TypeScript 设计模式之观察者模式

一、模式介绍

1. 背景介绍

在软件系统中经常碰到这类需求：当一个对象的状态发生改变，某些与它相关的对象也要随之做出相应的变化。这是建立一种对象与对象之间的依赖关系，一个对象发生改变时将自动通知其他对象，其他对象将相应做出反应。

我们将发生改变的对象称为观察目标，将被通知的对象称为观察者，一个观察目标可以对应多个观察者，而且这些观察者之间没有相互联系，之后可以根据需要增加和删除观察者，使得系统更易于扩展，这就是观察者模式的产生背景。

2. 概念介绍

观察者模式(Observer Pattern)：定义对象间的一种一对多依赖关系，使得每当一个对象状态发生改变时，其相关依赖对象皆得到通知并被自动更新。观察者模式是一种对象行为型模式。

3. 生活场景

在所有浏览器事件（鼠标悬停，按键等事件）都是观察者模式的例子。

另外还有：

如我们订阅微信公众号“前端自习课”（观察目标），当“前端自习课”群发图文消息后，所有公众号粉丝（观察者）都会接收到这篇文章（事件），这篇文章的内容是发布者自定义的（自定义事件），粉丝阅读后作出特定操作（如：点赞，收藏，关注等）。

二、模式特点

1. 模式组成

在观察者模式中，通常包含以下角色：

• 目标：Subject
• 观察目标：ConcreteSubject
• 观察者：Observer
• 具体观察者：ConcreteObserver

2. UML 类图

图片来源：《TypeScript 设计模式之观察者模式》 

3. 优点

• 观察者模式可以实现表示层和数据逻辑层的分离，并降低观察目标和观察者之间耦合度；
• 观察者模式支持简单广播通信，自动通知所有已经订阅过的对象；
• 观察者模式符合“开闭原则”的要求；
• 观察目标和观察者之间的抽象耦合关系能够单独扩展以及重用。

4. 缺点

• 当一个观察目标有多个直接或间接的观察者时，通知所有观察者的过程将会花费很多时间；
• 当观察目标和观察者之间存在循环依赖时，观察目标会触发它们之间进行循环调用，可能导致系统崩溃。
• 观察者模式缺少相应机制，让观察者知道所观察的目标对象是怎么发生变化的，而仅仅只是知道观察目标发生了变化。

三、使用场景

在以下情况下可以使用观察者模式：

• 在一个抽象模型中，一个对象的行为依赖于另一个对象的状态。即当目标对象的状态发生改变时，会直接影响到观察者的行为；
• 一个对象需要通知其他对象发生反应，但不知道这些对象是谁。
• 需要在系统中创建一个触发链，A对象的行为将影响B对象，B对象的行为将影响C对象……，可以使用观察者模式创建一种链式触发机制。

四、实战示例

1. 简单示例

1. 定义观察目标接口（Subject）和观察者接口（Observer）

// ObserverPattern.ts

// 观察目标接口
interface Subject {
  addObserver: (observer: Observer) => void;
  deleteObserver: (observer: Observer) => void;
  notifyObservers: () => void;
}

// 观察者接口
interface Observer {
  notify: () => void;
}

1. 定义具体观察目标类（ConcreteSubject）

// ObserverPattern.ts

// 具体观察目标类
class ConcreteSubject implements Subject{ 
  private observers: Observer[] = [];
    
  // 添加观察者
  public addObserver(observer: Observer): void {
    console.log(observer, " is pushed~~");
    this.observers.push(observer);
  }

  // 移除观察者
  public deleteObserver(observer: Observer): void {
    console.log(observer, " have deleted~~");
    const idx: number = this.observers.indexOf(observer);
    ~idx && this.observers.splice(idx, 1);
  }

  // 通知观察者
  public notifyObservers(): void {
    console.log("notify all the observers ", this.observers);
    this.observers.forEach(observer => { 
      // 调用 notify 方法时可以携带指定参数
      observer.notify();
    });
  }
}

1. 定义具体观察者类（ConcreteObserver）

// ObserverPattern.ts

// 具体观
class ConcreteObserver implements Observer{
  constructor(private name: string) {}

  notify(): void {
    // 可以处理其他逻辑
    console.log(`${this.name} has been notified.`);
  }
}

1. 测试代码

// ObserverPattern.ts

function useObserver(): void {
  const subject: Subject = new ConcreteSubject();
  const Leo   = new ConcreteObserver("Leo");
  const Robin = new ConcreteObserver("Robin");
  const Pual  = new ConcreteObserver("Pual");
  const Lisa  = new ConcreteObserver("Lisa");

  subject.addObserver(Leo);
  subject.addObserver(Robin);
  subject.addObserver(Pual);
  subject.addObserver(Lisa);
  subject.notifyObservers();
  
  subject.deleteObserver(Pual);
  subject.deleteObserver(Lisa);
  subject.notifyObservers();
}

useObserver();

完整演示代码如下：

// ObserverPattern.ts

interface Subject {
  addObserver: (observer: Observer) => void;
  deleteObserver: (observer: Observer) => void;
  notifyObservers: () => void;
}

interface Observer {
  notify: () => void;
}

class ConcreteSubject implements Subject{ 
  private observers: Observer[] = [];

  public addObserver(observer: Observer): void {
    console.log(observer, " is pushed~~");
    this.observers.push(observer);
  }

  public deleteObserver(observer: Observer): void {
    console.log(observer, " have deleted~~");
    const idx: number = this.observers.indexOf(observer);
    ~idx && this.observers.splice(idx, 1);
  }

  public notifyObservers(): void {
    console.log("notify all the observers ", this.observers);
    this.observers.forEach(observer => { 
      // 调用 notify 方法时可以携带指定参数
      observer.notify();
    });
  }
}

class ConcreteObserver implements Observer{
  constructor(private name: string) {}

  notify(): void {
    // 可以处理其他逻辑
    console.log(`${this.name} has been notified.`);
  }
}

function useObserver(): void {
  const subject: Subject = new ConcreteSubject();
  const Leo   = new ConcreteObserver("Leo");
  const Robin = new ConcreteObserver("Robin");
  const Pual  = new ConcreteObserver("Pual");
  const Lisa  = new ConcreteObserver("Lisa");

  subject.addObserver(Leo);
  subject.addObserver(Robin);
  subject.addObserver(Pual);
  subject.addObserver(Lisa);
  subject.notifyObservers();
  
  subject.deleteObserver(Pual);
  subject.deleteObserver(Lisa);
  subject.notifyObservers();
}

useObserver();

2. Vue.js 数据双向绑定实现原理

在 Vue.js 中，当我们修改数据状时，视图随之更新，这就是 Vue.js 的双向数据绑定（也称响应式原理），这是 Vue.js 中最独特的特性之一。
如果你对 Vue.js 的双向数据绑定还不清楚，建议先阅读官方文档《深入响应式原理》章节。

2.1 原理介绍

在官网中提供这么一张流程图，介绍了 Vue.js 响应式系统的整个流程：

图片来自：Vue.js 官网《深入响应式原理》

在 Vue.js 中，每个组件实例都对应一个 watcher 实例，它会在组件渲染的过程中把“接触”（“Touch” 过程）过的数据 property 记录为依赖（Collect as Dependency 过程）。之后当依赖项的 setter 触发时，会通知 watcher（Notify 过程），从而使它关联的组件重新渲染（Trigger re-render 过程）——这是一个典型的观察者模式。

这道面试题考察面试者对 Vue.js 底层原理的理解、对观察者模式的实现能力以及一系列重要的JS知识点，具有较强的综合性和代表性。

2.2 组成部分

在 Vue.js 数据双向绑定的实现逻辑中，包含三个关键角色：

• observer（监听器）：这里的 observer 不仅是订阅者（需要监听数据变化），同时还是发布者（对监听的数据进行转发）。
• watcher（订阅者）：watcher对象是真正的订阅者， observer 把数据转发给 watcher 对象。watcher 接收到新的数据后，执行视图更新。
• compile（编译器）：MVVM 框架特有的角色，负责对每个节点元素指令进行扫描和解析，处理指令的数据初始化、订阅者的创建等操作。

这三者的配合过程如图所示：

图片来自：掘金小册《JavaScript 设计模式核⼼原理与应⽤实践》

2.3 实现核心代码 observer

首先我们需要实现一个方法，这个方法会对需要监听的数据对象进行遍历、给它的属性加上定制的 getter 和 setter 函数。这样但凡这个对象的某个属性发生了改变，就会触发 setter 函数，进而通知到订阅者。这个 setter 函数，就是我们的监听器：

// observe方法遍历并包装对象属性
function observe(target) {
    // 若target是一个对象，则遍历它
    if(target && typeof target === 'object') {
        Object.keys(target).forEach((key)=> {
            // defineReactive方法会给目标属性装上“监听器”
            defineReactive(target, key, target[key])
        })
    }
}
// 定义defineReactive方法
function defineReactive(target, key, val) {
    // 属性值也可能是object类型，这种情况下需要调用observe进行递归遍历
    observe(val)
    // 为当前属性安装监听器
    Object.defineProperty(target, key, {
         // 可枚举
        enumerable: true,
        // 不可配置
        configurable: false, 
        get: function () {
            return val;
        },
        // 监听器函数
        set: function (value) {
            console.log(`${target}属性的${key}属性从${val}值变成了了${value}`)
            val = value
        }
    });
}

下面实现订阅者 Dep：

// 定义订阅者类Dep
class Dep {
    constructor() {
        // 初始化订阅队列
        this.subs = []
    }
    
    // 增加订阅者
    addSub(sub) {
        this.subs.push(sub)
    }
    
    // 通知订阅者（是不是所有的代码都似曾相识？）
    notify() {
        this.subs.forEach((sub)=>{
            sub.update()
        })
    }
}

现在我们可以改写 defineReactive 中的 setter 方法，在监听器里去通知订阅者了：

function defineReactive(target, key, val) {
    const dep = new Dep()
    // 监听当前属性
    observe(val)
    Object.defineProperty(target, key, {
        set: (value) => {
            // 通知所有订阅者
            dep.notify()
        }
    })
}

五、总结

观察者模式又称发布-订阅模式、模型-视图模式、源-监听器模式或从属者模式。是一种对象行为型模式。其定义了一种对象间的一对多依赖关系，当观察目标发生状态变化，会通知所有观察者对象，使它们自动更新。

在实际业务中，如果一个对象的行为依赖于另一个对象的状态。或者说当目标对象的状态发生改变时，会直接影响到观察者的行为，尽量考虑到使用观察者模式来实现。

六、拓展

观察者模式和发布-订阅模式两者很像，但其实区别比较大。例如：

• 耦合度差异：观察者模式的耦合度就比发布-订阅模式要高；
• 关注点不同：观察者模式需要知道彼此的存在，而发布-订阅模式则是通过调度中心来联系发布/订阅者。

下一篇文章见。

参考文章

1.《3. 观察者模式》
2.《TypeScript 设计模式之观察者模式》 
3.《JavaScript 设计模式核⼼原理与应⽤实践》