响应式编程知多少 | Rx.NET 了解下

1. 引言

An API for asynchronous programming with observable streams.
ReactiveX is a combination of the best ideas from the Observer pattern, the Iterator pattern, and functional programming.
ReactiveX 使用可观察数据流进行异步编程的API。
ReactiveX结合了观察者模式、迭代器模式和函数式编程的精华

关于Reactive(本文统一译作响应式),有一个The Reactive Manifesto【响应式宣言】:响应式系统(Reactive System)具备以下特质:即时响应性(Responsive)、回弹性(Resilient)、弹性(Elastic)以及消息驱动(Message Driven)。

很显然开发一个响应式系统,并不简单。
那本文就来讲一讲如何基于Rx.NET进行响应式编程,进而开发更加灵活、松耦合、可伸缩的响应式系统。

2. 编程范式

在开始之前呢,我们有必要了解下几种编程范式:命令式编程、声明式编程、函数式编程和响应式编程。

命令式编程:命令式编程的主要思想是关注计算机执行的步骤,即一步一步告诉计算机先做什么再做什么。

//1. 声明变量
List<int> results = new List<int>();
//2. 循环变量
foreach(var num in Enumerable.Range(1,10))
{
    //3. 添加条件
    if (num > 5)
    {  
        //4. 添加处理逻辑
        results.Add(num);
        Console.WriteLine(num);
    }
}

声明式编程:声明式编程是以数据结构的形式来表达程序执行的逻辑。它的主要思想是告诉计算机应该做什么,但不指定具体要怎么做。

var nums = from num in Enumerable.Range(1,10) where num > 5 select num

函数式编程:主要思想是把运算过程尽量写成一系列嵌套的函数调用。

Enumerable.Range(1, 10).Where(num => num > 5).ToList().ForEach(Console.WriteLine);

响应式编程:响应式编程是一种面向数据流和变化传播的编程范式,旨在简化事件驱动应用的实现。响应式编程专注于如何创建依赖于变更的数据流并对变化做出响应。

IObservable<int> nums = Enumerable.Range(1, 10).ToObservable();

IDisposable subscription = nums.Where(num => num > 5).Subscribe(Console.WriteLine);

subscription.Dispose();

3. Hello Rx.NET

从一个简单的Demo开始。
假设我们现在模拟电热壶烧水,实时输出当前水温,一般我们会这样做:

Enumerable.Range(1, 100).ToList().ForEach(Console.WriteLine);
// do something else. 阻塞

假设当前程序是智能家居的中控设备,不仅控制电热壶烧水,还控制其他设备,为了避免阻塞主线程。一般我们会创建一个Thread或Task去做。

Task.Run(() => Enumerable.Range(1, 100).ToList().ForEach(Console.WriteLine));
// do something else. 非阻塞

假设现在我们不仅要在控制台输出而且还要实时通过扬声器报警。这时我们应该想到委托和事件。

class Heater
{
    private delegate void TemperatureChanged(int temperature);
    private event TemperatureChanged TemperatureChangedEvent;
    public void BoilWater()
    {
        TemperatureChangedEvent += ShowTemperature;
        TemperatureChangedEvent += MakeAlerm;
        Task.Run(
            () =>
        Enumerable.Range(1, 100).ToList().ForEach((temperature) => TemperatureChangedEvent(temperature))
        );
    }
    private void ShowTemperature(int temperature)
    {
        Console.WriteLine($"当前温度:{temperature}");
    }
    private void MakeAlerm(int temperature)
    {
        Console.WriteLine($"嘟嘟嘟,当前水温{temperature}");
    }
}
class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Heater heater = new Heater();        
        heater.BoilWater();
    }
}

瞬间代码量就上去了。但是借助Rx.NET,我们可以简化成以下代码:

var observable = Enumerable.Range(1, 100).ToObservable(NewTheadScheduler.Default);//申明可观察序列
Subject<int> subject = new Subject<int>();//申明Subject
subject.Subscribe((temperature) => Console.WriteLine($"当前温度:{temperature}"));//订阅subject
subject.Subscribe((temperature) => Console.WriteLine($"嘟嘟嘟,当前水温:{temperature}"));//订阅subject
observable.Subscribe(subject);//订阅observable

仅仅通过以下三步:

  1. 调用ToObservable将枚举序列转换为可观察序列。
  2. 通过指定NewTheadScheduler.Default来指定在单独的线程进行枚举。
  3. 调用Subscribe方法进行事件注册。
  4. 借助Subject进行多播传输

通过以上我们可以看到Rx.NET大大简化了事件处理的步骤,而这只是Rx的冰山一角。

4. Rx.NET 核心

Reactive Extensions(Rx)是一个为.NET应用提供响应式编程模型的库,用来构建异步基于事件流的应用,通过安装System.ReactiveNuget包进行引用。Rx将事件流抽象为Observable sequences(可观察序列)表示异步数据流,使用LINQ运算符查询异步数据流,并使用Scheduler来控制异步数据流中的并发性。简单地说:Rx = Observables + LINQ + Schedulers。

Rx layer

在软件系统中,事件是一种消息用于指示发生了某些事情。事件由Event Source(事件源)引发并由Event Handler(事件处理程序)使用。
在Rx中,事件源可以由observable表示,事件处理程序可以由observer表示。
但是应用程序使用的数据如何表示呢,例如数据库中的数据或从Web服务器获取的数据。而在应用程序中我们一般处理的数据无外乎两种:静态数据和动态数据。 但无论使用何种类型的数据,其都可以作为流来观察。换句话说,数据流本身也是可观察的。也就意味着,我们也可以用observable来表示数据流。

Everything is stream

讲到这里,Rx.NET的核心也就一目了然了:

  1. 一切皆为数据流
  2. Observable 是对数据流的抽象
  3. Observer是对Observable的响应

在Rx中,分别使用IObservable<T>IObserver<T>接口来表示可观察序列和观察者。它们预置在system命名空间下,其定义如下:

public interface IObservable<out T>
{
      //Notifies the provider that an observer is to receive notifications.
      IDisposable Subscribe(IObserver<T> observer);
}

public interface IObserver<in T>
{
    //Notifies the observer that the provider has finished sending push-based notifications.
    void OnCompleted();
 
    //Notifies the observer that the provider has experienced an error condition.
    void OnError(Exception error);
    
    //Provides the observer with new data.
    void OnNext(T value);
}

5. 创建IObservable<T>

创建IObservable<T>主要有以下几种方式:
1. 直接实现IObservable<T>接口
2. 使用Observable.Create创建

Observable.Create<int>(observer=>{
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        observer.OnNext(i);
    }
    observer.OnCompleted();
    return Disposable.Empty;
})

3. 使用Observable.Deffer进行延迟创建(当有观察者订阅时才创建)
比如要连接数据库进行查询,如果没有观察者,那么数据库连接会一直被占用,这样会造成资源浪费。使用Deffer可以解决这个问题。

Observable.Defer(() =>
{
    var connection = Connect(user, password);
    return connection.ToObservable();
});

4. 使用Observable.Generate创建迭代类型的可观察序列

IObservable<int> observable =
    Observable.Generate(
        0,              //initial state
        i => i < 10,    //condition (false means terminate)
        i => i + 1,     //next iteration step
        i => i * 2);      //the value in each iteration

5. 使用Observable.Range创建指定区间的可观察序列

IObservable<int> observable = Observable.Range (0, 10).Select (i => i * 2);

6. 创建特殊用途的可观察序列

Observable.Return ("Hello World");//创建单个元素的可观察序列
Observable.Never<string> ();//创建一个空的永远不会结束的可观察序列
Observable.Throw<ApplicationException> (
new ApplicationException ("something bad happened"))//创建一个抛出指定异常的可观察序列
Observable.Empty<string> ()//创建一个空的立即结束的可观察序列

7. 使用ToObservable转换IEnumerate和Task类型

Enumerable.Range(1, 10).ToObservable();
IObservable<IEnumerable<string>> resultsA = searchEngineA.SearchAsync(term).ToObservable();

8. 使用Observable.FromEventPattern<T>Observable.FromEvent<TDelegate, TEventArgs>进行事件的转换

public delegate void RoutedEventHandler(object sender,
 System.Windows.RoutedEventArgs e)
IObservable<EventPattern<RoutedEventArgs>> clicks =
                Observable.FromEventPattern<RoutedEventHandler, RoutedEventArgs>(
                    h => theButton.Click += h,
                    h => theButton.Click -= h);
clicks.Subscribe(eventPattern => output.Text += "button clicked" + Environment.NewLine);

9. 使用Observable.Using进行资源释放

IObservable<string> lines =
    Observable.Using (
        () => File.OpenText ("TextFile.txt"), // opens the file and returns the stream we work with
        stream =>
        Observable.Generate (
            stream, //initial state
            s => !s.EndOfStream, //we continue until we reach the end of the file
            s => s, //the stream is our state, it holds the position in the file 
            s => s.ReadLine ()) //each iteration will emit the current line (and moves to the next)
    );

10. 使用Observable.Interval创建指定间隔可观察序列

11. 使用Observable.Timer创建可观察的计时器

6. RX 操作符

创建完IObservable<T>后,我们可以对其应用系列Linq操作符,对其进行查询、过滤、聚合等等。Rx内置了以下系列操作符:


Rx 操作符

下面通过图示来解释常用操作符的作用:


操作符解释

7. 多播传输靠:Subject

基于以上示例,我们了解到,借助Rx可以简化事件模型的实现,而其实质上就是对观察者模式的扩展。提到观察者模式,我们知道一个Subject可以被多个观察者订阅,从而完成消息的多播。同样,在Rx中,也引入了Subject用于多播消息传输,不过Rx中的Subject具有双重身份——即是观察者也是被观察者。

interface ISubject<in TSource, out TResult> : IObserver<TSource>,IObservable<TResult>
{
}

Rx中默认提供了以下四种实现:

  • Subject<T> - 向所有观察者广播每个通知


  • AsyncSubject<T> - 当可观察序列完成后有且仅发送一个通知


  • ReplaySubject<T> - 缓存指定通知以对后续订阅的观察者进行重放


  • BehaviorSubject<T> - 推送默认值或最新值给观察者


但对于第一种Subject<T>有一点需要指出,当其有多个观察者序列时,一旦其中一个停止发送消息,则Subject就停止广播所有其他序列后续发送的任何消息。

8. 有温度的可观察者序列

对于Observable,它们是有温度的,有冷热之分。它们的区别如下图所示:


冷热观察者序列的区别

Cold Observable:有且仅当有观察者订阅时才发送通知,且每个观察者独享一份完整的观察者序列。
Hot Observable:不管有无观察者订阅都会发送通知,且所有观察者共享同一份观察者序列。

9. 一切皆在掌控:Scheduler

在Rx中,使用Scheduler来控制并发。而对于Scheduler我们可以理解为程序调度,通过Scheduler来规定在什么时间什么地点执行什么事情。Rx提供了以下几种Scheduler:

  1. NewThreadScheduler:即在新线程上执行
  2. ThreadPoolScheduler:即在线程池中执行
  3. TaskPoolScheduler:与ThreadPoolScheduler类似
  4. CurrentThreadScheduler:在当前线程执行
  5. ImmediateScheduler:在当前线程立即执行
  6. EventLoopScheduler:创建一个后台线程按序执行所有操作

举例而言:

Observable.Return("Hello",NewThreadScheduler.Default)
.Subscribe(str=>Console.WriteLine($"{str} on ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}")
);
Console.WriteLine($"Current ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");

以上输出:
Current ThreadId:1
Hello on ThreadId:4

10. 最后

罗里吧嗦的总算把《Rx.NET In Action》这本书的内容大致梳理了一遍,对Rx也有了一个更深的认识,Rx扩展了观察者模式用于支持数据和事件序列,内置系列操作符允许我们以声明式的方式组合这些序列,且无需关注底层的实现进行事件驱动开发:如线程、同步、线程安全、并发数据结构和非阻塞IO。

但事无巨细,难免疏漏。对响应式编程有兴趣的不妨拜读下此书,相信对你会大有裨益。

参考资料:
Rx.NET in Action.pdf
ReactiveX
.Net中的反应式编程(Reactive Programming)

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