在嵌入式系统中,模块间的高耦合和轮询机制往往带来资源浪费与响应延迟。观察者模式通过“发布-订阅”机制,能够以轻量级方式实现模块解耦与事件驱动。本文结合传感器更新、系统状态变化等典型场景,对比事件通知机制,并给出C语言代码实现,帮助开发者高效应用观察者模式。
目录
为啥要使用观察者模式
场景举例
观察者模式在嵌入式中的核心优点
观察者模式和事件通知对比
观察者模式代码实现
1 为啥要使用观察者模式
为了解决嵌入式系统中常见的模块解耦、事件驱动、低功耗响应 等核心问题。虽然 C 语言没有类和继承,但通过函数指针和结构体,完全可以轻量级实现观察者模式
2 场景举例
传感器数据更新
温度传感器每 500ms 采样一次
多个模块关心这个值:LCD 显示、日志记录、云端上报、过温告警
若每个模块都轮询读取 → 浪费 CPU、代码耦合高
用观察者模式:传感器“发布”数据,各模块“订阅” →事件驱动、按需响应
系统状态变化通知
网络连接状态(断开/重连)
电池电量低
OTA 升级完成
多个业务模块需做出反应(如 UI 刷新、保存上下文、关闭外设)
硬件中断与业务逻辑分离
按键中断触发 → 不能在 ISR 中做复杂处理
通过观察者通知应用层任务 →安全、可扩展
3 观察者模式在嵌入式中的核心优点

4 观察者模式和事件通知对比
4.1 功能特性对比

4.2 使用场景分析
4.2.1 观察者模式适用场景
// 1. 传感器数据变化通知多个处理模块sensor_subject.notify(sensor_data);// 2. 系统状态变化广播system_state_subject.notify(new_state);// 3. 配置参数更新通知config_subject.notify(changed_params);
4.2.2 事件通知适用场景
// 1. 线程间同步等待特定条件rt_event_recv(event, EVENT_DATA_READY, RT_EVENT_FLAG_AND, timeout, &recved);// 2. 多个事件源的组合条件等待rt_event_recv(event, EVENT_A | EVENT_B, RT_EVENT_FLAG_OR, timeout, &recved);// 3. 异步任务完成通知rt_event_send(task_event, TASK_COMPLETED);
4.3 性能特点对比
观察者模式优势:
即时通知:无需等待,直接回调执行
数据丰富:可传递复杂数据结构指针
解耦性好:观察者与被观察者松耦合
扩展性强:易于添加新的观察者类型
事件通知优势:
标准IPC:符合RT-Thread IPC规范
阻塞等待:支持超时和非阻塞模式
条件组合:AND/OR逻辑组合等待
系统集成:与其他IPC机制统一管理
4.4 选择建议
选择观察者模式当:
需要立即响应状态变化
要传递复杂的数据结构
构建松耦合的组件架构
实现发布-订阅模式
选择事件通知当:
需要线程间同步等待
要求阻塞或超时机制
处理多种事件源的组合条件
利用RT-Thread标准IPC机制
5 观察者模式代码实现
observer.c
/*** @file observer.c* @brief 观察者模式实现文件* @author* @version 1.0* @date 2026-02-10** 基于RT-Thread rt_list实现的观察者模式具体实现*/#include"observer.h"#defineDBG_TAG "OBSERVER"#defineDBG_LVL DBG_INFO#include/*** @brief 初始化被观察者*/rt_err_tsubject_init(subject_t*subject){ RT_ASSERT(subject != RT_NULL); /* 初始化观察者链表 */ rt_list_init(&subject->observer_list); /* 运行时初始化自旋锁 */ rt_spin_lock_init(&subject->lock); LOG_D("Subject initialized"); returnRT_EOK;}/*** @brief 添加观察者*/rt_err_tsubject_add_observer(subject_t*subject,observer_t*observer){ rt_base_tlevel; RT_ASSERT(subject != RT_NULL); RT_ASSERT(observer != RT_NULL); RT_ASSERT(observer->update != RT_NULL); /* 关闭中断并获取自旋锁 */ level =rt_spin_lock_irqsave(&subject->lock); /* 检查观察者是否已经存在 */ rt_list_t*node; rt_list_for_each(node, &subject->observer_list) { observer_t*existing_observer =rt_list_entry(node,observer_t, list); if(existing_observer == observer) { rt_spin_unlock_irqrestore(&subject->lock, level); LOG_W("Observer already exists"); return-RT_ERROR; } } /* 添加观察者到链表尾部 */ rt_list_insert_before(&subject->observer_list, &observer->list); /* 恢复中断并释放自旋锁 */ rt_spin_unlock_irqrestore(&subject->lock, level); LOG_D("Observer added"); returnRT_EOK;}/*** @brief 移除观察者*/rt_err_tsubject_remove_observer(subject_t*subject,observer_t*observer){ rt_base_tlevel; rt_err_tresult = -RT_ERROR; RT_ASSERT(subject != RT_NULL); RT_ASSERT(observer != RT_NULL); /* 关闭中断并获取自旋锁 */ level =rt_spin_lock_irqsave(&subject->lock); /* 在链表中查找并移除观察者 */ rt_list_t*node, *temp; rt_list_for_each_safe(node, temp, &subject->observer_list) { observer_t*existing_observer =rt_list_entry(node,observer_t, list); if(existing_observer == observer) { rt_list_remove(node); result = RT_EOK; break; } } /* 恢复中断并释放自旋锁 */ rt_spin_unlock_irqrestore(&subject->lock, level); if(result == RT_EOK) { LOG_D("Observer removed"); } else { LOG_W("Observer not found"); } returnresult;}/*** @brief 通知所有观察者*/voidsubject_notify(subject_t*subject,void*data){ rt_base_tlevel; RT_ASSERT(subject != RT_NULL); /* 关闭中断并获取自旋锁 */ level =rt_spin_lock_irqsave(&subject->lock); /* 遍历所有观察者并调用更新函数 */ rt_list_t*node, *temp; rt_list_for_each_safe(node, temp, &subject->observer_list) { observer_t*observer =rt_list_entry(node,observer_t, list); if(observer->update != RT_NULL) { /* 恢复中断后再调用回调函数,避免在中断上下文中执行用户代码 */ rt_spin_unlock_irqrestore(&subject->lock, level); observer->update(observer, subject, data); level =rt_spin_lock_irqsave(&subject->lock); } } /* 恢复中断并释放自旋锁 */ rt_spin_unlock_irqrestore(&subject->lock, level); LOG_D("All observers notified");}/*** @brief 初始化观察者*/rt_err_tobserver_init(observer_t*observer,observer_update_func_tupdate,void*user_data){ RT_ASSERT(observer != RT_NULL); RT_ASSERT(update != RT_NULL); /* 初始化链表节点 */ rt_list_init(&observer->list); /* 设置回调函数和用户数据 */ observer->update = update; observer->user_data = user_data; LOG_D("Observer initialized"); returnRT_EOK;}/*** @brief 获取观察者数量*/intsubject_get_observer_count(subject_t*subject){ rt_base_tlevel; intcount =0; RT_ASSERT(subject != RT_NULL); /* 关闭中断并获取自旋锁 */ level =rt_spin_lock_irqsave(&subject->lock); /* 统计观察者数量 */ rt_list_t*node; rt_list_for_each(node, &subject->observer_list) { count++; } /* 恢复中断并释放自旋锁 */ rt_spin_unlock_irqrestore(&subject->lock, level); returncount;}
observer.h
/***@fileobserver.h*@brief观察者模式头文件*@author*@version1.0*@date2026-02-10** 基于RT-Thread rt_list实现的观察者模式* 支持添加观察者、移除观察者、通知观察者等功能*/#ifndef __OBSERVER_H__#define __OBSERVER_H__#include#include#ifdef __cplusplusextern"C"{#endif/***@brief观察者更新回调函数类型**@paramobserver 观察者指针*@paramsubject 被观察者指针*@paramdata 传递的数据*/typedefvoid(*observer_update_func_t)(void*observer,void*subject,void*data);/***@brief观察者结构体*/typedefstructobserver{ rt_list_tlist; /**< 链表节点,用于串连观察者 */ observer_update_func_t update; /**< 更新回调函数 */ void *user_data; /**< 用户自定义数据 */} observer_t;/** * @brief 被观察者结构体 */typedefstructsubject{ rt_list_t observer_list; /**< 观察者链表头 */ structrt_spinlocklock; /**< 自旋锁,保护观察者链表 */} subject_t;/** * @brief 初始化被观察者 * * @param subject 被观察者对象指针 * @return rt_err_t RT_EOK表示成功,其他表示失败 */rt_err_tsubject_init(subject_t *subject);/** * @brief 添加观察者 * * @param subject 被观察者对象指针 * @param observer 观察者对象指针 * @return rt_err_t RT_EOK表示成功,其他表示失败 */rt_err_tsubject_add_observer(subject_t *subject, observer_t *observer);/** * @brief 移除观察者 * * @param subject 被观察者对象指针 * @param observer 观察者对象指针 * @return rt_err_t RT_EOK表示成功,其他表示失败 */rt_err_tsubject_remove_observer(subject_t *subject, observer_t *observer);/** * @brief 通知所有观察者 * * @param subject 被观察者对象指针 * @param data 传递给观察者的数据 */voidsubject_notify(subject_t *subject, void *data);/** * @brief 初始化观察者 * * @param observer 观察者对象指针 * @param update 更新回调函数 * @param user_data 用户自定义数据 * @return rt_err_t RT_EOK表示成功,其他表示失败 */rt_err_tobserver_init(observer_t *observer, observer_update_func_t update, void *user_data);/** * @brief 获取观察者数量 * * @param subject 被观察者对象指针 * @return int 观察者数量 */intsubject_get_observer_count(subject_t *subject);#ifdef __cplusplus}#endif#endif/* __OBSERVER_H__ */
observer_demo.c
/*** @file observer_example.c* @brief 观察者模式使用示例* @author* @version 1.0* @date 2026-02-10** 演示如何使用基于RT-Thread rt_list的观察者模式*/#include"observer.h"#include#defineDBG_TAG "OBS_EX"#defineDBG_LVL DBG_LOG#include/* 定义一个具体的数据结构作为被观察对象 */typedefstruct{ subject_tsubject; /* 继承被观察者 */ inttemperature; /* 温度数据 */ inthumidity; /* 湿度数据 */}sensor_data_t;/* 定义观察者类型 */typedefstruct{ observer_tobserver; /* 继承观察者 */ charname[32]; /* 观察者名称 */}sensor_observer_t;/* 观察者1的更新回调函数 */staticvoidtemperature_observer_update(void*observer,void*subject,void*data){ sensor_observer_t*temp_observer = (sensor_observer_t*)observer; sensor_data_t*sensor_data = (sensor_data_t*)subject; rt_kprintf("Temperature Observer [%s]: Temperature = %d°C, Humidity = %d%%\n", temp_observer->name, sensor_data->temperature, sensor_data->humidity);}/* 观察者2的更新回调函数 */staticvoidhumidity_observer_update(void*observer,void*subject,void*data){ sensor_observer_t*humi_observer = (sensor_observer_t*)observer; sensor_data_t*sensor_data = (sensor_data_t*)subject; rt_kprintf("Humidity Observer [%s]: Temperature = %d°C, Humidity = %d%%\n", humi_observer->name, sensor_data->temperature, sensor_data->humidity);}/* 观察者3的更新回调函数 */staticvoiddisplay_observer_update(void*observer,void*subject,void*data){ sensor_observer_t*display_observer = (sensor_observer_t*)observer; sensor_data_t*sensor_data = (sensor_data_t*)subject; rt_kprintf("Display Observer [%s]: Updating display with T=%d°C, H=%d%%\n", display_observer->name, sensor_data->temperature, sensor_data->humidity);}/* 测试函数 */staticvoidobserver_test(void){ /* 创建被观察者 */ sensor_data_tsensor_data; sensor_data.temperature =25; sensor_data.humidity =60; /* 初始化被观察者 */ if(subject_init(&sensor_data.subject) != RT_EOK) { LOG_E("Failed to initialize subject"); return; } /* 创建观察者 */ sensor_observer_ttemp_observer; sensor_observer_thumi_observer; sensor_observer_tdisplay_observer; /* 初始化观察者 */ rt_strncpy(temp_observer.name,"TempMonitor",sizeof(temp_observer.name)); if(observer_init(&temp_observer.observer, temperature_observer_update, RT_NULL) != RT_EOK) { LOG_E("Failed to initialize temperature observer"); return; } rt_strncpy(humi_observer.name,"HumiMonitor",sizeof(humi_observer.name)); if(observer_init(&humi_observer.observer, humidity_observer_update, RT_NULL) != RT_EOK) { LOG_E("Failed to initialize humidity observer"); return; } rt_strncpy(display_observer.name,"DisplayCtrl",sizeof(display_observer.name)); if(observer_init(&display_observer.observer, display_observer_update, RT_NULL) != RT_EOK) { LOG_E("Failed to initialize display observer"); return; } LOG_I("=== Observer Pattern Test Start ==="); /* 添加观察者 */ LOG_I("Adding observers..."); subject_add_observer(&sensor_data.subject, &temp_observer.observer); subject_add_observer(&sensor_data.subject, &humi_observer.observer); subject_add_observer(&sensor_data.subject, &display_observer.observer); LOG_I("Current observer count: %d",subject_get_observer_count(&sensor_data.subject)); /* 模拟数据变化并通知观察者 */ LOG_I("\n--- Test 1: Initial data notification ---"); subject_notify(&sensor_data.subject, RT_NULL); LOG_I("\n--- Test 2: Temperature change ---"); sensor_data.temperature =28; subject_notify(&sensor_data.subject, RT_NULL); LOG_I("\n--- Test 3: Humidity change ---"); sensor_data.humidity =65; subject_notify(&sensor_data.subject, RT_NULL); LOG_I("\n--- Test 4: Both changes ---"); sensor_data.temperature =30; sensor_data.humidity =70; subject_notify(&sensor_data.subject, RT_NULL); /* 移除一个观察者 */ LOG_I("\n--- Test 5: Remove temperature observer ---"); subject_remove_observer(&sensor_data.subject, &temp_observer.observer); LOG_I("Observer count after removal: %d",subject_get_observer_count(&sensor_data.subject)); LOG_I("\n--- Test 6: Notify remaining observers ---"); sensor_data.temperature =22; sensor_data.humidity =55; subject_notify(&sensor_data.subject, RT_NULL); /* 尝试重复添加同一个观察者 */ LOG_I("\n--- Test 7: Try to add duplicate observer ---"); if(subject_add_observer(&sensor_data.subject, &humi_observer.observer) != RT_EOK) { LOG_W("Duplicate observer rejected as expected"); } /* 尝试移除不存在的观察者 */ LOG_I("\n--- Test 8: Try to remove non-existent observer ---"); sensor_observer_tfake_observer; observer_init(&fake_observer.observer, temperature_observer_update, RT_NULL); if(subject_remove_observer(&sensor_data.subject, &fake_observer.observer) != RT_EOK) { LOG_W("Non-existent observer removal failed as expected"); } LOG_I("\n=== Observer Pattern Test Complete ===");}/* 在FinSH中导出测试命令 */MSH_CMD_EXPORT(observer_test, test observer pattern implementation);
测试
msh />observer_test[12930] V/OBS_EX tshell: === Observer Pattern Test Start ===[12937] V/OBS_EX tshell: Adding observers...[12942] V/OBS_EX tshell: Current observer count:3[12947] V/OBS_EX tshell:--- Test1: Initial data notification ---Temperature Observer [TempMonitor]: Temperature =25°C, Humidity =60%Humidity Observer [HumiMonitor]: Temperature =25°C, Humidity =60%Display Observer [DisplayCtrl]: Updating displaywithT=25°C, H=60%[12972] V/OBS_EX tshell:--- Test2: Temperature change ---Temperature Observer [TempMonitor]: Temperature =28°C, Humidity =60%Humidity Observer [HumiMonitor]: Temperature =28°C, Humidity =60%Display Observer [DisplayCtrl]: Updating displaywithT=28°C, H=60%[12997] V/OBS_EX tshell:--- Test3: Humidity change ---Temperature Observer [TempMonitor]: Temperature =28°C, Humidity =65%Humidity Observer [HumiMonitor]: Temperature =28°C, Humidity =65%Display Observer [DisplayCtrl]: Updating displaywithT=28°C, H=65%[13022] V/OBS_EX tshell:--- Test4: Both changes ---Temperature Observer [TempMonitor]: Temperature =30°C, Humidity =70%Humidity Observer [HumiMonitor]: Temperature =30°C, Humidity =70%Display Observer [DisplayCtrl]: Updating displaywithT=30°C, H=70%[13046] V/OBS_EX tshell:--- Test5: Remove temperature observer ---[13053] V/OBS_EX tshell: Observer count after removal:2[13059] V/OBS_EX tshell:--- Test6: Notify remaining observers ---Humidity Observer [HumiMonitor]: Temperature =22°C, Humidity =55%Display Observer [DisplayCtrl]: Updating displaywithT=22°C, H=55%[13078] V/OBS_EX tshell:--- Test7: Try toaddduplicate observer ---[13086] W/OBSERVER tshell: Observer already exists[13091] W/OBS_EX tshell: Duplicate observer rejectedasexpected[13098] V/OBS_EX tshell:--- Test8: Try toremovenon-existent observer ---[13105] W/OBSERVER tshell: Observernotfound[13110] W/OBS_EX tshell: Non-existent observer removal failedasexpected[13118] V/OBS_EX tshell:=== Observer Pattern Test Complete ===
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