从Java类库看设计模式（一）

作者：刘武东    来自：IBM

在这一部分的内容中，介绍的是一个相对简单但功能强大的模式：Observer模式。希望通过这部分地叙述，大家看了之后，能够对设计模式 有一个比较全面地，感性的认识。

　 　很多时候，对于一个设计来说（软件上的，建筑上的，或者它他工业上的），经验是至关重要的。好的经验给我们以指导，并节约我们的时间；坏的经验则给我们 以借鉴，可以减少失败的风险。然而，从知识层面上来讲，经验只是作为一种工作的积累而存在于个人的大脑中的，很难被传授或者记录。为了解决这样的问题，人 们提出了所谓的模式的概念。所谓模式，是指在一个特定背景下，反复出现的问题解决方案。模式是经验的文档化。

　　软件模式的概念现在比较的 广泛，涉及到分析，设计，体系结构，编码，测试，重构等软件构造生命期中的各个部分。这儿主要讨论的是设计模式，指的是在软件设计过程中反复出现的一些问 题的解决方法了。不过我们一般在提到设计模式的时候，一般都是指GOF的经典书《Design Pattern--Elements of Reusable Object-Oriented Software》出现的23个模式，因而，它是具体的针对于面向对象软件设计过程的。

　 　从全局上看来，模式代表了一种语言，一种被文档化的经验，甚至是一种文化。往往很多不方便描叙，或者描叙起来很复杂的问题，用模式语言来叙说，会让听者 产生心领神会的感觉。当然，这需要交流双方都能够很好地把握模式语言的含义。然而，这并不是一件容易的事情。模式在各个人的理解上往往存在差异，这篇文章 旨在从一个具体的应用角度：Java类库，来阐叙设计模式。并结合具体的例子，希望能够加深大家对设计模式的理解。

　　这儿说的Java类 库，其实并没有局限于JDK本身，还包括了一些其他的类库中的例子，比如JAXP等（当然，下一个版本的JDK中也会包含JAXP了）。其实设计模式的思 想现在应用的如此广泛，无论在什么样的设计中，只要稍微大一点的设计，都可以找到很多很多设计模式的踪迹，或者说都不可避免的用到设计模式。下面所讲的设 计模式，大部分都是GOF的那部经典中出现过的23个模式，然而，还有一些，比如MVC，并不属于那里。一般的来讲，我们认为GOF的23个模式是一些中 级的模式，在它下面还可以抽象出一些更为一般的低层的模式，在其上也可以通过组合来得到一些高级的模式。当然，这儿的低中高的区别，如同区别不同的语言一 样，并没有优劣之分，仅仅是在应用层面上的区别。

　　Observer模式

　　 Observer模式的功用，是希望两个（或多个）对象，我们称之为Subject和Observer，当一方的状态发生改变的时候，另一方能够得到通 知。也就是说，作为Observer的一方，能够监视到Subject的某个特定的状态变化，并为之做出反应。一个简单的例子就是：当一个用户视图中的数 据被用户改变后，后端的数据库能够得到更新，而当数据库被其他方式更新后，用户视图中的数据显示也会随之改变。

图一：Obverser模式的类图

　 　在JDK中实际上有一个对Observer模式的简单的实现：就是类java.util.Observerable和接口 java.util.Observer。java.util.Observerable类对应于Subject，而java.util.Observer 就是观察者了。JDK中并没有把这两个部分都设计为接口，而是让类java.util.Observerable提供了部分的实现，简化了许多编程的工 作。当然，这也减少了一定的灵活性。

　　下面列出了Observer和Observeral的函数列表，及其简单的功能说明

　　java.util.Observer：

　　public void update(Observable obs, Object obj)
　 　java.util.Observer 接口很简单，只定义了这一个方法，狭义的按照Observer模式的说法，Observer应该在这个方法中调用Subject的getXXX()方法来 取得最新的状态，而实际上，你可以只是在其中对Subject的某些事件进行响应。这便是Java中的代理事件模型的一个雏形--对事件进行响应。只不 过，在Observer模式中将事件特定化为某个状态/数据的改变了。

　　java.util.Observable：

　　public void addObserver(Observer obs)
　 　向Subject注册一个Observer。也就是把这个Observer对象添加到了一个java.util.Observable内部的列表中。在 JDK中对于这个列表是简单的通过一个java.util.Vector类来实现的，而实际上，在一些复杂的Observer模式的应用中，需要把这个部 分单另出来形成一个Manager类，来管理Subject和Observer之间的映射。这样，Subject和Observer进一步的被解藕，程序 也会具有更大的灵活性。

　　public void deleteObserver(Observer obs)
　　从Subject中删除一个已注册了Observer的引用。

　　public void deleteObservers()
　　从Subjec中删除所有注册的Observer的引用。

　　public int countObservers()
　　返回注册在Subject中的Observer个数。

　　protected void setChanged()
　　设置一个内部的标志以指明这个Ovserver的状态已经发生改变。注意这是一个protected方法，也就是说只能在Observer类和其子类中被调用，而在其它的类中是看不到这个方法的。

　　protected void clearChanged()
　　清除上叙的内部标志。它在notifyObservers()方法内部被自动的调用，以指明Subject的状态的改变已经传递到Ovserver中了。

public boolean hasChanged()
　　确定Subject的状态是否发生了改变。

　　public void notifyObservers(Object obj)
　 　它首先检查那个内部的标志，以判断状态是否改变，如果是的话，它会调用注册在Subject中的每个Observer的update()方法。在JDK 中这个方法内部是作为synchronized来实现的，也就是如果发生多个线程同时争用一个java.util.Observerable的 notifyObservers()方法的话，他们必须按调度的等待着顺序执行。在某些特殊的情况下，这会有一些潜在的问题：可能在等待的过程中，一个刚 刚被加入的Observer会被遗漏没有被通知到，而一个刚刚被删除了的Observer会仍然收到它已经不想要了的通知。

　　public void notifyObservers()
　　等价于调用了notifyObservers(null)。

　 　因而在Java中应用Observer就很简单了，需要做的是：让需要被观察的Subject对象继承java.util.Observerable， 让需要观察的对象实现java.util.Observer接口，然后用java.util.Observerable的 addObserver(Observer obj)方法把Observer注册到Subject对象中。这已经完成了大部分的工作了。然后调用java.util.Observerable的 notifyObservers(Object arg)等方法，就可以实现Observer模式的机理。我们来看一个简单使用了这个模式的例子。这个例子有三个 类：FrameSubject，DateSubject，FrameObject和EntryClass，FrameSubject中用户可以设置被观察 的值，然后自动的会在FrameObject中显示出来，DateSubject封装被观察的值，并且充当Observer模式中的Subject。

public class FrameSubject extends JFrame {
…………
  //因为无法使用多重继承，这儿就只能使用对象组合的方式来引入一个
//java.util.Observerable对象了。
  DateSubject subject=new DateSubject();

 //这个方法转发添加Observer消息到DateSubject。
  public void registerObserver(java.util.Observer  o){
    subject.addObserver(o);
 }

  //数据改变，事件被触发后调用notifyObservers()来通知Observer。
void jButton1_actionPerformed(ActionEvent e) {
    subject.setWidthInfo(Integer.parseInt(jTextField1.getText()));
    subject.setHeightInfo(Integer.parseInt(jTextField2.getText()));
    subject.notifyObservers();
  }
……………
}

public class DateSubject extends Observable {

    //封装被观察的数据
  private int widthInfo;
  private int heightInfo;

  public int getWidthInfo() {
    return widthInfo;
  }

  public void setWidthInfo(int widthInfo) {
this.widthInfo = widthInfo;
//数据改变后，setChanged()必须被调用，否则notifyObservers()方法会不起作用
this.setChanged();
  }
  public void setHeightInfo(int heightInfo) {
    this.heightInfo = heightInfo;
    this.setChanged();
  }
  public int getHeightInfo() {
    return heightInfo;
  }
}

public class FrameObserver extends JFrame implements java.util.Observer {
…………
    //观察的数据
   int widthInfo=0;
   int heightInfo=0;

//在update()方法中实现对数据的更新和其它必要的反应。
  public void update(Observable o, Object arg) {
    DateSubject subject=(DateSubject) o;
    widthInfo=subject.getWidthInfo();
    heightInfo=subject.getHeightInfo();
    jLabel1.setText("The heightInfo from subject is:  ");
    jLabel3.setText(String.valueOf(heightInfo));
    jLabel2.setText("The widthInfo from subject is:  ");
    jLabel4.setText(String.valueOf(widthInfo));
  }
……………
}

public class EntryClass {
    public static void main(String[] args) {
    ……………
    FrameSubject frame = new FrameSubject();
FrameObserver frame2=new FrameObserver();
//在Subject中注册Observer，将两者联系在一起
frame.registerObserver(frame2);
…………
frame.setVisible(true);
frame2.setVisible(true);

    ……………
    }
}

　 　我认为在JDK中这个Observer模式的实现，对于一般的Observer模式的应用，已经是非常的足够了的。但是一方面它用一个类来实现了 Subject，另一方面它使用Vector来保存Subject对于Observer的引用，这虽然简化了编程的过程，但会限制它在一些需要更为灵活， 复杂的设计中的应用，有时候（虽然这种情况不多），我们还不得不重新编写新的Subject对象和额外的Manager对象来实现更为复杂的 Observer模式的应用。

　　小结：

　　这一部分主要的讨论了模式的概念。随着现代 软件工业的不断进步，软件系统的规模的日益扩大，越来越需要对某些个不断出现的问题进行模式化思维，以成功的经验或者失败的教训来减少软件开发失败的风 险。模式代表了一种文档化的经验，它为某一类的问题提供了最好（或者说很好）的解决方案，使得即使不是经验丰富的软件工程师，也能够根据模式来构建相对成 功的系统。本节给出的一个Obverser模式的示例，比较好的说明了这一点。Obverser模式主要解决在对象间的状态映射或者镜像的问题。

 

　　参考资源：

• Software Patterns: James O. Coplien, Bell Laboratories,The Hillside Group
• 设计模式：可复用面向对象软件的基础 机械工业出版社
• Java2类库增补版 机械工业出版社
• 可视化面向对象建模技术 北京航天航空工业大学出版社
• JDK1.3源代码
• UML用户指南 机械工业出版社