オブサーバー設計パターン

[アーティクル]
05/23/2023

オブザーバーデザインパターンでは、プロバイダーにサブスクライバーを登録して通知を受信することができます。プッシュベースの通知を必要とするあらゆるシナリオに適しています。このパターンでは、1 つのプロバイダー (サブジェクトまたは観察可能なオブジェクトとも呼ばれます) と、0 個以上のオブザーバーを定義します。プロバイダーにオブザーバーを登録すると、あらかじめ定義した条件、イベント、または状態の変化が発生するたびに、プロバイダーのデリゲートが呼び出されて自動的にすべてのオブザーバーに通知されます。このメソッド呼び出しで、プロバイダーからオブザーバーに現在の状態の情報を提供することもできます。 .NET でオブザーバーデザインパターンを適用するには、ジェネリックインターフェイスの System.IObservable<T> および System.IObserver<T> を実装します。ジェネリック型パラメーターは、通知情報を提供する型を表します。

パターンを適用するタイミング

オブザーバーデザインパターンは、データソース (ビジネスロジック) 層とユーザーインターフェイス (表示) 層のように、2 つの異なるコンポーネントまたはアプリケーション層を明確に分離できるため、分散型のプッシュベースの通知に適しています。このパターンは、プロバイダーがコールバックを使用して現在の情報をクライアントに提供するあらゆる場面で実装できます。

このパターンを実装するために入力が必要なものを以下に示します。

プロバイダー (サブジェクト)。オブザーバーに通知を送信するオブジェクトです。プロバイダーは、IObservable<T> インターフェイスを実装するクラスまたは構造体で、 IObservable<T>.Subscribe という 1 つのメソッドを実装する必要があります。このメソッドは、プロバイダーからの通知を受信するオブザーバーによって呼び出されます。
オブザーバー。プロバイダーからの通知を受信するオブジェクトです。オブザーバーは、IObserver<T> インターフェイスを実装するクラスまたは構造体で、オブザーバーでは、次の 3 つのメソッドを実装する必要があります。これらはすべてプロバイダーによって呼び出されます。
- IObserver<T>.OnNext。新しい情報または現在の情報をオブザーバーに提供します。
- IObserver<T>.OnError。エラーが発生したことをオブザーバーに通知します。
- IObserver<T>.OnCompleted。プロバイダーが通知の送信を完了したことを示します。
プロバイダーがオブザーバーを追跡するための機構。通常、プロバイダーでは、System.Collections.Generic.List<T> オブジェクトなどのコンテナーオブジェクトを使用して、通知にサブスクライブした IObserver<T> の実装への参照を保持します。このようにストレージコンテナーを使用すると、プロバイダーで必要に応じていくつでもオブザーバーを処理できます。オブザーバーが通知を受信する順序は定義されていないため、プロバイダーで自由に順序を決定できます。
通知が完了したときにプロバイダーがオブザーバーを削除できるようにするための IDisposable の実装。オブザーバーは、IDisposable の実装への参照を Subscribe メソッドから受け取ります。このため、プロバイダーが通知の送信を終了する前に、オブザーバーで IDisposable.Dispose メソッドを呼び出してサブスクリプションを解除することもできます。
プロバイダーがオブザーバーに送信するデータを含むオブジェクト。このオブジェクトの型は、IObservable<T> インターフェイスと IObserver<T> インターフェイスのジェネリック型パラメーターに対応します。このオブジェクトは、IObservable<T> の実装と同じにすることもできますが、別の型にするのが最も一般的です。

注意

オブザーバーデザインパターンを実装するだけでなく、IObservable<T> インターフェイスと IObserver<T> インターフェイスを使用して構築されたライブラリを使用することもできます。たとえば、.NET (Rx) の反応拡張は、非同期プログラミングをサポートする一連の拡張メソッドと LINQ 標準シーケンス演算子で構成します。

パターンを実装する

次の例では、オブザーバーデザインパターンを使用して、空港の手荷物受取所の情報システムを実装します。 BaggageInfo クラスは、到着便と、各便の手荷物の受け取り場所に関する情報を提供します。これを次の例に示します。

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

BaggageHandler クラスは、到着便と手荷物の受け取り場所に関する情報を受け取るクラスです。その内部では、次の 2 つのコレクションが保持されます。

_observers: 更新された情報を観察するクライアントのコレクション。
_flights: 飛行機の便と、各便に割り当てられた手荷物の受け取り場所のコレクション。

BaggageHandler クラスのソースコードを次の例に示します。

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

更新された情報を受け取るクライアントは、BaggageHandler.Subscribe メソッドを呼び出します。以前に通知をサブスクライブしたことがないクライアントの場合は、クライアントの IObserver<T> の実装への参照が _observers コレクションに追加されます。

オーバーロードされた BaggageHandler.BaggageStatus メソッドは、特定の便の手荷物が処理中であるか処理済みになったかを通知するために呼び出されます。処理中の場合は、飛行機の便の番号、出発空港、および手荷物の受け取り場所がメソッドに渡されます。処理済みの場合は、飛行機の便の番号のみがメソッドに渡されます。手荷物が処理中の場合、メソッドは、渡された BaggageInfo の情報が _flights コレクションに存在するかどうかを確認します。そうでない場合は、メソッドにより情報が追加され、各オブザーバーの OnNext メソッドが呼び出されます。荷物を降ろさない便の場合、メソッドは、その便の情報が _flights コレクションに格納されているかどうかを確認します。格納されている場合、メソッドは、各オブザーバーの OnNext メソッドを呼び出し、_flights コレクションから BaggageInfo オブジェクトを削除します。

1 日の最終便が到着して手荷物の処理が完了すると、BaggageHandler.LastBaggageClaimed メソッドが呼び出されます。このメソッドは、各オブザーバーの OnCompleted メソッドを呼び出して、すべての通知が完了したことを示します。その後、_observers コレクションをクリアします。

プロバイダーの Subscribe メソッドが返す IDisposable の実装を使用すると、OnCompleted メソッドが呼び出される前に、オブザーバーで通知の受信を中止できます。この Unsubscriber(Of BaggageInfo) クラスのソースコードを次の例に示します。このクラスが BaggageHandler.Subscribe メソッドでインスタンス化されるときに、_observers コレクションへの参照と、コレクションに追加されるオブザーバーへの参照が渡されます。これらの参照はローカル変数に割り当てられます。オブジェクトの Dispose メソッドが呼び出されると、オブザーバーがまだ _observers コレクションに存在するかどうかが確認され、存在する場合、そのオブザーバーは削除されます。

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

次の例は、ArrivalsMonitor という名前の IObserver<T> の実装を示しています。これは、手荷物受取所の情報を表示する基本クラスです。情報は、出発地名のアルファベット順に表示されます。 ArrivalsMonitor のメソッドは、overridable (Visual Basic) または virtual (C#) としてマークされているため、派生クラスでオーバーライドできます。

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

ArrivalsMonitor クラスには、Subscribe メソッドと Unsubscribe メソッドが含まれています。 Subscribe メソッドにより、このクラスは、Subscribe の呼び出しから返された IDisposable の実装をプライベート変数に保存できます。 Unsubscribe メソッドにより、このクラスは、プロバイダーの Dispose の実装を呼び出して通知のサブスクリプションを解除できます。 ArrivalsMonitor は、OnNext、OnError、OnCompleted の各メソッドの実装も提供します。そのうち、かなりの量のコードが含まれるのは OnNext の実装だけです。このメソッドは、到着便の出発空港と手荷物の受け取り場所に関する情報を並べ替えて保持する、プライベートなジェネリック List<T> オブジェクトを操作します。 BaggageHandler クラスから新しい便の到着が報告されると、OnNext メソッドの実装はその便に関する情報をリストに追加します。 BaggageHandler クラスからその便の手荷物の処理が完了したことが報告されると、OnNext メソッドはその便をリストから削除します。変更が発生するたびに、リストが並べ替えられてコンソールに表示されます。

次の例に含まれているアプリケーションエントリポイントは、BaggageHandler クラスのインスタンスと、ArrivalsMonitor クラスの 2 つのインスタンスを作成し、BaggageHandler.BaggageStatus メソッドを使用して到着便に関する情報を追加および削除します。いずれの場合も、オブザーバーが更新を受け取って、手荷物受取所の情報を正しく表示します。

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
'      New York-Kennedy       400    1
'
'      Arrivals information from SecurityExit
'      Detroit                712    3
'
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Title	説明
オブザーバーデザインパターンのベストプラクティス	オブザーバーデザインパターンを実装するアプリケーションを開発するときのベストプラクティスについて説明します。
方法: プロバイダーを実装する	温度監視アプリケーションのプロバイダーを実装するための手順について説明します。
方法: オブザーバーを実装する	温度監視アプリケーションのオブザーバーを実装するための手順について説明します。

オブサーバー設計パターン

パターンを適用するタイミング

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