.Net 中的反应式编程

一、反应式编程(Reactive Programming)

1、什么是反应式编程:反应式编程(Reactive programming)简称Rx,他是一个使用LINQ风格编写基于观察者模式的异步编程模型。简单点说Rx = Observables + LINQ + Schedulers。

2、为什么会产生这种风格的编程模型?我在本系列文章开始的时候说过一个使用事件的例子:

这个代码定义了一个FileSystemWatcher,然后在Watcher事件上注册了一个匿名函数。事件的使用是一种命令式代码风格,有没有办法写出声明性更强的代码风格?我们知道使用高阶函数可以让代码更具声明性,整个LINQ扩展就是一个高阶函数库,常见的LINQ风格代码如下:

能否使用这样的风格来编写事件呢?

3、事件流
LINQ是对IEnumerable的一系列扩展方法,我们可以简单的将IEnumerable认为是一个集合。当我们将事件放在一个时间范围内,事件也变成了集合。我们可以将这个事件集合理解为事件流。

事件流的出现给了我们一个能够对事件进行LINQ操作的灵感。

二、反应式编程中的两个重要类型

事件模型从本质上来说是观察者模式,所以IObservable和IObserver也是该模型的重头戏。让我们来看看这两个接口的定义:

这两个名称准确的反应出了它两的职责:IObservable-可观察的事物,IObserver-观察者。

IObservable只有一个方法Subscribe(IObserver observer),此方法用来对事件流注册一个观察者。

IObserver有三个回调方法。当事件流中有新的事件产生的时候会回调OnNext(T value),观察者会得到事件中的数据。OnCompleted()和OnError(Exception error)则分别用来通知观察者事件流已结束,事件流发生错误。

显然事件流是可观察的事物,我们用Rx改写上面的例子:

注:在.net下使用Rx编程需要安装以下Nuget组件:

三、UI编程中使用Rx

Rx模型不但使得代码更加具有声明性,Rx还可以用在UI编程中。

1、UI编程中的第一段Rx代码

为了简单的展示如何在UI编程中使用Rx,我们以Winform中的Button为例,看看事件模型和Rx有何不同。

添加了一个Button,点击Button的时候弹出一个对话框。使用Rx做同样的实现:

有朋友指出字符串“Click”非常让人不爽,这确实是个问题。由于Click是一个event类型,无法用表达式树获取其名称,最终我想到使用扩展方法来实现:

我们平时常用的事件类型也就那么几个,可以暂时通过这种方案来实现,该方案算不上完美,但是比起直接使用字符串又能优雅不少。

2、UI编程中存在一个很常见的场景:当一个事件的注册者阻塞了线程时,整个界面都处于假死状态。.net中的异步模型也从APM,EAP,TPL不断演化直至async/await模型的出现才使得异步编程更加简单易用。我们来看看界面假死的代码:

Thread.Sleep(2000);模拟了一个长时间的操作,当你点下Button时整个界面处于假死状态并且此时的程序无法响应其他的界面事件。传统的解决方案是使用多线程来解决假死:

这个代码的复杂点在于:普通的多线程无法对UI进行操作,在Winform中需要用Control.BeginInvoke(Action action)经过包装后,多线程中的UI操作才能正确执行,WPF则要使用Dispatcher.BeginInvoke(Action action)包装。

Rx方案:

一句SubscribeOn(ThreadPoolScheduler.Instance)将费时的操作跑在了新线程中,ObserveOn(this)让后面的观察者跑在了UI线程中。

注:使用ObserveOn(this)需要使用Rx-WinForms

这个例子虽然成功了,但是并没有比BeginInvoke(Action action)的方案有明显的进步之处。在一个事件流中再次使用Ovservable.Start()开启新的观察者让人更加摸不着头脑。这并不是Rx的问题,而是事件模型在UI编程中存在局限性:不方便使用异步,不具备可测试性等。以XMAL和MVVM为核心的UI编程模型将在未来处于主导地位,由于在MVVM中可以将UI绑定到一个Command,从而解耦了事件模型。

开源项目ReactiveUI提供了一个以Rx基础的UI编程方案,可以使用在XMAL和MVVM为核心的UI编程中,例如:Xamarin,WFP,Windows Phone8等开发中。

注:在WPF中使用ObserveOn()需要安装Rx-WPF

3、再来一个例子,让我们感受一下Rx的魅力

界面上有两个Button分别为+和-操作,点击+按钮则+1,点击-按钮则-1,最终的结果显示在一个Label中。
这样的一个需求使用经典事件模型只需要维护一个内部变量,两个按钮的Click事件分别对变量做加1或减1的操作即可。
Rx作为一种函数式编程模型讲求immutable-不可变性,即不使用变量来维护内部状态。

这个例子使用了IObservable的”谓词”来对事件流做了一些操作。

  • Select跟Linq操作有点类似,分别将两个按钮的事件变形为IObservable(1)和IObservable(-1);
  • Merge操作将两个事件流合并为一个;
  • Scan稍显复杂,对事件流做了一个折叠操作,给定了一个初始值,并通过一个函数来对结果和下一个值进行累加;

下面就让我们来看看IObservable中常用的“谓词”

四、IObservable中的谓词

IObservable的灵感来源于LINQ,所以很多操作也跟LINQ中的操作差不多,例如Where、First、Last、Single、Max、Any。
还有一些“谓词”则是新出现的,例如上面提到的”Merge”、“Scan”等,为了理解这些“谓词”的含义,我们请出一个神器RxSandbox

1、Merge操作,从下面的图中我们可以清晰的看出Merge操作将三个事件流中的事件合并在了同一个时间轴上。

2、Where操作则是根据指定的条件筛选出事件。

有了这个工具我们可以更加方便的了解这些“谓词”的用途。

五、IObservable的创建

Observable类提供了很多静态方法用来创建IObservable,之前的例子我们都使用FromEventPattern方法来将事件转化为IObservable,接下来再看看别的方法。

Return可以创建一个具体的IObservable:

Create也可以创建一个IObservable,并且拥有更加丰富的重载:

Range方法可以产生一个指定范围内的IObservable

Generate方法是一个折叠操作的逆向操作,又称Unfold方法:

Interval方法可以每隔一定时间产生一个IObservable:

Subscribe方法有一个重载,可以分别对Observable发生异常和Observable完成定义一个回调函数。

还可以将IEnumerable转化为IObservable类型:

也可以将IObservable转化为IEnumerable

六、Scheduler

Rx的核心是观察者模式和异步,Scheduler正是为异步而生。我们在之前的例子中已经接触过一些具体的Scheduler了,那么他们都具体是做什么的呢?

1、先看下面的代码:

当我们不使用任何Scheduler的时候,整个Rx的观察者和主题都跑在主线程中,也就是说并没有异步执行。正如下面的截图,所有的操作都跑在threadId=1的线程中。

当我们使用SubscribeOn(NewThreadScheduler.Default)或者SubscribeOn(ThreadPoolScheduler.Instance)的时候,观察者和主题都跑在了theadId=3的线程中。

这两个Scheduler的区别在于:NewThreadScheduler用于执行一个长时间的操作,ThreadPoolScheduler用来执行短时间的操作。

2、SubscribeOn和ObserveOn的区别

上面的例子仅仅展示了SubscribeOn()方法,Rx中还有一个ObserveOn()方法。stackoverflow上有一个这样的问题:What’s the difference between SubscribeOn and ObserveOn,其中一个简单的例子很好的诠释了这个区别。

  • 当我们注释掉:SubscribeOn(thread1)和ObserveOn(thread2)时的结果如下:

    观察者和主题都跑在name为Main的thread中。

  • 当我们放开SubscribeOn(thread1):

    主题和观察者都跑在了name为Thread1的线程中

  • 当我们注释掉:SubscribeOn(thread1),放开ObserveOn(thread2)时的结果如下:

    主题跑在name为Main的主线程中,观察者跑在了name=Thread2的线程中。

  • 当我们同时放开SubscribeOn(thread1)和ObserveOn(thread2)时的结果如下:

    主题跑在name为Thread1的线程中,观察者跑在了name为Thread2的线程中。

至此结论应该非常清晰了:SubscribeOn()和ObserveOn()分别控制着主题和观察者的异步。

七、其他Rx资源

除了.net中的Rx.net,其他语言也纷纷推出了自己的Rx框架。

参考资源:

http://rxwiki.wikidot.com/101samples

http://introtorx.com/Content/v1.0.10621.0/01_WhyRx.html#WhyRx

http://www.codeproject.com/Articles/646361/Reactive-Programming-For-NET-And-Csharp-Developers

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