Fowler's的文章）。

2、將Subject抽象類和ConcreteSubject合并到一個 singleSubject類中。多數(shù)情況下，Subject使用抽象類并不會提升程序的靈活性和可擴展性，因此，將這一抽象類和具體類合并簡化了設計。

這兩個專業(yè)化的模式組合后，其簡化類圖如下：

在這些專業(yè)化的模式中，靜態(tài)類結構大大簡化，類之間的相互作用也得以簡化。此時的序列圖如下：

專業(yè)化模式另一特點是刪除了 ConcreteObserver 的成員變量 observerState。有時候具體觀察者并不需要保存Subject的最新狀態(tài)，而只需要監(jiān)測狀態(tài)更新時 Subject 的狀態(tài)。例如，如果觀察者將成員變量的值更新到標準輸出上，就可以刪除 observerState，這樣一來就刪除了ConcreteObserver和State類之間的關聯(lián)。

更常見的命名規(guī)則
經(jīng)典模式甚至是前文提到的專業(yè)化模式都用的是attach，detach和observer等術語，而Java實現(xiàn)中很多都是用的不同的詞典，包括register，unregister，listener等。值得一提的是State是listener需要監(jiān)測變化的所有對象的統(tǒng)稱，狀態(tài)對象的具體名稱需要看觀察者模式用到的場景。例如，在listener監(jiān)聽事件發(fā)生場景下的觀察者模式，已注冊的listener將會在事件發(fā)生時收到通知，此時的狀態(tài)對象就是event，也就是事件是否發(fā)生。

平時實際應用中目標的命名很少包含Subject。例如，創(chuàng)建一個關于動物園的應用，注冊多個監(jiān)聽器用于觀察Zoo類，并在新動物進入動物園時收到通知。該案例中的目標是Zoo類，為了和所給問題域保持術語一致，將不會用到Subject這樣的詞匯，也就是說Zoo類不會命名為ZooSubject。

監(jiān)聽器的命名一般都會跟著Listener后綴，例如前文提到的監(jiān)測新動物加入的監(jiān)聽器會命名為AnimalAddedListener。類似的，register,、unregister和notify等函數(shù)命名常會以其對應的監(jiān)聽器名作后綴，例如AnimalAddedListener的register、unregister、notify函數(shù)會被命名為registerAnimalAddedListener、 unregisterAnimalAddedListener和notifyAnimalAddedListeners，需要注意的是notify函數(shù)名的s，因為notify函數(shù)處理的是多個而非單一監(jiān)聽器。

這種命名方式會顯得冗長，而且通常一個subject會注冊多個類型的監(jiān)聽器，如前面提到的動物園的例子，Zoo內(nèi)除了注冊監(jiān)聽動物新增的監(jiān)聽器，還需注冊監(jiān)聽動物減少監(jiān)聽器，此時就會有兩種register函數(shù)：（registerAnimalAddedListener和 registerAnimalRemovedListener，這種方式處理，監(jiān)聽器的類型作為一個限定符，表示其應觀察者的類型。另一解決方案是創(chuàng)建一個registerListener函數(shù)然后重載，但是方案一能更方便的知道哪個監(jiān)聽器正在監(jiān)聽，重載是比較小眾的做法。

另一慣用語法是用on前綴而不是update，例如update函數(shù)命名為onAnimalAdded而不是updateAnimalAdded。這種情況在監(jiān)聽器獲得一個序列的通知時更常見，如向list中新增一個動物，但很少用于更新一個單獨的數(shù)據(jù)，比如動物的名字。

接下來本文將使用Java的符號規(guī)則，雖然符號規(guī)則不會改變系統(tǒng)的真實設計和實現(xiàn)，但是使用其他開發(fā)者都熟悉的術語是很重要的開發(fā)準則，因此要熟悉上文描述的Java中的觀察者模式符號規(guī)則。下文將在Java8環(huán)境下用一個簡單例子來闡述上述概念。

一個簡單的實例
還是前面提到的動物園的例子，使用Java8的API接口實現(xiàn)一個簡單的系統(tǒng)，說明觀察者模式的基本原理。問題描述為：

創(chuàng)建一個系統(tǒng)zoo，允許用戶監(jiān)聽和撤銷監(jiān)聽添加新對象animal的狀態(tài)，另外再創(chuàng)建一個具體監(jiān)聽器，負責輸出新增動物的name。

根據(jù)前面對觀察者模式的學習知道實現(xiàn)這樣的應用需要創(chuàng)建4個類，具體是：

• Zoo類：即模式中的主題，負責存儲動物園中的所有動物，并在新動物加入時通知所有已注冊的監(jiān)聽器。
• Animal類：代表動物對象。
• AnimalAddedListener類：即觀察者接口。
• PrintNameAnimalAddedListener：具體的觀察者類，負責輸出新增動物的name。

首先我們創(chuàng)建一個Animal類，它是一個包含name成員變量、構造函數(shù)、getter和setter方法的簡單Java對象，代碼如下：

public class Animal {
  private String name;
  public Animal (String name) {
    this.name = name;
  }
  public String getName () {
    return this.name;
  }
  public void setName (String name) {
    this.name = name;
  }
}

用這個類代表動物對象，接下來就可以創(chuàng)建AnimalAddedListener接口了：

public interface AnimalAddedListener {
  public void onAnimalAdded (Animal animal);
}

前面兩個類很簡單，就不再詳細介紹，接下來創(chuàng)建Zoo類：

public class Zoo {
  private List<Animal> animals = new ArrayList<>();
  private List<AnimalAddedListener> listeners = new ArrayList<>();
  public void addAnimal (Animal animal) {
    // Add the animal to the list of animals
    this.animals.add(animal);
    // Notify the list of registered listeners
    this.notifyAnimalAddedListeners(animal);
  }
  public void registerAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {
    // Add the listener to the list of registered listeners
    this.listeners.add(listener);
  }
  public void unregisterAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {
    // Remove the listener from the list of the registered listeners
    this.listeners.remove(listener);
  }
  protected void notifyAnimalAddedListeners (Animal animal) {
    // Notify each of the listeners in the list of registered listeners
    this.listeners.forEach(listener -> listener.updateAnimalAdded(animal));
  }
}

這個類比前面兩個都復雜，其包含兩個list，一個用來存儲動物園中所有動物，另一個用來存儲所有的監(jiān)聽器，鑒于animals和listener集合存儲的對象都很簡單，本文選擇了ArrayList來存儲。存儲監(jiān)聽器的具體數(shù)據(jù)結構要視問題而定，比如對于這里的動物園問題，如果監(jiān)聽器有優(yōu)先級，那就應該選擇其他的數(shù)據(jù)結構，或者重寫監(jiān)聽器的register算法。

注冊和移除的實現(xiàn)都是簡單的委托方式：各個監(jiān)聽器作為參數(shù)從監(jiān)聽者的監(jiān)聽列表增加或者移除。notify函數(shù)的實現(xiàn)與觀察者模式的標準格式稍微偏離，它包括輸入?yún)?shù)：新增加的animal，這樣一來notify函數(shù)就可以把新增加的animal引用傳遞給監(jiān)聽器了。用streams API的forEach函數(shù)遍歷監(jiān)聽器，對每個監(jiān)聽器執(zhí)行theonAnimalAdded函數(shù)。

在addAnimal函數(shù)中，新增的animal對象和監(jiān)聽器各自添加到對應list。如果不考慮通知過程的復雜性，這一邏輯應包含在方便調(diào)用的方法中，只需要傳入指向新增animal對象的引用即可，這就是通知監(jiān)聽器的邏輯實現(xiàn)封裝在notifyAnimalAddedListeners函數(shù)中的原因，這一點在addAnimal的實現(xiàn)中也提到過。

除了notify函數(shù)的邏輯問題，需要強調(diào)一下對notify函數(shù)可見性的爭議問題。在經(jīng)典的觀察者模型中，如GoF在設計模式一書中第301頁所說，notify函數(shù)是public型的，然而盡管在經(jīng)典模式中用到，這并不意味著必須是public的。選擇可見性應該基于應用，例如本文的動物園的例子，notify函數(shù)是protected類型，并不要求每個對象都可以發(fā)起一個注冊觀察者的通知，只需保證對象能從父類繼承該功能即可。當然，也并非完全如此，需要弄清楚哪些類可以激活notify函數(shù)，然后再由此確定函數(shù)的可見性。

接下來需要實現(xiàn)PrintNameAnimalAddedListener類，這個類用System.out.println方法將新增動物的name輸出，具體代碼如下：

public class PrintNameAnimalAddedListener implements AnimalAddedListener {
  @Override
  public void updateAnimalAdded (Animal animal) {
    // Print the name of the newly added animal
    System.out.println("Added a new animal with name '" + animal.getName() + "'");
  }
}

最后要實現(xiàn)驅(qū)動應用的主函數(shù)：

public class Main {
  public static void main (String[] args) {
    // Create the zoo to store animals
    Zoo zoo = new Zoo();
    // Register a listener to be notified when an animal is added
    zoo.registerAnimalAddedListener(new PrintNameAnimalAddedListener());
    // Add an animal notify the registered listeners
    zoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));
  }
}

主函數(shù)只是簡單的創(chuàng)建了一個zoo對象，注冊了一個輸出動物name的監(jiān)聽器，并新建了一個animal對象以觸發(fā)已注冊的監(jiān)聽器，最后的輸出為：

Added a new animal with name 'Tiger'

新增監(jiān)聽器
當監(jiān)聽器重新建立并將其添加到Subject時，觀察者模式的優(yōu)勢就充分顯示出來。例如，想添加一個計算動物園中動物總數(shù)的監(jiān)聽器，只需要新建一個具體的監(jiān)聽器類并注冊到Zoo類即可，而無需對zoo類做任何修改。添加計數(shù)監(jiān)聽器CountingAnimalAddedListener代碼如下：

public class CountingAnimalAddedListener implements AnimalAddedListener {
  private static int animalsAddedCount = 0;
  @Override
  public void updateAnimalAdded (Animal animal) {
    // Increment the number of animals
    animalsAddedCount++;
    // Print the number of animals
    System.out.println("Total animals added: " + animalsAddedCount);
  }
}

修改后的main函數(shù)如下：

public class Main {
  public static void main (String[] args) {
    // Create the zoo to store animals
    Zoo zoo = new Zoo();
    // Register listeners to be notified when an animal is added
    zoo.registerAnimalAddedListener(new PrintNameAnimalAddedListener());
    zoo.registerAnimalAddedListener(new CountingAnimalAddedListener());
    // Add an animal notify the registered listeners
    zoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));
    zoo.addAnimal(new Animal("Lion"));
    zoo.addAnimal(new Animal("Bear"));
  }
}

輸出結果為：

Added a new animal with name 'Tiger'
Total animals added: 1
Added a new animal with name 'Lion'
Total animals added: 2
Added a new animal with name 'Bear'
Total animals added: 3

使用者可在僅修改監(jiān)聽器注冊代碼的情況下，創(chuàng)建任意監(jiān)聽器。具有此可擴展性主要是因為Subject和觀察者接口關聯(lián)，而不是直接和ConcreteObserver關聯(lián)。只要接口不被修改，調(diào)用接口的Subject就無需修改。

匿名內(nèi)部類，Lambda函數(shù)和監(jiān)聽器注冊
Java8的一大改進是增加了功能特性，如增加了lambda函數(shù)。在引進lambda函數(shù)之前，Java通過匿名內(nèi)部類提供了類似的功能，這些類在很多已有的應用中仍在使用。在觀察者模式下，隨時可以創(chuàng)建新的監(jiān)聽器而無需創(chuàng)建具體觀察者類，例如，PrintNameAnimalAddedListener類可以在main函數(shù)中用匿名內(nèi)部類實現(xiàn)，具體實現(xiàn)代碼如下：

public class Main {
  public static void main (String[] args) {
    // Create the zoo to store animals
    Zoo zoo = new Zoo();
    // Register listeners to be notified when an animal is added
    zoo.registerAnimalAddedListener(new AnimalAddedListener() {
      @Override
      public void updateAnimalAdded (Animal animal) {
        // Print the name of the newly added animal
        System.out.println("Added a new animal with name '" + animal.getName() + "'");
      }
    });
    // Add an animal notify the registered listeners
    zoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));
  }
}

類似的，lambda函數(shù)也可以用以完成此類任務：

public class Main {
  public static void main (String[] args) {
    // Create the zoo to store animals
    Zoo zoo = new Zoo();
    // Register listeners to be notified when an animal is added
    zoo.registerAnimalAddedListener(
      (animal) -> System.out.println("Added a new animal with name '" + animal.getName() + "'")
    );
    // Add an animal notify the registered listeners
    zoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));
  }
}

需要注意的是lambda函數(shù)僅適用于監(jiān)聽器接口只有一個函數(shù)的情況，這個要求雖然看起來嚴格，但實際上很多監(jiān)聽器都是單一函數(shù)的，如示例中的AnimalAddedListener。如果接口有多個函數(shù)，可以選擇使用匿名內(nèi)部類。

隱式注冊創(chuàng)建的監(jiān)聽器存在此類問題：由于對象是在注冊調(diào)用的范圍內(nèi)創(chuàng)建的，所以不可能將引用存儲一個到具體監(jiān)聽器。這意味著，通過lambda函數(shù)或者匿名內(nèi)部類注冊的監(jiān)聽器不可以撤銷注冊，因為撤銷函數(shù)需要傳入已經(jīng)注冊監(jiān)聽器的引用。解決這個問題的一個簡單方法是在registerAnimalAddedListener函數(shù)中返回注冊監(jiān)聽器的引用。如此一來，就可以撤銷注冊用lambda函數(shù)或匿名內(nèi)部類創(chuàng)建的監(jiān)聽器，改進后的方法代碼如下：

public AnimalAddedListener registerAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {
  // Add the listener to the list of registered listeners
  this.listeners.add(listener); 
  return listener;
}

重新設計的函數(shù)交互的客戶端代碼如下：

public class Main {
  public static void main (String[] args) {
    // Create the zoo to store animals
    Zoo zoo = new Zoo();
    // Register listeners to be notified when an animal is added
    AnimalAddedListener listener = zoo.registerAnimalAddedListener(
      (animal) -> System.out.println("Added a new animal with name '" + animal.getName() + "'")
    );
    // Add an animal notify the registered listeners
    zoo.addAnimal(new Animal("Tiger"));
    // Unregister the listener
    zoo.unregisterAnimalAddedListener(listener);
    // Add another animal, which will not print the name, since the listener
    // has been previously unregistered
    zoo.addAnimal(new Animal("Lion"));
  }
}

此時的結果輸出只有Added a new animal with name ‘Tiger'，因為在第二個animal加入之前監(jiān)聽器已經(jīng)撤銷了：

Added a new animal with name 'Tiger'
如果采用更復雜的解決方案，register函數(shù)也可以返回receipt類，以便unregister監(jiān)聽器調(diào)用，例如:

public class AnimalAddedListenerReceipt {
  private final AnimalAddedListener listener;
  public AnimalAddedListenerReceipt (AnimalAddedListener listener) {
    this.listener = listener;
  }
  public final AnimalAddedListener getListener () {
    return this.listener;
  }
}

receipt會作為注冊函數(shù)的返回值，以及撤銷注冊函數(shù)輸入?yún)?shù)，此時的zoo實現(xiàn)如下所示：

public class ZooUsingReceipt {
  // ...Existing attributes and constructor...
  public AnimalAddedListenerReceipt registerAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {
    // Add the listener to the list of registered listeners
    this.listeners.add(listener);
    return new AnimalAddedListenerReceipt(listener);
  }
  public void unregisterAnimalAddedListener (AnimalAddedListenerReceipt receipt) {
    // Remove the listener from the list of the registered listeners
    this.listeners.remove(receipt.getListener());
  }
  // ...Existing notification method...
}

上面描述的接收實現(xiàn)機制允許保存信息供監(jiān)聽器撤銷時調(diào)用的，也就是說如果撤銷注冊算法依賴于Subject注冊監(jiān)聽器時的狀態(tài)，則此狀態(tài)將被保存，如果撤銷注冊只需要指向之前注冊監(jiān)聽器的引用，這樣的話接收技術則顯得麻煩，不推薦使用。

除了特別復雜的具體監(jiān)聽器，最常見的注冊監(jiān)聽器的方法是通過lambda函數(shù)或通過匿名內(nèi)部類注冊。當然，也有例外，那就是包含subject實現(xiàn)觀察者接口的類和注冊一個包含調(diào)用該引用目標的監(jiān)聽器。如下面代碼所示的案例：

public class ZooContainer implements AnimalAddedListener {
  private Zoo zoo = new Zoo();
  public ZooContainer () {
    // Register this object as a listener
    this.zoo.registerAnimalAddedListener(this);
  }
  public Zoo getZoo () {
    return this.zoo;
  }
  @Override
    public void updateAnimalAdded (Animal animal) {
    System.out.println("Added animal with name '" + animal.getName() + "'");
  }
  public static void main (String[] args) {
    // Create the zoo container
    ZooContainer zooContainer = new ZooContainer();
    // Add an animal notify the innerally notified listener
    zooContainer.getZoo().addAnimal(new Animal("Tiger"));
  }
}

這種方法只適用于簡單情況而且代碼看起來不夠?qū)I(yè)，盡管如此，它還是深受現(xiàn)代Java開發(fā)人員的喜愛，因此了解這個例子的工作原理很有必要。因為ZooContainer實現(xiàn)了AnimalAddedListener接口，那么ZooContainer的實例(或者說對象)就可以注冊為AnimalAddedListener。ZooContainer類中，該引用代表當前對象即ZooContainer的一個實例，所以可以被用作AnimalAddedListener。

通常，不是要求所有的container類都實現(xiàn)此類功能，而且實現(xiàn)監(jiān)聽器接口的container類只能調(diào)用Subject的注冊函數(shù)，只是簡單把該引用作為監(jiān)聽器的對象傳給register函數(shù)。在接下來的章節(jié)中，將介紹多線程環(huán)境的常見問題和解決方案。

線程安全的實現(xiàn)
前面章節(jié)介紹了在現(xiàn)代Java環(huán)境下的實現(xiàn)觀察者模式，雖然簡單但很完整，但這一實現(xiàn)忽略了一個關鍵性問題：線程安全。大多數(shù)開放的Java應用都是多線程的，而且觀察者模式也多用于多線程或異步系統(tǒng)。例如，如果外部服務更新其數(shù)據(jù)庫，那么應用也會異步地收到消息，然后用觀察者模式通知內(nèi)部組件更新，而不是內(nèi)部組件直接注冊監(jiān)聽外部服務。

觀察者模式的線程安全主要集中在模式的主體上，因為修改注冊監(jiān)聽器集合時很可能發(fā)生線程沖突，比如，一個線程試圖添加一個新的監(jiān)聽器，而另一線程又試圖添加一個新的animal對象，這將觸發(fā)對所有注冊監(jiān)聽器的通知。鑒于先后順序，在已注冊的監(jiān)聽器收到新增動物的通知前，第一個線程可能已經(jīng)完成也可能尚未完成新監(jiān)聽器的注冊。這是一個經(jīng)典的線程資源競爭案例，正是這一現(xiàn)象告訴開發(fā)者們需要一個機制來保證線程安全。

這一問題的最簡單的解決方案是：所有訪問或修改注冊監(jiān)聽器list的操作都須遵循Java的同步機制，比如：

public synchronized AnimalAddedListener registerAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) { /*...*/ }
public synchronized void unregisterAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) { /*...*/ }
public synchronized void notifyAnimalAddedListeners (Animal animal) { /*...*/ }

這樣一來，同一時刻只有一個線程可以修改或訪問已注冊的監(jiān)聽器列表，可以成功地避免資源競爭問題，但是新問題又出現(xiàn)了，這樣的約束太過嚴格(synchronized關鍵字和Java并發(fā)模型的更多信息，請參閱官方網(wǎng)頁)。通過方法同步，可以時刻觀測對監(jiān)聽器list的并發(fā)訪問，注冊和撤銷監(jiān)聽器對監(jiān)聽器list而言是寫操作，而通知監(jiān)聽器訪問監(jiān)聽器list是只讀操作。由于通過通知訪問是讀操作，因此是可以多個通知操作同時進行的。

因此，只要沒有監(jiān)聽器注冊或撤銷注冊，任意多的并發(fā)通知都可以同時執(zhí)行，而不會引發(fā)對注冊的監(jiān)聽器列表的資源爭奪。當然，其他情況下的資源爭奪現(xiàn)象存在已久，為了解決這一問題，設計了ReadWriteLock用以分開管理讀寫操作的資源鎖定。Zoo類的線程安全ThreadSafeZoo實現(xiàn)代碼如下：

public class ThreadSafeZoo {
  private final ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
  protected final Lock readLock = readWriteLock.readLock();
  protected final Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
  private List<Animal> animals = new ArrayList<>();
  private List<AnimalAddedListener> listeners = new ArrayList<>();
  public void addAnimal (Animal animal) {
    // Add the animal to the list of animals
    this.animals.add(animal);
    // Notify the list of registered listeners
    this.notifyAnimalAddedListeners(animal);
  }
  public AnimalAddedListener registerAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {
    // Lock the list of listeners for writing
    this.writeLock.lock();
    try {
      // Add the listener to the list of registered listeners
      this.listeners.add(listener);
    }
    finally {
      // Unlock the writer lock
      this.writeLock.unlock();
    }
    return listener;
  }
  public void unregisterAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {
    // Lock the list of listeners for writing
    this.writeLock.lock();
    try {
      // Remove the listener from the list of the registered listeners
      this.listeners.remove(listener);
    }
    finally {
      // Unlock the writer lock
      this.writeLock.unlock();
    }
  }
  public void notifyAnimalAddedListeners (Animal animal) {
    // Lock the list of listeners for reading
    this.readLock.lock();
    try {
      // Notify each of the listeners in the list of registered listeners
      this.listeners.forEach(listener -> listener.updateAnimalAdded(animal));
    }
    finally {
      // Unlock the reader lock
      this.readLock.unlock();
    }
  }
}

通過這樣部署，Subject的實現(xiàn)能確保線程安全并且多個線程可以同時發(fā)布通知。但盡管如此，依舊存在兩個不容忽略的資源競爭問題：

對每個監(jiān)聽器的并發(fā)訪問。多個線程可以同時通知監(jiān)聽器要新增動物了，這意味著一個監(jiān)聽器可能會同時被多個線程同時調(diào)用。

對animal list的并發(fā)訪問。多個線程可能會同時向animal list添加對象，如果通知的先后順序存在影響，那就可能導致資源競爭，這就需要一個并發(fā)操作處理機制來避免這一問題。如果注冊的監(jiān)聽器列表在收到通知添加animal2后，又收到通知添加animal1，此時就會產(chǎn)生資源競爭。但是如果animal1和animal2的添加由不同的線程執(zhí)行，也是有可能在animal2前完成對animal1添加操作，具體來說就是線程1在通知監(jiān)聽器前添加animal1并鎖定模塊，線程2添加animal2并通知監(jiān)聽器，然后線程1通知監(jiān)聽器animal1已經(jīng)添加。雖然在不考慮先后順序時，可以忽略資源競爭，但問題是真實存在的。

對監(jiān)聽器的并發(fā)訪問
并發(fā)訪問監(jiān)聽器可以通過保證監(jiān)聽器的線程安全來實現(xiàn)。秉承著類的“責任自負”精神，監(jiān)聽器有“義務”確保自身的線程安全。例如，對于前面計數(shù)的監(jiān)聽器，多線程的遞增或遞減動物數(shù)量可能導致線程安全問題，要避免這一問題，動物數(shù)的計算必須是原子操作（原子變量或方法同步），具體解決代碼如下：

public class ThreadSafeCountingAnimalAddedListener implements AnimalAddedListener {
  private static AtomicLong animalsAddedCount = new AtomicLong(0);
  @Override
  public void updateAnimalAdded (Animal animal) {
    // Increment the number of animals
    animalsAddedCount.incrementAndGet();
    // Print the number of animals
    System.out.println("Total animals added: " + animalsAddedCount);
  }
}

方法同步解決方案代碼如下：

public class CountingAnimalAddedListener implements AnimalAddedListener {
  private static int animalsAddedCount = 0;
  @Override
  public synchronized void updateAnimalAdded (Animal animal) {
    // Increment the number of animals
    animalsAddedCount++;
    // Print the number of animals
    System.out.println("Total animals added: " + animalsAddedCount);
  }
}

要強調(diào)的是監(jiān)聽器應該保證自身的線程安全，subject需要理解監(jiān)聽器的內(nèi)部邏輯，而不是簡單確保對監(jiān)聽器的訪問和修改的線程安全。否則，如果多個subject共用同一個監(jiān)聽器，那每個subject類都要重寫一遍線程安全的代碼，顯然這樣的代碼不夠簡潔，因此需要在監(jiān)聽器類內(nèi)實現(xiàn)線程安全。

監(jiān)聽器的有序通知
當要求監(jiān)聽器有序執(zhí)行時，讀寫鎖就不能滿足需求了，而需要引入一個新的機制，可以保證notify函數(shù)的調(diào)用順序和animal添加到zoo的順序一致。有人嘗試過用方法同步來實現(xiàn)，然而根據(jù)Oracle文檔中的方法同步介紹，可知方法同步并不提供操作執(zhí)行的順序管理。它只是保證原子操作，也就是說操作不會被打斷，并不能保證先來先執(zhí)行(FIFO)的線程順序。ReentrantReadWriteLock可以實現(xiàn)這樣的執(zhí)行順序，代碼如下：

public class OrderedThreadSafeZoo {
  private final ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(true);
  protected final Lock readLock = readWriteLock.readLock();
  protected final Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
  private List<Animal> animals = new ArrayList<>();
  private List<AnimalAddedListener> listeners = new ArrayList<>();
  public void addAnimal (Animal animal) {
    // Add the animal to the list of animals
    this.animals.add(animal);
    // Notify the list of registered listeners
    this.notifyAnimalAddedListeners(animal);
  }
  public AnimalAddedListener registerAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {
    // Lock the list of listeners for writing
    this.writeLock.lock();
    try {
      // Add the listener to the list of registered listeners
      this.listeners.add(listener);
    }
    finally {
      // Unlock the writer lock
      this.writeLock.unlock();
    }
    return listener;
  }
  public void unregisterAnimalAddedListener (AnimalAddedListener listener) {
    // Lock the list of listeners for writing
    this.writeLock.lock();
    try {
      // Remove the listener from the list of the registered listeners
      this.listeners.remove(listener);
    }
    finally {
      // Unlock the writer lock
      this.writeLock.unlock();
    }
  }
  public void notifyAnimalAddedListeners (Animal animal) {
    // Lock the list of listeners for reading
    this.readLock.lock();
    try {
      // Notify each of the listeners in the list of registered listeners
      this.listeners.forEach(listener -> listener.updateAnimalAdded(animal));
    }
    finally {
      // Unlock the reader lock
      this.readLock.unlock();
    }
  }
}

這樣的實現(xiàn)方式，register, unregister和notify函數(shù)將按照先進先出(FIFO)的順序獲得讀寫鎖權限。例如，線程1注冊一個監(jiān)聽器，線程2在開始執(zhí)行注冊操作后試圖通知已注冊的監(jiān)聽器，線程3在線程2等待只讀鎖的時候也試圖通知已注冊的監(jiān)聽器，采用fair-ordering方式，線程1先完成注冊操作，然后線程2可以通知監(jiān)聽器，最后線程3通知監(jiān)聽器。這樣保證了action的執(zhí)行順序和開始順序一致。

如果采用方法同步，雖然線程2先排隊等待占用資源，線程3仍可能比線程2先獲得資源鎖，而且不能保證線程2比線程3先通知監(jiān)聽器。問題的關鍵所在：fair-ordering方式可以保證線程按照申請資源的順序執(zhí)行。讀寫鎖的順序機制很復雜，應參照ReentrantReadWriteLock的官方文檔以確保鎖的邏輯足夠解決問題。

截止目前實現(xiàn)了線程安全，在接下來的章節(jié)中將介紹提取主題的邏輯并將其mixin類封裝為可重復代碼單元的方式優(yōu)缺點。

主題邏輯封裝到Mixin類
把上述的觀察者模式設計實現(xiàn)封裝到目標的mixin類中很具吸引力。通常來說，觀察者模式中的觀察者包含已注冊的監(jiān)聽器的集合；負責注冊新的監(jiān)聽器的register函數(shù)；負責撤銷注冊的unregister函數(shù)和負責通知監(jiān)聽器的notify函數(shù)。對于上述的動物園的例子，zoo類除動物列表是問題所需外，其他所有操作都是為了實現(xiàn)主題的邏輯。

Mixin類的案例如下所示，需要說明的是為使代碼更為簡潔，此處去掉關于線程安全的代碼：

public abstract class ObservableSubjectMixin<ListenerType> {
  private List<ListenerType> listeners = new ArrayList<>();
  public ListenerType registerListener (ListenerType listener) {
    // Add the listener to the list of registered listeners
    this.listeners.add(listener);
    return listener;
  }
  public void unregisterAnimalAddedListener (ListenerType listener) {
    // Remove the listener from the list of the registered listeners
    this.listeners.remove(listener);
  }
  public void notifyListeners (Consumer<? super ListenerType> algorithm) {
    // Execute some function on each of the listeners
    this.listeners.forEach(algorithm);
  }
}

正因為沒有提供正在注冊的監(jiān)聽器類型的接口信息，不能直接通知某個特定的監(jiān)聽器，所以正需要保證通知功能的通用性，允許客戶端添加一些功能，如接受泛型參數(shù)類型的參數(shù)匹配，以適用于每個監(jiān)聽器，具體實現(xiàn)代碼如下：

public class ZooUsingMixin extends ObservableSubjectMixin<AnimalAddedListener> {
  private List<Animal> animals = new ArrayList<>();
  public void addAnimal (Animal animal) {
    // Add the animal to the list of animals
    this.animals.add(animal);
    // Notify the list of registered listeners
    this.notifyListeners((listener) -> listener.updateAnimalAdded(animal));
  }
}

Mixin類技術的最大優(yōu)勢是把觀察者模式的Subject封裝到一個可重復調(diào)用的類中，而不是在每個subject類中都重復寫這些邏輯。此外，這一方法使得zoo類的實現(xiàn)更為簡潔，只需要存儲動物信息，而不用再考慮如何存儲和通知監(jiān)聽器。

然而，使用mixin類并非只有優(yōu)點。比如，如果要存儲多個類型的監(jiān)聽器怎么辦？例如，還需要存儲監(jiān)聽器類型AnimalRemovedListener。mixin類是抽象類，Java中不能同時繼承多個抽象類，而且mixin類不能改用接口實現(xiàn)，這是因為接口不包含state，而觀察者模式中state需要用來保存已經(jīng)注冊的監(jiān)聽器列表。

其中的一個解決方案是創(chuàng)建一個動物增加和減少時都會通知的監(jiān)聽器類型ZooListener，代碼如下所示:

public interface ZooListener {
  public void onAnimalAdded (Animal animal);
  public void onAnimalRemoved (Animal animal);
}

這樣就可以使用該接口實現(xiàn)利用一個監(jiān)聽器類型對zoo狀態(tài)各種變化的監(jiān)聽了：

public class ZooUsingMixin extends ObservableSubjectMixin<ZooListener> {
  private List<Animal> animals = new ArrayList<>();
  public void addAnimal (Animal animal) {
    // Add the animal to the list of animals
    this.animals.add(animal);
    // Notify the list of registered listeners
    this.notifyListeners((listener) -> listener.onAnimalAdded(animal));
  }
  public void removeAnimal (Animal animal) {
    // Remove the animal from the list of animals
    this.animals.remove(animal);
    // Notify the list of registered listeners
    this.notifyListeners((listener) -> listener.onAnimalRemoved(animal));
  }
}

將多個監(jiān)聽器類型合并到一個監(jiān)聽器接口中確實解決了上面提到的問題，但仍舊存在不足之處，接下來的章節(jié)會詳細討論。

Multi-Method監(jiān)聽器和適配器
在上述方法，監(jiān)聽器的接口中實現(xiàn)的包含太多函數(shù)，接口就過于冗長，例如，Swing MouseListener就包含5個必要的函數(shù)。盡管可能只會用到其中一個，但是只要用到鼠標點擊事件就必須要添加這5個函數(shù)，更多可能是用空函數(shù)體來實現(xiàn)剩下的函數(shù)，這無疑會給代碼帶來不必要的混亂。

其中一種解決方案是創(chuàng)建適配器(概念來自GoF提出的適配器模式)，適配器中以抽象函數(shù)的形式實現(xiàn)監(jiān)聽器接口的操作，供具體監(jiān)聽器類繼承。這樣一來，具體監(jiān)聽器類就可以選擇其需要的函數(shù)，對adapter不需要的函數(shù)采用默認操作即可。例如上面例子中的ZooListener類，創(chuàng)建ZooAdapter(Adapter的命名規(guī)則與監(jiān)聽器一致，只需要把類名中的Listener改為Adapter即可)，代碼如下：

public class ZooAdapter implements ZooListener {
  @Override
  public void onAnimalAdded (Animal animal) {}
  @Override
  public void onAnimalRemoved (Animal animal) {}
}

乍一看，這個適配器類微不足道，然而它所帶來的便利卻是不可小覷的。比如對于下面的具體類，只需選擇對其實現(xiàn)有用的函數(shù)即可：

public class NamePrinterZooAdapter extends ZooAdapter {
  @Override
  public void onAnimalAdded (Animal animal) {
    // Print the name of the animal that was added
    System.out.println("Added animal named " + animal.getName());
  }
}

有兩種替代方案同樣可以實現(xiàn)適配器類的功能：一是使用默認函數(shù)；二是把監(jiān)聽器接口和適配器類合并到一個具體類中。默認函數(shù)是Java8新提出的，在接口中允許開發(fā)者提供默認（防御）的實現(xiàn)方法。

Java庫的這一更新主要是方便開發(fā)者在不改變老版本代碼的情況下，實現(xiàn)程序擴展，因此應該慎用這個方法。部分開發(fā)者多次使用后，會感覺這樣寫的代碼不夠?qū)I(yè)，而又有開發(fā)者認為這是Java8的特色，不管怎樣，需要明白這個技術提出的初衷是什么，再結合具體問題決定是否要用。使用默認函數(shù)實現(xiàn)的ZooListener接口代碼如下示：

public interface ZooListener {
  default public void onAnimalAdded (Animal animal) {}
  default public void onAnimalRemoved (Animal animal) {}
}

通過使用默認函數(shù)，實現(xiàn)該接口的具體類，無需在接口中實現(xiàn)全部函數(shù)，而是選擇性實現(xiàn)所需函數(shù)。雖然這是接口膨脹問題一個較為簡潔的解決方案，開發(fā)者在使用時還應多加注意。

第二種方案是簡化觀察者模式，省略了監(jiān)聽器接口，而是用具體類實現(xiàn)監(jiān)聽器的功能。比如ZooListener接口就變成了下面這樣：

public class ZooListener {
  public void onAnimalAdded (Animal animal) {}
  public void onAnimalRemoved (Animal animal) {}
}

這一方案簡化了觀察者模式的層次結構，但它并非適用于所有情況，因為如果把監(jiān)聽器接口合并到具體類中，具體監(jiān)聽器就不可以實現(xiàn)多個監(jiān)聽接口了。例如，如果AnimalAddedListener和AnimalRemovedListener接口寫在同一個具體類中，那么單獨一個具體監(jiān)聽器就不可以同時實現(xiàn)這兩個接口了。此外，監(jiān)聽器接口的意圖比具體類更顯而易見，很顯然前者就是為其他類提供接口，但后者就并非那么明顯了。

如果沒有合適的文檔說明，開發(fā)者并不會知道已經(jīng)有一個類扮演著接口的角色，實現(xiàn)了其對應的所有函數(shù)。此外，類名不包含adapter，因為類并不適配于某一個接口，因此類名并沒有特別暗示此意圖。綜上所述，特定問題需要選擇特定的方法，并沒有哪個方法是萬能的。

在開始下一章前，需要特別提一下，適配器在觀察模式中很常見，尤其是在老版本的Java代碼中。Swing API正是以適配器為基礎實現(xiàn)的，正如很多老應用在Java5和Java6中的觀察者模式中所使用的那樣。zoo案例中的監(jiān)聽器或許并不需要適配器，但需要了解適配器提出的目的以及其應用，因為我們可以在現(xiàn)有的代碼中對其進行使用。下面的章節(jié)，將會介紹時間復雜的監(jiān)聽器，該類監(jiān)聽器可能會執(zhí)行耗時的運算或進行異步調(diào)用，不能立即給出返回值。

Complex & Blocking監(jiān)聽器
關于觀察者模式的一個假設是：執(zhí)行一個函數(shù)時，一系列監(jiān)聽器會被調(diào)用，但假定這一過程對調(diào)用者而言是完全透明的。例如，客戶端代碼在Zoo中添加animal時，在返回添加成功之前，并不知道會調(diào)用一系列監(jiān)聽器。如果監(jiān)聽器的執(zhí)行需要時間較長（其時間受監(jiān)聽器的數(shù)量、每個監(jiān)聽器執(zhí)行時間影響），那么客戶端代碼將會感知這一簡單增加動物操作的時間副作用。

本文不能面面俱到的討論這個話題，下面幾條是開發(fā)者調(diào)用復雜的監(jiān)聽器時應該注意的事項：

監(jiān)聽器啟動新線程。新線程啟動后，在新線程中執(zhí)行監(jiān)聽器邏輯的同時，返回監(jiān)聽器函數(shù)的處理結果，并運行其他監(jiān)聽器執(zhí)行。

Subject啟動新線程。與傳統(tǒng)的線性迭代已注冊的監(jiān)聽器列表不同，Subject的notify函數(shù)重啟一個新的線程，然后在新線程中迭代監(jiān)聽器列表。這樣使得notify函數(shù)在執(zhí)行其他監(jiān)聽器操作的同時可以輸出其返回值。需要注意的是需要一個線程安全機制來確保監(jiān)聽器列表不會進行并發(fā)修改。

隊列化監(jiān)聽器調(diào)用并采用一組線程執(zhí)行監(jiān)聽功能。將監(jiān)聽器操作封裝在一些函數(shù)中并隊列化這些函數(shù)，而非簡單的迭代調(diào)用監(jiān)聽器列表。這些監(jiān)聽器存儲到隊列中后，線程就可以從隊列中彈出單個元素并執(zhí)行其監(jiān)聽邏輯。這類似于生產(chǎn)者-消費者問題，notify過程產(chǎn)生可執(zhí)行函數(shù)隊列，然后線程依次從隊列中取出并執(zhí)行這些函數(shù)，函數(shù)需要存儲被創(chuàng)建的時間而非執(zhí)行的時間供監(jiān)聽器函數(shù)調(diào)用。例如，監(jiān)聽器被調(diào)用時創(chuàng)建的函數(shù)，那么該函數(shù)就需要存儲該時間點，這一功能類似于Java中的如下操作：

public class   

如何使用Java8 實現(xiàn)觀察者模式？相信通過這篇文章大家都有了大概的了解了吧！

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