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Net中的反应式编程(Reactive Programming)

# 前端 2024-05-05 02:23 0 38 来源：云博客

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系列主题：
基于消息的软件架构模型演变

系列主题：基于消息的软件架构模型演变

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 var watch = new FileSystemWatcher(); watch.Created += (s, e) => { var fileType = Path.GetExtension(e.FullPath); if (fileType.ToLower() == "jpg" ) { //do some thing } };

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：

1 2 3 4 var list = Enumerable.Range(1, 10) .Where(x => x > 8) .Select(x => x.ToString()) .First();

能否使用这样的风格来编写事件呢？

3、事件流
LINQ是对IEnumerable<T>的一系列扩展方法，我们可以简单的将IEnumerable<T>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<T>和IObserver<T>也是该模型的重头戏。让我们来看看这两个接口的定义：

1 2 3 4 5 public interface IObservable< out T> { //Notifies the provider that an observer is to receive notifications. IDisposable Subscribe(IObserver<T> observer); }

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 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); }

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

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

IObserver<T>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：

1 2 3 4 5 6 Observable.FromEventPattern<FileSystemEventArgs>(watch, "Created" ) .Where(e => Path.GetExtension(e.EventArgs.FullPath).ToLower() == "jpg" ) .Subscribe(e => { //do some thing });

注：在.net下使用Rx编程需要安装以下Nuget组件：

1	`Install-Package Rx-main`

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。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 private void BindFirstGroupButtons() { btnFirstEventMode.Click += btnFirstEventMode_Click; } void btnFirstEventMode_Click( object sender, EventArgs e) { MessageBox.Show( "hello world" ); }

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：

1 2 3 4 //得到了Button的Click事件流。 var clickedStream = Observable.FromEventPattern<EventArgs>(btnFirstReactiveMode, "Click" ); //在事件流上注册了一个观察者。 clickedStream.Subscribe(e => MessageBox.Show( "Hello world" ));

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 public static IObservable<EventPattern<EventArgs>> FromClickEventPattern( this Button button) { return Observable.FromEventPattern<EventArgs>(button, "Click" ); } public static IObservable<EventPattern<EventArgs>> FromDoubleClickEventPattern( this Button button) { return Observable.FromEventPattern<EventArgs>(button, "DoubleClick" ); }

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。

1 2	`btnFirstReactiveMode.FromClickEventPattern()` `.Subscribe(e => MessageBox.Show(` `"hello world"` `));`

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：

1 2 3 4 5 6 void btnSecondEventMode_Click( object sender, EventArgs e) { btnSecondEventMode.BackColor = Color.Coral; Thread.Sleep(2000); lblMessage.Text = "event mode" ; }

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 BtnSecondEventAsyncModel.BackColor = Color.Coral; Task.Run(() => { Thread.Sleep(2000); Action showMessage = () => lblMessage.Text = "async event mode" ; lblMessage.Invoke(showMessage); });

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 btnSecondReactiveMode.FromClickEventPattern() .Subscribe(e => { Observable.Start(() => { btnSecondReactiveMode.BackColor = Color.Coral; Thread.Sleep(2000); return "reactive mode" ; }) .SubscribeOn(ThreadPoolScheduler.Instance) .ObserveOn( this ) .Subscribe(x => { lblMessage.Text = x; }); });

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

1	`Install-Package 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

1	`Install-Package 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。

1 2 3 4 5 6 7 8 var increasedEventStream = btnIncreasement.FromClickEventPattern() .Select(_ => 1); var decreasedEventStream = btnDecrement.FromClickEventPattern() .Select(_ => -1); increasedEventStream.Merge(decreasedEventStream) .Scan(0, (result, s) => result + s) .Subscribe(x => lblResult.Text = x.ToString());

这个例子使用了IObservable<T>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<int>(1)和IObservable<int>(-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<T>中常用的“谓词”

四、IObservable<T>中的谓词

IObservable<T>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<T>的创建

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

Return可以创建一个具体的IObservable<T>：

1 2 3 4 5 public static void UsingReturn() { var greeting = Observable.Return( "Hello world" ); greeting.Subscribe(Console.WriteLine); }

Create也可以创建一个IObservable<T>，并且拥有更加丰富的重载：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 public static void UsingCreate() { var greeting = Observable.Create< string >(observer => { observer.OnNext( "Hello world" ); return Disposable.Create(() => Console.WriteLine( "Observer has unsubscribed" )); }); greeting.Subscribe(Console.WriteLine); }

Range方法可以产生一个指定范围内的IObservable<T>

1 2	`Observable.Range(1, 10)` `.Subscribe(x => Console.WriteLine(x.ToString()));`

Generate方法是一个折叠操作的逆向操作，又称Unfold方法：

1 2 3 4 5 public static void UsingGenerate() { var range = Observable.Generate(0, x => x < 10, x => x + 1, x => x); range.Subscribe(Console.WriteLine); }

Interval方法可以每隔一定时间产生一个IObservable<T>：

1 2	`Observable.Interval(TimeSpan.FromSeconds(1))` `.Subscribe(x => Console.WriteLine(x.ToString()));`

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。

1 2	`Observable.Range(1, 10)` `.Subscribe(x => Console.WriteLine(x.ToString()), e => Console.WriteLine(` `"Error"` `+ e.Message), () => Console.WriteLine(` `"Completed"` `));`

还可以将IEnumerable<T>转化为IObservable<T>类型：

1 2	`Enumerable.Range(1, 10).ToObservable()` `.Subscribe(x => Console.WriteLine(x.ToString()));`

也可以将IObservable<T>转化为IEnumerable<T>

1	`var` `list= Observable.Range(1, 10).ToEnumerable();`

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 public static void UsingScheduler() { Console.WriteLine( "Starting on threadId:{0}" , Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); var source = Observable.Create< int >( o => { Console.WriteLine( "Invoked on threadId:{0}" , Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); o.OnNext(1); o.OnNext(2); o.OnNext(3); o.OnCompleted(); Console.WriteLine( "Finished on threadId:{0}" ,Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); return Disposable.Empty; }); source //.SubscribeOn(NewThreadScheduler.Default) //.SubscribeOn(ThreadPoolScheduler.Instance) .Subscribe( o => Console.WriteLine( "Received {1} on threadId:{0}" ,Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,o), () => Console.WriteLine( "OnCompleted on threadId:{0}" ,Thread.CurrentThread.ManagedThreadId)); Console.WriteLine( "Subscribed on threadId:{0}" , Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); }

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。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 public static void DifferenceBetweenSubscribeOnAndObserveOn() { Thread.CurrentThread.Name = "Main" ; IScheduler thread1 = new NewThreadScheduler(x => new Thread(x) { Name = "Thread1" }); IScheduler thread2 = new NewThreadScheduler(x => new Thread(x) { Name = "Thread2" }); Observable.Create< int >(o => { Console.WriteLine( "Subscribing on " + Thread.CurrentThread.Name); o.OnNext(1); return Disposable.Create(() => { }); }) //.SubscribeOn(thread1) //.ObserveOn(thread2) .Subscribe(x => Console.WriteLine( "Observing ‘" + x + "‘ on " + Thread.CurrentThread.Name)); }

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。