嵌入式编程模型 | 观察者模式 - 极术社区 - 连接开发者与智能计算生态

大家好，我是杂烩君。

本次我们分享的是嵌入式中常用的一种思想 / 编程模型——观察者模式。

观察者模式概述

观察者模式（Observer Pattern）是一种行为设计模式，其核心在于建立对象间的动态订阅-通知机制。

它定义了对象之间的一对多依赖关系，当一个对象（被观察对象，也称为主题）的状态发生变化时，所有依赖它的对象（观察者）都会收到通知并自动更新。

在嵌入式系统中，观察者模式广泛应用于解耦事件发布者与订阅者，特别适合的应用场景：

处理传感器数据更新
硬件状态变化
多模块协作

嵌入式应用场景

1.传感器数据分发

多个模块（如显示、存储、报警）需要实时获取传感器数据变化，观察者模式可将传感器作为主题（Subject），各模块作为观察者（Observer），实现数据更新时的自动通知。

类图：

主题类（SensorSubject）：

包含观察者列表（observers 数组）
维护当前传感器值（sensor_value）
提供 attach 和 set_value 两个关键方法

观察者接口（ObserverCallback）：

定义统一的 update 接口
对应代码中的函数指针类型

具体观察者类：

DisplayObserver：处理显示更新
LoggerObserver：处理日志记录
AlarmObserver：处理阈值报警

代码：

#include<stdio.h>

#define OBSERVER_MAX_NUM  5

// 观察者回调函数类型
typedefvoid(*ObserverCallback)(int value);

// 主题（被观察者）
typedefstruct
{
    ObserverCallback observers[OBSERVER_MAX_NUM];
    int count;
    int sensor_value;
} SensorSubject;

// 附加观察者到主题
voidsensor_attach(SensorSubject* subject, ObserverCallback callback)
{
    if (!subject || !callback) 
    {
        printf("Invalid parameters!\n");
        return;
    }

    if (subject->count >= OBSERVER_MAX_NUM) 
    {
        printf("Observers full!\n");
        return;
    }

    subject->observers[subject->count++] = callback;
}

// 更新传感器值并通知观察者
voidsensor_set_value(SensorSubject* subject, int value)
{
    if (!subject) 
    {
        printf("Invalid parameters!\n");
        return;
    }

    subject->sensor_value = value;
    
    // 遍历所有观察者进行通知
    for (int i = 0; i < subject->count; ++i) 
    {
        if (subject->observers[i]) 
        {
            subject->observers[i](subject->sensor_value);
        }
    }
}

// 观察者1：显示模块
voiddisplay_update(int value)
{
    printf("[Display] Value: %d\n", value);
}

// 观察者2：日志模块回
voidlogger_update(int value)
{
    printf("[Logger] Value: %d\n", value);
}

// 观察者3：报警模块
voidalarm_update(int value)
{
    if (value > 100) 
    {
        printf("[Alarm] Value %d exceeds limit!\n", value);
    }
}

intmain(void)
{
    // 初始化传感器主题
    SensorSubject sensor = 
    {
        .observers = {0},
        .count = 0,
        .sensor_value = 0
    };

    // 注册观察者
    sensor_attach(&sensor, display_update);
    sensor_attach(&sensor, logger_update);
    sensor_attach(&sensor, alarm_update);

    // 模拟传感器数据更新
    sensor_set_value(&sensor, 25);
    sensor_set_value(&sensor, 120);

    return0;
}

这个例子允许对象（显示、日志、报警模块）订阅另一个对象（传感器），当主题状态变化时自动通知所有观察者。

注意：这个例子只是为了解释观察者模式的基本思想，在单线程环境下基本实现了观察者模式的核心功能。若需要模仿应用于实际应用，需要增加线程安全机制、动态内存管理、更完善的错误处理等。

2.Zephyr 传感器子系统

在 Zephyr 中，传感器子系统使用了类似观察者模式的机制。传感器驱动作为主题，当传感器数据更新时，会触发相应的事件。

而应用程序可以注册为观察者，监听这些事件并在数据更新时进行处理。

#include<zephyr.h>
#include<device.h>
#include<devicetree.h>
#include<drivers/sensor.h>

// 传感器事件处理函数，作为观察者的更新方法
staticvoidsensor_callback(const struct device *dev, struct sensor_trigger *trig)
{
    structsensor_valuetemp;

    if (sensor_sample_fetch(dev) < 0) {
        return;
    }
    if (sensor_channel_get(dev, SENSOR_CHAN_AMBIENT_TEMP, &temp) < 0) {
        return;
    }
    // 处理传感器数据
    printk("Temperature: %d.%06d\n", temp.val1, temp.val2);
}

voidmain(void)
{
    conststructdevice *dev = device_get_binding(DT_LABEL(DT_INST(0, st_stts751)));
    if (dev == NULL) {
        return;
    }

    structsensor_triggertrig = {
       .type = SENSOR_TRIG_DATA_READY,
       .chan = SENSOR_CHAN_AMBIENT_TEMP
    };

    // 注册传感器事件回调，相当于注册观察者
    if (sensor_trigger_set(dev, &trig, sensor_callback) < 0) {
        return;
    }

    while (1) {
        k_sleep(K_MSEC(100));
    }
}

往期相关文章：Zephyr 会成为物联网时代 RTOS 的佼佼者？

3.任务间通信和同步机制

在 RTOS 中，任务之间的通信和同步机制可以类比为观察者模式。

EventGroupHandle_t xEventGroup;

// 创建事件组
xEventGroup = xEventGroupCreate();

// 任务 1 作为主题设置事件
voidvTask1( void *pvParameters )
{
    while(1)
    {
        // 设置事件位
        xEventGroupSetBits( xEventGroup, 0x01 );
        vTaskDelay( pdMS_TO_TICKS( 1000 ) );
    }
}

// 任务 2 作为观察者等待事件
voidvTask2( void *pvParameters )
{
    EventBits_t uxBits;
    while(1)
    {
        // 等待事件位
        uxBits = xEventGroupWaitBits(
            xEventGroup,   // 事件组句柄
            0x01,          // 等待的事件位
            pdTRUE,        // 退出时清除事件位
            pdFALSE,       // 不需要所有位都设置
            portMAX_DELAY  // 无限期等待
        );
        // 处理事件
        if( ( uxBits & 0x01 ) != 0 )
        {
            // 执行相应操作
        }
    }
}

事件组（Event Group）就可以看作是一个主题，而等待这些事件的任务则可以看作是观察者。

当事件组中的某个事件被设置（状态改变）时，等待该事件的任务会被唤醒并执行相应的操作，就如同观察者接收到主题的通知后进行更新一样。

往期相关文章：嵌入式事件标志组