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C++ 設計模式實戰：觀察者模式完整實作與解析

編輯：關於C++

模式動機：解耦主題與觀察者

觀察者模式定義物件間一對多依賴，當主題狀態改變時，自動通知所有已註冊觀察者。此模式廣泛應用於事件處理系統、MVC 架構的 Model-View 同步、訊息推播等場景。C++ 雖無介面關鍵字，但可用純虛函數抽象類別模擬介面，配合多型實現靈活的訂閱/發布機制。

核心類別結構設計

// 前向宣告
class Observer;
class Subject;

// 主題抽象介面
class Subject {
public:
    virtual ~Subject() = default;
    virtual void attach(Observer* o) = 0;      // 訂閱
    virtual void detach(Observer* o) = 0;      // 退訂 (補充)
    virtual void notify() = 0;                 // 通知所有觀察者
    virtual void setWeather(const std::string& str) = 0;
    virtual std::string getWeather() const = 0;
};

// 觀察者抽象介面
class Observer {
public:
    virtual ~Observer() = default;
    virtual std::string getName() const = 0;
    virtual void update(Subject* s) = 0;       // 接收通知
};

具體主題：氣象站


class WeatherStation : public Subject {
private:
    std::string weather_;
    std::list observers_;

public:
    void attach(Observer* o) override {
        observers_.push_back(o);
    }
    void detach(Observer* o) override {
        observers_.remove(o);
    }
    void notify() override {
        for (auto* obs : observers_) {
            obs->update(this);
        }
    }
    void setWeather(const std::string& str) override {
        weather_ = str;
        notify();  // 狀態變更即通知
    }
    std::string getWeather() const override { return weather_; }
};

具體觀察者：衛星接收端


class Satellite : public Observer {
private:
    std::string name_;

public:
    explicit Satellite(const std::string& name) : name_(name) {}
    std::string getName() const override { return name_; }
    void update(Subject* s) override {
        std::cout << name_ << " 收到天氣更新: " << s->getWeather() << '\n';
    }
};

客戶端測試程式


int main() {
    WeatherStation station;

    // 建立四顆衛星觀察者
    Satellite s1("風雲一號"), s2("風雲二號"), s3("風雲三號"), s4("風雲四號");

    // 訂閱
    station.attach(&s1);
    station.attach(&s2);
    station.attach(&s3);
    station.attach(&s4);

    // 模擬天氣變化
    station.setWeather("晴朗");
    station.setWeather("雷陣雨");
    station.setWeather("多雲");

    return 0;
}

執行結果


風雲一號 收到天氣更新: 晴朗
風雲二號 收到天氣更新: 晴朗
風雲三號 收到天氣更新: 晴朗
風雲四號 收到天氣更新: 晴朗
風雲一號 收到天氣更新: 雷陣雨
風雲二號 收到天氣更新: 雷陣雨
風雲三號 收到天氣更新: 雷陣雨
風雲四號 收到天氣更新: 雷陣雨
風雲一號 收到天氣更新: 多雲
風雲二號 收到天氣更新: 多雲
風雲三號 收到天氣更新: 多雲
風雲四號 收到天氣更新: 多雲

關鍵實作細節與最佳實務

虛構函數：抽象基類必須宣告虛構函數，確保正確釋放衍生類資源。
觀察者容器：使用 std::list 或 std::vector 儲存觀察者指標；list 適合頻繁增刪，vector 遍歷較快。
生命週期管理：主題不擁有觀察者記憶體，觀察者由客戶端管理。若主題需管理生命週期，可改用 std::shared_ptr<Observer>。
執行緒安全：多執行緒環境下需加鎖保護 observers_ 容器，或使用無鎖資料結構。
推 vs 拉模型：範例採拉模型 (觀察者呼叫 getWeather() 取資料)；若資料量大，可改推模型 直接在 update 參數傳遞資料。

擴充應用：支援多種氣象資料


struct WeatherData {
    float temperature;
    float humidity;
    float pressure;
};

class AdvancedStation : public Subject {
    WeatherData data_;
    std::list obs_;
public:
    void setData(const WeatherData& d) { data_ = d; notify(); }
    const WeatherData& getData() const { return data_; }
    // ... attach/detach/notify 同前
};

class DisplayBoard : public Observer {
    void update(Subject* s) override {
        auto* station = dynamic_cast(s);
        if (station) {
            auto d = station->getData();
            std::cout << "溫度:" << d.temperature << " 濕度:" << d.humidity << '\n';
        }
    }
};