淺談設計模式之觀察者模式

小明是個勤奮的台科大學生，平時相當努力在做一些與課業毫不相干的事情，例如在計算機網路期末考的前一晚還在研究Java的反射機制。如此的勤奮，以至於他在學期結束時發現有半數以上的老師不打算讓他過關。就這樣，小明被二一了。被二一的小明在學期結束後恐懼於父母的鞭打，隱藏自己提早畢業的事實，藉故留在台北，打算就這樣瞞天過海不理人間世事，用心鑽研Java。不料，紙終究包不住火，某日小明在宿舍享受著Java優雅的語法時，一陣急促的敲門聲打斷了他的思緒。小明不耐煩地開了門，還沒來得及看清楚來訪者的臉之前就先被一記大腳踹到牆邊，抬頭一看才驚見自己青筋暴現面目猙獰的老爸。這時，小明才終於意會到，老爸是自己在學資料的觀察者之一，同樣會被告知自己被二一的消息...
儘管可能有人好奇小明的下場，這畢竟不是這篇文章要講述的重點，這篇文章的重點是「觀察者模式」的實作，也就是說明在物件導向程式設計中，如何實作物件與物件的註冊與通知機制，而上述的人倫悲劇即是我們要實作的情境。小明的下場如何，請看倌自行想像。

觀察者模式包含兩種角色：「觀察者(Observer)」、「被觀察者(Observable)」。觀察者與被觀察者都能夠有多個：一個「被觀察者」能夠被許多「觀察者」觀察，一個「觀察者」也能一次觀察多個「被觀察者」。「觀察者」必須向「被觀察者」註冊，「被觀察者」在狀態改變或某些條件滿足時則告知「觀察者」，如下圖所示。

觀察者必須提供一個方法(update)讓被觀察者在狀態更新時呼叫，被觀察者也必須提供觀察者註冊(addObserver)及移除(removeObserver)的方法，如下介面所定義：

interface Observer{
   /** 通知此觀察者*/
   public void update(String message);
}

interface Observable{
    /** 增加觀察者 */
    public void addObserver(Observer observer);
    /** 移除觀察者*/
    public void removeObserver(Observer observer);
}

Observable介面的addObserver方法雖暗示了實作類別必須使用陣列或串列來儲存多個觀察者實體，但這並非強制性的，一個被觀察者也能只有一個觀察者，取決於整體的設計。Observer介面中的update方法所傳遞的參數也取決於使用的場合。若要設計出較一般化的Observer模式的實作，可以參考Java API中的Observer介面和Observable類別。

在實作上述情境前，我們先整理出幾個步驟：首先，我們將「小明」與「小明的爸爸」註冊為「小明在學資料」的觀察者。其次，設定「小明在學資料」裡的分數。然後，學期結束時，「小明在學資料」會結算被當科目，確認小明有沒有被二一。最後，學期結束時，「小明的在學資料」會自動通知「小明」與「小明的爸爸」，小明是否有被二一。
以下是主程式：

class Main{
   public static void main(String[] arg){
       //小明的在學資料
       StudentData studentData = new StudentData("小明");
   
       People ming = new People("小明本人");
       People father = new People("小明的爸爸");
       //學生資料加入觀察者
       studentData.addObserver(ming);
       studentData.addObserver(father);
   
       //設定成績
       studentData.setScore("微積分", 59);
       studentData.setScore("物理", 60);
       studentData.setScore("計算機網路", 54);
   
       // 學期結束，結算被當科目
       studentData.validateCredits();
   }  
}

接下來是表示人(小明本人、小明的爸爸)的類別，實作觀察者介面：

class People implements Observer{
    private String name;
    
    public People(String name){
        this.name = name;
    }
    
    public void update(String message){
        System.out.println(
            name + " 收到["+ message +"]的訊息。");
    }
}

最後是表示「學生在學資料」的類別，實作被觀察者介面：

/** 在學學生資料*/
class StudentData implements Observable{
   private String name;
    /** 使用LinkedList來儲存多個觀察者。 */
   private List< Observer> observers =
                    new LinkedList<Observer >();
   private HashMap< String,Integer> scores =
                    new HashMap<String, Integer>();
 
   public StudentData(String name){
       this.name = name;
   }
 
   public String getName(){
       return name;
   }
   /** 設定成績*/
   public void setScore(String subject, int score){
       scores.put(subject, score);
   }
 
   /** 結算學分*/
   public void validateCredits(){
       int totalSubject = scores.size();    //全部科目數
       int failSubject = 0;    //被當的科目數
     
         /** 尋訪整個HashMap，取出所有的值 */
       for(int score: scores.values()){
            //不到60分，累加被當的科目數 
           if( score < 60)
               failSubject++;
       }
         //若被當的科目數大於總科目數的一半
       if( (totalSubject / 2) < failSubject )
           notifyObservers("下學期不用繳註冊費。");
       else
           notifyObservers("下學期記得繳註冊費。");
 
   }
 
   /** 通知所有觀察者*/
   public void notifyObservers(String msg){
        /** 尋訪整個List，取出所有觀察者 */
       for(Observer observer : observers)
           observer.update(msg);
   }
   /** 新增觀察者*/
   public void addObserver(Observer observer){
       observers.add(observer);
   }
   /** 移除觀察者*/
   public void removeObserver(Observer observer){
       observers.remove(observer);
   }
}

執行結果如下：

小明本人 收到[下學期不用繳註冊費。]的訊息。
小明的爸爸 收到[下學期不用繳註冊費。]的訊息。

Observer模式的原理其實很簡單：只要在被觀察者的狀態被改變(ex.set方法被呼叫)或條件滿足時，經由Observer介面所定義的方法，將狀態改變的消息傳遞給已註冊的觀察者們。然而，Observer模式有相當多應用，例如著名的MVC架構模式即是根基於此模式。關於Observer模式的各種應用，將在之後的文章提到，請耐心等待。