從Java類庫看設計模式（1）

很多時候，對於一個設計來說（軟體上的，建築上的，或者它他工業上的），經驗是至關重要的。好的經驗給我們以指導，並節約我們的時間；壞的經驗則給我們以借鑒，可以減少失敗的風險。然而，從知識層面上來講，經驗只是作為一種工作的積累而存在於個人的大腦中的，很難被傳授或者記錄。為瞭解決這樣的問題，人們提出了所謂的模式的概念。所謂模式，是指在一個特定背景下，反覆出現的問題解決方案。模式是經驗的文檔化。

軟體模式的概念現在比較的廣泛，涉及到分析，設計，體繫結構，編碼，測試，重構等軟體構造生命期中的各個部分。這兒主要討論的是設計模式，指的是在軟體設計過程中反覆出現的一些問題的解決方案了。不過我們一般在提到設計模式的時候，一般都是指GOF的經典書《Design Pattern--Elements of Reusable Object-Oriented Software》出現的23個模式，因而，它是具體的針對於物件導向軟體設計過程的。

從全域上看來，模式代表了一種語言，一種被文檔化的經驗，甚至是一種文化。往往很多不方便描敘，或者描敘起來很複雜的問題，用模式語言來敘說，會讓聽者產生心領神會的感覺。當然，這需要交流雙方都能夠很好地把握模式語言的含義。然而，這並不是一件容易的事情。模式在各個人的理解上往往存在差異，這篇文章旨在從一個具體的應用角度：Java類庫，來闡敘設計模式。並結合具體的例子，希望能夠加深大家對設計模式的理解。

這兒說的Java類庫，其實並沒有局限於JDK本身，還包括了一些其他的類庫中的例子，比如JAXP等（當然，下一個版本的JDK中也會包含JAXP了）。其實設計模式的思想現在應用的如此廣泛，無論在什麼樣的設計中，只要稍微大一點的設計，都可以找到很多很多設計模式的蹤跡，或者說都不可避免的用到設計模式。下面所講的設計模式，大部分都是GOF的那部經典中出現過的23個模式，然而，還有一些，比如MVC，並不屬於那裡。一般的來講，我們認為GOF的23個模式是一些中級的模式，在它下面還可以抽象出一些更為一般的低層的模式，在其上也可以通過組合來得到一些進階的模式。當然，這兒的低中高的區別，如同區別不同的語言一樣，並沒有優劣之分，僅僅是在應用程式層面上的區別。

Observer模式

Observer模式的功用，是希望兩個（或多個）對象，我們稱之為Subject和Observer，當一方的狀態發生改變的時候，另一方能夠得到通知。也就是說，作為Observer的一方，能夠監視到Subject的某個特定的狀態變化，並為之做出反應。一個簡單的例子就是：當一個使用者視圖中的資料被使用者改變後，後端的資料庫能夠得到更新，而當資料庫被其他方式更新後，使用者視圖中的資料顯示也會隨之改變。

圖一：Obverser模式的類圖
 

在JDK中實際上有一個對Observer模式的簡單的實現：就是類java.util.Observerable和介面java.util.Observer。java.util.Observerable類對應於Subject，而java.util.Observer就是觀察者了。JDK中並沒有把這兩個部分都設計為介面，而是讓類java.util.Observerable提供了部分的實現，簡化了許多編程的工作。當然，這也減少了一定的靈活性。

下面列出了Observer和Observeral的函數列表，及其簡單的功能說明

java.util.Observer：
public void update(Observable obs, Object obj)
java.util.Observer 介面很簡單，只定義了這一個方法，狹義的按照Observer模式的說法，Observer應該在這個方法中調用Subject的getXXX()方法來取得最新的狀態，而實際上，你可以只是在其中對Subject的某些事件進行響應。這便是Java中的代理事件模型的一個雛形--對事件進行響應。只不過，在Observer模式中將事件特定化為某個狀態/資料的改變了。

java.util.Observable

public void addObserver(Observer obs)

向Subject註冊一個Observer。也就是把這個Observer對象添加到了一個java.util.Observable內部的列表中。在JDK中對於這個列表是簡單的通過一個java.util.Vector類來實現的，而實際上，在一些複雜的Observer模式的應用中，需要把這個部分單另出來形成一個Manager類，來管理Subject和Observer之間的映射。這樣，Subject和Observer進一步的被解藕，程式也會具有更大的靈活性。

public void deleteObserver(Observer obs)
從Subject中刪除一個登入了Observer的引用。

public void deleteObservers()
從Subjec中刪除所有註冊的Observer的引用。

public int countObservers()
返回註冊在Subject中的Observer個數。

protected void setChanged()
設定一個內部的標誌以指明這個Ovserver的狀態已經發生改變。注意這是一個protected方法，也就是說只能在Observer類和其子類中被調用，而在其它的類中是看不到這個方法的。

protected void clearChanged()
清除上敘的內部標誌。它在notifyObservers()方法內部被自動的調用，以指明Subject的狀態的改變已經傳遞到Ovserver中了。

public boolean hasChanged()
確定Subject的狀態是否發生了改變。

public void notifyObservers(Object obj)
它首先檢查那個內部的標誌，以判斷狀態是否改變，如果是的話，它會調用註冊在Subject中的每個Observer的update()方法。在JDK中這個方法內部是作為synchronized來實現的，也就是如果發生多個線程同時爭用一個java.util.Observerable的notifyObservers()方法的話，他們必須按調度的等待著順序執行。在某些特殊的情況下，這會有一些潛在的問題：可能在等待的過程中，一個剛剛被加入的Observer會被遺漏沒有被通知到，而一個剛剛被刪除了的Observer會仍然收到它已經不想要了的通知。

public void notifyObservers()
等價於調用了notifyObservers(null)。

因而在Java中應用Observer就很簡單了，需要做的是：讓需要被觀察的Subject對象繼承java.util.Observerable，讓需要觀察的對象實現java.util.Observer介面，然後用java.util.Observerable的addObserver(Observer obj)方法把Observer註冊到Subject對象中。這已經完成了大部分的工作了。然後調用java.util.Observerable的notifyObservers(Object arg)等方法，就可以實現Observer模式的機理。我們來看一個簡單使用了這個模式的例子。這個例子有三個類：FrameSubject，DateSubject，FrameObject和EntryClass，FrameSubject中使用者可以設定被觀察的值，然後自動的會在FrameObject中顯示出來，DateSubject封裝被觀察的值，並且充當Observer模式中的Subject。

public class FrameSubject extends JFrame {
…………..
  //因為無法使用多重繼承，這兒就只能使用對象組合的方式來引入一個
//java.util.Observerable對象了。
  DateSubject subject=new DateSubject();
 //這個方法轉寄添加Observer訊息到DateSubject。
  public void registerObserver(java.util.Observer  o){
    subject.addObserver(o);
 }
  //資料改變，事件被觸發後調用notifyObservers()來通知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 {
    //封裝被觀察的資料
  private int widthInfo;
  private int heightInfo;
  public int getWidthInfo() {
    return widthInfo;
  }
  public void setWidthInfo(int widthInfo) {
this.widthInfo = widthInfo;
//資料改變後，setChanged()必須被調用，否則notifyObservers()方法會不起作用
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 {
…………..
    //觀察的資料
   int widthInfo=0;
   int heightInfo=0;
//在update()方法中實現對資料的更新和其它必要的反應。
  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中註冊Observer，將兩者聯絡在一起
frame.registerObserver(frame2);
…………..
frame.setVisible(true);
frame2.setVisible(true);
    ……………..
    }
}

我認為在JDK中這個Observer模式的實現，對於一般的Observer模式的應用，已經是非常的足夠了的。但是一方面它用一個類來實現了Subject，另一方面它使用Vector來儲存Subject對於Observer的引用，這雖然簡化了編程的過程，但會限制它在一些需要更為靈活，複雜的設計中的應用，有時候（雖然這種情況不多），我們還不得不重新編寫新的Subject對象和額外的Manager對象來實現更為複雜的Observer模式的應用。

小結：

這一部分主要的討論了模式的概念。隨著現代軟體工業的不斷進步，軟體系統的規模的日益擴大，越來越需要對某些個不斷出現的問題進行模式化思維，以成功的經驗或者失敗的教訓來減少軟體開發失敗的風險。模式代表了一種文檔化的經驗，它為某一類的問題提供了最好（或者說很好）的解決方案，使得即使不是經驗豐富的軟體工程師，也能夠根據模式來構建相對成功的系統。本節給出的一個Obverser模式的樣本，比較好的說明了這一點。Obverser模式主要解決在對象間的狀態映射或者鏡像的問題。

參考資料

• Software Patterns: James O. Coplien, Bell Laboratories,The Hillside Group

• 設計模式：可複用物件導向軟體的基礎 機械工業出版社
• Java2類庫增補版 機械工業出版社
• 可視化物件導向建模技術 北京航天航空工業大學出版社
• JDK1.3原始碼
• UML使用者指南 機械工業出版社

關於作者

		劉武東：武漢大學電腦學院2001級研究生。研究方向：可重用組件技術，設計模式。