Beobachterentwurfsmuster

Mit dem Entwurfsmuster "Beobachter" kann sich ein Abonnent bei einem Anbieter registrieren und Benachrichtigungen von diesem empfangen. Es ist für jedes Szenario geeignet, das pushbasierte Benachrichtigungen erfordert. Das Muster definiert einen Anbieter (auch als Antragssteller oder Observable bezeichnet) und keinen, einen oder mehrere Beobachter. Beobachter registrieren sich beim Anbieter, und sobald eine vordefinierte Bedingung, ein Ereignis oder eine Statusänderung stattfindet, benachrichtigt der Anbieter automatisch alle Beobachter, indem er einen Delegaten aufruft. In diesem Methodenaufruf kann der Anbieter den Beobachtern auch aktuelle Statusinformationen bereitstellen. In .NET wird das Beobachterentwurfsmuster angewendet, indem die generischen Schnittstellen System.IObservable<T> und System.IObserver<T> implementiert werden. Der generische Typparameter stellt den Typ dar, der Benachrichtigungsinformationen bereitstellt.

Anwendungsfälle für das Muster

Das Entwurfsmuster "Beobachter" ist für verteilte pushbasierte Benachrichtigungen geeignet, da es eine saubere Trennung zwischen zwei verschiedenen Komponenten bzw. Anwendungsebenen erlaubt, z. B. zwischen einer Datenquellenebene (Geschäftslogik) und einer Benutzeroberflächenebene (Anzeige). Das Muster kann immer dann implementiert werden, wenn ein Anbieter Rückrufe verwendet, um seinen Clients aktuelle Informationen bereitzustellen.

Für eine Implementierung des Musters werden folgende Informationen benötigt:

• Ein Anbieter oder Antragsteller, der das Objekt darstellt, das Benachrichtigungen an die Beobachter sendet. Ein Anbieter ist eine Klasse oder eine Struktur, die die IObservable<T>-Schnittstelle implementiert. Der Anbieter muss eine einzelne IObservable<T>.Subscribe-Methode implementieren, die von Beobachtern aufgerufen wird, die Benachrichtigungen vom Anbieter erhalten möchten.

• Ein Beobachter, bei dem es sich um ein Objekt handelt, das Benachrichtigungen von einem Anbieter empfängt. Ein Beobachter ist eine Klasse oder eine Struktur, die die IObserver<T>-Schnittstelle implementiert. Der Beobachter muss drei Methoden implementieren, die alle vom Anbieter aufgerufen werden:

  • IObserver<T>.OnNext, die dem Beobachter neue oder aktuelle Informationen bereitstellt.
  • IObserver<T>.OnError, die den Beobachter informiert, dass ein Fehler aufgetreten ist.
  • IObserver<T>.OnCompleted, die angibt, dass der Anbieter das Senden von Benachrichtigungen abgeschlossen hat.

• Ein Mechanismus, mit dem der Anbieter Beobachter verwalten kann. In der Regel verwendet der Anbieter ein Containerobjekt, z. B. ein System.Collections.Generic.List<T>-Objekt, um Verweise auf die IObserver<T>-Implementierungen zu speichern, die Benachrichtigungen abonniert haben. Durch das Verwenden eines Speichercontainers zu diesem Zweck kann der Anbieter eine beliebige Anzahl von Beobachtern behandeln. Die Reihenfolge, in der Beobachter Benachrichtigungen empfangen, ist nicht definiert. Der Anbieter kann die Methode zum Bestimmen der Reihenfolge frei wählen.

• Eine IDisposable-Implementierung, die es dem Anbieter ermöglicht, Beobachter zu entfernen, wenn die Benachrichtigungen abgeschlossen wurden. Beobachter erhalten einen Verweis auf die IDisposable-Implementierung der Subscribe-Methode, sodass sie die IDisposable.Dispose-Methode ebenfalls aufrufen können, um das Abonnement zu kündigen, bevor der Anbieter das Senden von Benachrichtigungen abgeschlossen hat.

• Ein Objekt, das die Daten enthält, die vom Anbieter an die Beobachter gesendet werden. Der Typ des Objekts entspricht dem generischen Typparameter der Schnittstellen IObservable<T> und IObserver<T>. Obwohl dieses Objekt vom selben Typ sein kann wie die IObservable<T>-Implementierung, handelt es sich in den meisten Fällen um einen separaten Typ.

Implementieren des Musters

Im folgenden Beispiel wird das Entwurfsmuster "Beobachter" verwendet, um ein Informationssystem für die Flughafengepäckausgabe zu implementieren. Eine BaggageInfo-Klasse stellt Informationen über ankommende Flüge und über die Laufbänder bereit, von denen das Gepäck der einzelnen Flüge abgeholt werden kann. Dies wird im folgenden Beispiel gezeigt.

namespace Observables.Example;

public readonly record struct BaggageInfo(
    int FlightNumber,
    string From,
    int Carousel);

Public Class BaggageInfo
    Private flightNo As Integer
    Private origin As String
    Private location As Integer

    Friend Sub New(ByVal flight As Integer, ByVal from As String, ByVal carousel As Integer)
        Me.flightNo = flight
        Me.origin = from
        Me.location = carousel
    End Sub

    Public ReadOnly Property FlightNumber As Integer
        Get
            Return Me.flightNo
        End Get
    End Property

    Public ReadOnly Property From As String
        Get
            Return Me.origin
        End Get
    End Property

    Public ReadOnly Property Carousel As Integer
        Get
            Return Me.location
        End Get
    End Property
End Class

Eine BaggageHandler-Klasse ist für den Empfang von Informationen über ankommende Flüge und die Gepäckausgabebänder verantwortlich. Intern werden zwei Auflistungen verwaltet:

• _observers: Eine Sammlung von Clients, die aktualisierte Informationen beobachten
• _flights: Eine Sammlung der Flüge und zugewiesenen Gepäckförderbänder

Der Quellcode für die BaggageHandler-Klasse wird im folgenden Beispiel gezeigt.

namespace Observables.Example;

public sealed class BaggageHandler : IObservable<BaggageInfo>
{
    private readonly HashSet<IObserver<BaggageInfo>> _observers = new();
    private readonly HashSet<BaggageInfo> _flights = new();

    public IDisposable Subscribe(IObserver<BaggageInfo> observer)
    {
        // Check whether observer is already registered. If not, add it.
        if (_observers.Add(observer))
        {
            // Provide observer with existing data.
            foreach (BaggageInfo item in _flights)
            {
                observer.OnNext(item);
            }
        }

        return new Unsubscriber<BaggageInfo>(_observers, observer);
    }

    // Called to indicate all baggage is now unloaded.
    public void BaggageStatus(int flightNumber) =>
        BaggageStatus(flightNumber, string.Empty, 0);

    public void BaggageStatus(int flightNumber, string from, int carousel)
    {
        var info = new BaggageInfo(flightNumber, from, carousel);

        // Carousel is assigned, so add new info object to list.
        if (carousel > 0 && _flights.Add(info))
        {
            foreach (IObserver<BaggageInfo> observer in _observers)
            {
                observer.OnNext(info);
            }
        }
        else if (carousel is 0)
        {
            // Baggage claim for flight is done.
            if (_flights.RemoveWhere(
                flight => flight.FlightNumber == info.FlightNumber) > 0)
            {
                foreach (IObserver<BaggageInfo> observer in _observers)
                {
                    observer.OnNext(info);
                }
            }
        }
    }

    public void LastBaggageClaimed()
    {
        foreach (IObserver<BaggageInfo> observer in _observers)
        {
            observer.OnCompleted();
        }

        _observers.Clear();
    }
}

Public Class BaggageHandler : Implements IObservable(Of BaggageInfo)

    Private observers As List(Of IObserver(Of BaggageInfo))
    Private flights As List(Of BaggageInfo)

    Public Sub New()
        observers = New List(Of IObserver(Of BaggageInfo))
        flights = New List(Of BaggageInfo)
    End Sub

    Public Function Subscribe(ByVal observer As IObserver(Of BaggageInfo)) As IDisposable _
                    Implements IObservable(Of BaggageInfo).Subscribe
        ' Check whether observer is already registered. If not, add it
        If Not observers.Contains(observer) Then
            observers.Add(observer)
            ' Provide observer with existing data.
            For Each item In flights
                observer.OnNext(item)
            Next
        End If
        Return New Unsubscriber(Of BaggageInfo)(observers, observer)
    End Function

    ' Called to indicate all baggage is now unloaded.
    Public Sub BaggageStatus(ByVal flightNo As Integer)
        BaggageStatus(flightNo, String.Empty, 0)
    End Sub

    Public Sub BaggageStatus(ByVal flightNo As Integer, ByVal from As String, ByVal carousel As Integer)
        Dim info As New BaggageInfo(flightNo, from, carousel)

        ' Carousel is assigned, so add new info object to list.
        If carousel > 0 And Not flights.Contains(info) Then
            flights.Add(info)
            For Each observer In observers
                observer.OnNext(info)
            Next
        ElseIf carousel = 0 Then
            ' Baggage claim for flight is done
            Dim flightsToRemove As New List(Of BaggageInfo)
            For Each flight In flights
                If info.FlightNumber = flight.FlightNumber Then
                    flightsToRemove.Add(flight)
                    For Each observer In observers
                        observer.OnNext(info)
                    Next
                End If
            Next
            For Each flightToRemove In flightsToRemove
                flights.Remove(flightToRemove)
            Next
            flightsToRemove.Clear()
        End If
    End Sub

    Public Sub LastBaggageClaimed()
        For Each observer In observers
            observer.OnCompleted()
        Next
        observers.Clear()
    End Sub
End Class

Clients, die aktualisierte Informationen erhalten möchten, rufen die BaggageHandler.Subscribe-Methode auf. Wenn sich der Client zuvor noch nicht für Benachrichtigungen registriert hat, wird der _observers-Sammlung ein Verweis auf die IObserver<T>-Implementierung des Clients hinzugefügt.

Die überladene BaggageHandler.BaggageStatus-Methode kann aufgerufen werden, um anzugeben, dass Gepäck aus einem Flug entweder entladen oder nicht mehr entladen wird. Im ersten Fall wird der Methode eine Flugnummer, der Flughafen, von dem der Flug gestartet ist, und das Laufband übergeben, auf dem das Gepäck entladen wird. Im zweiten Fall wird der Methode nur eine Flugnummer übergeben. Für Gepäck, das entladen wird, überprüft die Methode, ob die BaggageInfo-Informationen, die an die Methode übergeben wurden, in der _flights-Auflistung vorhanden sind. Ist dies nicht der Fall, fügt die Methode die Informationen hinzu und ruft die OnNext-Methode aller Beobachter auf. Für Flüge, deren Gepäck nicht mehr entladen wird, überprüft die Methode, ob Informationen zu diesem Flug in der _flights-Auflistung gespeichert sind. Wenn dies der Fall ist, ruft die Methode die OnNext-Methode jedes Beobachters auf und entfernt das BaggageInfo-Objekt aus der _flights-Auflistung.

Wenn der letzte Flug des Tages gelandet ist und sein Gepäck verarbeitet wurde, wird die BaggageHandler.LastBaggageClaimed-Methode aufgerufen. Diese Methode ruft die OnCompleted-Methode jedes Beobachters auf, um anzuzeigen, dass alle Benachrichtigungen abgeschlossen wurden, und löscht dann die _observers-Auflistung.

Die Subscribe-Methode des Anbieters gibt eine IDisposable-Implementierung zurück, mit der die Beobachter den Empfang von Benachrichtigungen beenden können, bevor die OnCompleted-Methode aufgerufen wird. Der Quellcode für die Unsubscriber(Of BaggageInfo)-Klasse wird im folgenden Beispiel gezeigt. Wenn die Klasse in der BaggageHandler.Subscribe-Methode instanziiert wird, werden ein Verweis auf die _observers-Sammlung und ein Verweis auf den Beobachter übergeben, der der Sammlung hinzugefügt wird. Diese Verweise werden lokalen Variablen zugewiesen. Wenn die Dispose-Methode des Objekts aufgerufen wird, überprüft sie, ob der Beobachter noch in der _observers-Auflistung vorhanden ist, und entfernt in diesem Fall den Beobachter.

namespace Observables.Example;

internal sealed class Unsubscriber<BaggageInfo> : IDisposable
{
    private readonly ISet<IObserver<BaggageInfo>> _observers;
    private readonly IObserver<BaggageInfo> _observer;

    internal Unsubscriber(
        ISet<IObserver<BaggageInfo>> observers,
        IObserver<BaggageInfo> observer) => (_observers, _observer) = (observers, observer);

    public void Dispose() => _observers.Remove(_observer);
}

Friend Class Unsubscriber(Of BaggageInfo) : Implements IDisposable
    Private _observers As List(Of IObserver(Of BaggageInfo))
    Private _observer As IObserver(Of BaggageInfo)

    Friend Sub New(ByVal observers As List(Of IObserver(Of BaggageInfo)), ByVal observer As IObserver(Of BaggageInfo))
        Me._observers = observers
        Me._observer = observer
    End Sub

    Public Sub Dispose() Implements IDisposable.Dispose
        If _observers.Contains(_observer) Then
            _observers.Remove(_observer)
        End If
    End Sub
End Class

Im folgenden Beispiel wird eine IObserver<T>-Implementierung mit dem Namen ArrivalsMonitor gezeigt. Dies ist eine Basisklasse, die Informationen für die Gepäckausgabe anzeigt. Die Informationen werden alphabetisch nach dem Namen der Stadt sortiert, aus der der Flug kam. Die Methoden von ArrivalsMonitor werden als overridable (Visual Basic) bzw. als virtual (C#) gekennzeichnet, damit sie alle in einer abgeleitete Klasse überschrieben werden können.

namespace Observables.Example;

public class ArrivalsMonitor : IObserver<BaggageInfo>
{
    private readonly string _name;
    private readonly List<string> _flights = new();
    private readonly string _format = "{0,-20} {1,5}  {2, 3}";
    private IDisposable? _cancellation;    

    public ArrivalsMonitor(string name)
    {
        ArgumentException.ThrowIfNullOrEmpty(name);
        _name = name;
    }

    public virtual void Subscribe(BaggageHandler provider) =>
        _cancellation = provider.Subscribe(this);

    public virtual void Unsubscribe()
    {
        _cancellation?.Dispose();
        _flights.Clear();
    }

    public virtual void OnCompleted() => _flights.Clear();

    // No implementation needed: Method is not called by the BaggageHandler class.
    public virtual void OnError(Exception e)
    {
        // No implementation.
    }

    // Update information.
    public virtual void OnNext(BaggageInfo info)
    {
        bool updated = false;

        // Flight has unloaded its baggage; remove from the monitor.
        if (info.Carousel is 0)
        {
            string flightNumber = string.Format("{0,5}", info.FlightNumber);
            for (int index = _flights.Count - 1; index >= 0; index--)
            {
                string flightInfo = _flights[index];
                if (flightInfo.Substring(21, 5).Equals(flightNumber))
                {
                    updated = true;
                    _flights.RemoveAt(index);
                }
            }
        }
        else
        {
            // Add flight if it doesn't exist in the collection.
            string flightInfo = string.Format(_format, info.From, info.FlightNumber, info.Carousel);
            if (_flights.Contains(flightInfo) is false)
            {
                _flights.Add(flightInfo);
                updated = true;
            }
        }

        if (updated)
        {
            _flights.Sort();
            Console.WriteLine($"Arrivals information from {_name}");
            foreach (string flightInfo in _flights)
            {
                Console.WriteLine(flightInfo);
            }

            Console.WriteLine();
        }
    }
}

Public Class ArrivalsMonitor : Implements IObserver(Of BaggageInfo)
    Private name As String
    Private flightInfos As New List(Of String)
    Private cancellation As IDisposable
    Private fmt As String = "{0,-20} {1,5}  {2, 3}"

    Public Sub New(ByVal name As String)
        If String.IsNullOrEmpty(name) Then Throw New ArgumentNullException("The observer must be assigned a name.")

        Me.name = name
    End Sub

    Public Overridable Sub Subscribe(ByVal provider As BaggageHandler)
        cancellation = provider.Subscribe(Me)
    End Sub

    Public Overridable Sub Unsubscribe()
        cancellation.Dispose()
        flightInfos.Clear()
    End Sub

    Public Overridable Sub OnCompleted() Implements System.IObserver(Of BaggageInfo).OnCompleted
        flightInfos.Clear()
    End Sub

    ' No implementation needed: Method is not called by the BaggageHandler class.
    Public Overridable Sub OnError(ByVal e As System.Exception) Implements System.IObserver(Of BaggageInfo).OnError
        ' No implementation.
    End Sub

    ' Update information.
    Public Overridable Sub OnNext(ByVal info As BaggageInfo) Implements System.IObserver(Of BaggageInfo).OnNext
        Dim updated As Boolean = False

        ' Flight has unloaded its baggage; remove from the monitor.
        If info.Carousel = 0 Then
            Dim flightsToRemove As New List(Of String)
            Dim flightNo As String = String.Format("{0,5}", info.FlightNumber)
            For Each flightInfo In flightInfos
                If flightInfo.Substring(21, 5).Equals(flightNo) Then
                    flightsToRemove.Add(flightInfo)
                    updated = True
                End If
            Next
            For Each flightToRemove In flightsToRemove
                flightInfos.Remove(flightToRemove)
            Next
            flightsToRemove.Clear()
        Else
            ' Add flight if it does not exist in the collection.
            Dim flightInfo As String = String.Format(fmt, info.From, info.FlightNumber, info.Carousel)
            If Not flightInfos.Contains(flightInfo) Then
                flightInfos.Add(flightInfo)
                updated = True
            End If
        End If
        If updated Then
            flightInfos.Sort()
            Console.WriteLine("Arrivals information from {0}", Me.name)
            For Each flightInfo In flightInfos
                Console.WriteLine(flightInfo)
            Next
            Console.WriteLine()
        End If
    End Sub
End Class

DieArrivalsMonitor-Klasse beinhaltet die Subscribe-Methode und die Unsubscribe-Methode. Mit der Subscribe-Methode kann die Klasse die IDisposable-Implementierung, die beim Aufruf von Subscribe zurückgegeben wurde, in einer privaten Variablen speichern. Mit der Unsubscribe-Methode kann die Klasse den Empfang von Benachrichtigungen kündigen, indem die Dispose-Implementierung des Anbieters aufgerufen wird. ArrivalsMonitor stellt ebenfalls Implementierungen der Methoden OnNext, OnError und OnCompleted bereit. Nur die OnNext-Implementierung enthält eine signifikante Menge an Code. Die Methode arbeitet mit einem privaten, sortierten, generischen List<T>-Objekt, in dem Informationen über die Herkunftsflugplätze der ankommenden Flüge und über die Laufbänder verwaltet werden, auf denen das Gepäck bereitgestellt wird. Wenn die BaggageHandler-Klasse einen neuen ankommenden Flug meldet, fügt die OnNext-Methodenimplementierung der Liste Informationen über diesen Flug hinzu. Wenn die BaggageHandler-Klasse meldet, dass das Gepäck des Fluges entladen wurde, entfernt die OnNext-Methode diesen Flug aus der Liste. Bei jeder Änderung wird die Liste sortiert und an der Konsole angezeigt.

Das folgende Beispiel enthält den Einstiegspunkt der Anwendung, die die BaggageHandler-Klasse und zwei Instanzen der ArrivalsMonitor-Klasse instanziiert und die BaggageHandler.BaggageStatus-Methode verwendet, um Informationen über ankommende Flüge hinzuzufügen und zu entfernen. In jedem Fall empfangen die Beobachter Updates und zeigen ordnungsgemäß Informationen zur Gepäckausgabe an.

using Observables.Example;

BaggageHandler provider = new();
ArrivalsMonitor observer1 = new("BaggageClaimMonitor1");
ArrivalsMonitor observer2 = new("SecurityExit");

provider.BaggageStatus(712, "Detroit", 3);
observer1.Subscribe(provider);

provider.BaggageStatus(712, "Kalamazoo", 3);
provider.BaggageStatus(400, "New York-Kennedy", 1);
provider.BaggageStatus(712, "Detroit", 3);
observer2.Subscribe(provider);

provider.BaggageStatus(511, "San Francisco", 2);
provider.BaggageStatus(712);
observer2.Unsubscribe();

provider.BaggageStatus(400);
provider.LastBaggageClaimed();

// Sample output:
//   Arrivals information from BaggageClaimMonitor1
//   Detroit                712    3
//   
//   Arrivals information from BaggageClaimMonitor1
//   Detroit                712    3
//   Kalamazoo              712    3
//   
//   Arrivals information from BaggageClaimMonitor1
//   Detroit                712    3
//   Kalamazoo              712    3
//   New York-Kennedy       400    1
//   
//   Arrivals information from SecurityExit
//   Detroit                712    3
//   
//   Arrivals information from SecurityExit
//   Detroit                712    3
//   Kalamazoo              712    3
//   
//   Arrivals information from SecurityExit
//   Detroit                712    3
//   Kalamazoo              712    3
//   New York-Kennedy       400    1
//   
//   Arrivals information from BaggageClaimMonitor1
//   Detroit                712    3
//   Kalamazoo              712    3
//   New York-Kennedy       400    1
//   San Francisco          511    2
//   
//   Arrivals information from SecurityExit
//   Detroit                712    3
//   Kalamazoo              712    3
//   New York-Kennedy       400    1
//   San Francisco          511    2
//   
//   Arrivals information from BaggageClaimMonitor1
//   New York-Kennedy       400    1
//   San Francisco          511    2
//   
//   Arrivals information from SecurityExit
//   New York-Kennedy       400    1
//   San Francisco          511    2
//   
//   Arrivals information from BaggageClaimMonitor1
//   San Francisco          511    2

Module Example
    Public Sub Main()
        Dim provider As New BaggageHandler()
        Dim observer1 As New ArrivalsMonitor("BaggageClaimMonitor1")
        Dim observer2 As New ArrivalsMonitor("SecurityExit")

        provider.BaggageStatus(712, "Detroit", 3)
        observer1.Subscribe(provider)
        provider.BaggageStatus(712, "Kalamazoo", 3)
        provider.BaggageStatus(400, "New York-Kennedy", 1)
        provider.BaggageStatus(712, "Detroit", 3)
        observer2.Subscribe(provider)
        provider.BaggageStatus(511, "San Francisco", 2)
        provider.BaggageStatus(712)
        observer2.Unsubscribe()
        provider.BaggageStatus(400)
        provider.LastBaggageClaimed()
    End Sub
End Module
' The example displays the following output:
'      Arrivals information from BaggageClaimMonitor1
'      Detroit                712    3
'
'      Arrivals information from BaggageClaimMonitor1
'      Detroit                712    3
'      Kalamazoo              712    3
'
'      Arrivals information from BaggageClaimMonitor1
'      Detroit                712    3
'      Kalamazoo              712    3
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