响应式编程库RxJava初探

引子

在读 Hystrix 源码时,发现一些奇特的写法。稍作搜索,知道使用了最新流行的响应式编程库RxJava。那么响应式编程究竟是怎样的呢? 本文对响应式编程及 RxJava 库作一个初步的探索。

在学习新的编程模型时,我喜欢将其与原来的编程模型联系起来。因为新的编程模型往往是对原来编程模型的承袭和组合。响应式编程的两个基本要素是:

  • 基于观察者模式的事件驱动机制。
  • 函数式编程:通过装饰与组合,让响应式编程的处理更流畅灵活;

函数式编程,在之前的文章 “完全”函数式编程”“Java8函数式编程探秘”“精练代码:一次Java函数式编程的重构之旅” 等有较多探索,观察者模式在 “设计模式之观察者模式:实现配置更新实时推送” 有讲述过。我们将在这两者的基础上探索响应式编程。

基础

初次接触 RxJava ,很容易被一连串的 Observer, Observable, Disposable, subscribeOn, onSubscribe, onNext, onError, onComplete 等绕晕。不过软件里面无新鲜事。大多无非是用一种新的方式来组织逻辑罢了。基于观察者模式的事件驱动也不例外。我们只要梳理清楚脉络,就可以容易地理解。观察者模式有三个基本参与者:

  • 被观察者:Observable ;
  • 发射装置:Emitter;
  • 观察者: Observer。

基本流程是:被观察者 Observable 装备发射装置 Emitter,发射消息,创建事件;观察者 Observer 监听到事件,接收到被观察者发射的消息,调用对应的函数 onNext, onError 和 onComplete 进行处理。onError 和 OnComplete 只能有一个被触发。

不妨写个基本 Demo 来模拟下基本流程。为了更好滴理解,我把三者都区分开了。

Demo

首先定义观察者 MyObserver,继承抽象类 DefaultObserver ,这样实现成本最小。


package zzz.study.reactor;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import io.reactivex.observers.DefaultObserver;

/**
 * @Description 观察者定义
 * @Date 2021/1/23 4:13 下午
 * @Created by qinshu
 */
public class MyObserver extends DefaultObserver {

    @Override
    public void onStart() {
        System.out.println("MyObserver: Start");
    }

    @Override
    public void onNext(Object o) {
        System.out.println("Observed: " + JSON.toJSONString(o));
    }

    @Override
    public void onError(Throwable e) {
        System.out.println("Observed: " + e.getMessage());
    }

    @Override
    public void onComplete() {
        System.out.println("MyObserver: Complete");
    }
}

接着,定义发射装置(发射消息) MyEmitter:

package zzz.study.reactor;

import io.reactivex.ObservableEmitter;
import io.reactivex.ObservableOnSubscribe;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @Description 发射装置
 * @Date 2021/1/24 7:04 上午
 * @Created by qinshu
 */
public class MyEmitter implements ObservableOnSubscribe {

    Random random = new Random(System.currentTimeMillis());

    @Override
    public void subscribe(ObservableEmitter emitter) throws Exception {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        emitter.onNext("next");
        if (random.nextInt(3) == 0) {
            emitter.onError(new RuntimeException("A RuntimeException"));
        }
        else {
            emitter.onComplete();
        }
    }
}

最后,创建被观察者,并串起流程:

package zzz.study.reactor;

import io.reactivex.Observable;
import io.reactivex.ObservableOnSubscribe;
import io.reactivex.Observer;

/**
 * @Description RxJava基本Demo
 * @Date 2021/1/23 12:28 下午
 * @Created by qinshu
 */
public class RxJavaBasic {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0; i<5; i++) {
            ObservableOnSubscribe observableOnSubscribe = new MyEmitter();
            Observable observable = Observable.create(observableOnSubscribe);
            Observer observer = new MyObserver();
            observable.subscribe(observer);
        }
    }
}

运行,可得结果:

MyObserver: Start
Observed: "next"
MyObserver: Complete
MyObserver: Start
Observed: "next"
MyObserver: Complete
MyObserver: Start
Observed: "next"
Observed: A RuntimeException
MyObserver: Start
Observed: "next"
MyObserver: Complete
MyObserver: Start
Observed: "next"
MyObserver: Complete

讲解

如何理解上述流程及结果呢?最好的办法就是单步调试。经过单步调试,可以知道整个过程如下:

步骤1: 整个过程由这一行触发 observable.subscribe(observer); ,会去调用 Observable.subscribeActual 方法,分派给具体实现类 ObservableCreate.subscribeActual ;单步调试的好处就是能确定具体实现者;

步骤2: ObservableCreate.subscribeActual 所做的事情,调用 observer.onSubscribe ( MyObserver.onStart 方法 ),然后转发给 MyEmitter.subscribe 来发射消息。

    @Override
    protected void subscribeActual(Observer<? super T> observer) {
        CreateEmitter<T> parent = new CreateEmitter<T>(observer);
        observer.onSubscribe(parent);

        try {
            source.subscribe(parent);
        } catch (Throwable ex) {
            Exceptions.throwIfFatal(ex);
            parent.onError(ex);
        }
    }

步骤3:MyEmitter 执行 onNext ,分派给具体实现类 CreateEmitter.onNext ,进而调用 observer.onNext 方法;
步骤4:MyEmitter 执行 onError ,分派给具体实现类 CreateEmitter.onError ,进而 调用 observer.onError 方法;如果 MyEmitter 发射 onComplete ,那么就会分派给具体实现类 CreateEmitter.onComplete ,进而调用 observer.onComplete 方法。注意,onError 和 onComplete 两者只可能执行一个。

基本流程就是这样。

引申

Disposable

除了订阅自定义 Emitter 来发射消息,类 Observable 还提供了各种工具方法,更便捷滴做订阅和推送。比如:

public static void testDirectSubscribe() {
    Observable.fromArray("I", "Have", "a", "dream").subscribe(new MyObserver());
}

会输出:

MyObserver: Start
Observed: "I"
Observed: "Have"
Observed: "a"
Observed: "dream"
MyObserver: Complete

具体实现是: fromArray 方法会创建一个 Observable 的具体类 ObservableFromArray,而这个类的 subscribeActual 方法会创建一个 FromArrayDisposable 来处理。FromArrayDisposable 的 run 方法被调用,依次遍历所指定列表,调用 observer.onNext ,最后调用 observer.onComplete。具体源码如下:

public final class ObservableFromArray<T> extends Observable<T> {
    final T[] array;
    public ObservableFromArray(T[] array) {
        this.array = array;
    }

    @Override
    public void subscribeActual(Observer<? super T> observer) {
        FromArrayDisposable<T> d = new FromArrayDisposable<T>(observer, array);
        observer.onSubscribe(d);
        if (d.fusionMode) {
            return;
        }
        d.run();
    }

    static final class FromArrayDisposable<T> extends BasicQueueDisposable<T> {
        final Observer<? super T> downstream;
        final T[] array;
        int index;
        boolean fusionMode;
        volatile boolean disposed;

        FromArrayDisposable(Observer<? super T> actual, T[] array) {
            this.downstream = actual;
            this.array = array;
        }

       // other methods

        @Override
        public void dispose() {
            disposed = true;
        }

        @Override
        public boolean isDisposed() {
            return disposed;
        }

        void run() {
            T[] a = array;
            int n = a.length;

            for (int i = 0; i < n && !isDisposed(); i++) {
                T value = a[i];
                if (value == null) {
                    downstream.onError(new NullPointerException("The element at index " + i + " is null"));
                    return;
                }
                downstream.onNext(value);
            }
            if (!isDisposed()) {
                downstream.onComplete();
            }
        }
    }
}

那么 Disposable 的意义何在呢 ? 我的理解是:它作为订阅完成的一个流程闭环。比如重复订阅同一个观察者,如下代码:

    public static void testDirectSubscribe() {
        Observer observer = new MyObserver();
        Observable.fromArray("I", "Have", "a", "dream").subscribe(observer);
        Observable.fromArray("changed").subscribe(observer);
    }

会抛出异常:

io.reactivex.exceptions.ProtocolViolationException: It is not allowed to subscribe with a(n) zzz.study.reactor.MyObserver multiple times. Please create a fresh instance of zzz.study.reactor.MyObserver and subscribe that to the target source instead.
    at io.reactivex.internal.util.EndConsumerHelper.reportDoubleSubscription(EndConsumerHelper.java:148)
    at io.reactivex.internal.util.EndConsumerHelper.validate(EndConsumerHelper.java:57)
    at io.reactivex.observers.DefaultObserver.onSubscribe(DefaultObserver.java:70)
    at io.reactivex.internal.operators.observable.ObservableJust.subscribeActual(ObservableJust.java:34)
    at io.reactivex.Observable.subscribe(Observable.java:12284)
    at zzz.study.reactor.RxJavaBasic.testDirectSubscribe(RxJavaBasic.java:34)
    at zzz.study.reactor.RxJavaBasic.main(RxJavaBasic.java:17)

这个异常是在调用 DefaultObserver.onSubscribe 抛出的:

    @Override
    public final void onSubscribe(@NonNull Disposable d) {
        if (EndConsumerHelper.validate(this.upstream, d, getClass())) {
            this.upstream = d;
            onStart();
        }
    }

   public static boolean validate(Disposable upstream, Disposable next, Class<?> observer) {
        ObjectHelper.requireNonNull(next, "next is null");
        if (upstream != null) {
            next.dispose();
            if (upstream != DisposableHelper.DISPOSED) {
                reportDoubleSubscription(observer);
            }
            return false;
        }
        return true;
    }

这就是说,如果同一个观察者,它的上一个 Disposable 订阅没有结束,那么再次订阅 Disposable 就会出错。怎么解决呢?可以在 MyObserver 的 onError 和 onComplete 添加 super.cancel 调用,可以结束上一次的订阅,再次订阅就不抛出异常了:

    @Override
    public void onError(Throwable e) {
        System.out.println("Observed: " + e.getMessage());
        super.cancel();
    }

    @Override
    public void onComplete() {
        System.out.println("MyObserver: Complete");
        super.cancel();
    }

   /**
     * Cancels the upstream's disposable.
     */
    protected final void cancel() {
        Disposable upstream = this.upstream;
        this.upstream = DisposableHelper.DISPOSED;
        upstream.dispose();
    }

但是,即便这样,也无法发射我们新的订阅消息。这是因为上一次的 upstream 不为 null,本次的订阅就无法发射。

我们没法覆写 DefaultObserver.onSubscribe 方法,因为该方法声明为 final 的,且 upstream 声明为 private ,也没有公共方法可以设置 upstream。这明确表明了设计者的意图:这是 Observer 订阅 Disposable 的前置检测约定,不可被破坏,否则后果自负。

我们可以绕过 DefaultObserver , 不继承它,而是直接实现 Observer 接口:


public static void testDirectSubscribe() {
    Observer observer = new RepeatedSubscribeMyObserver();
    Observable.fromArray("I", "Have", "a", "dream").subscribe(observer);
    Observable.fromArray("changed").subscribe(observer);
}

/**
 * @Description 可重复订阅的观察者
 * @Date 2021/1/24 10:11 上午
 * @Created by qinshu
 */
public class RepeatedSubscribeMyObserver<T> implements Observer<T> {

    public Disposable upstream;

    @Override
    public void onSubscribe(@NonNull Disposable d){
        System.out.println(getName() + ": Start");
        this.upstream = d;
    }

    @Override
    public void onNext(T o) {
        System.out.println(getName() + ": " + JSON.toJSONString(o));
    }

    @Override
    public void onError(Throwable e) {
        System.out.println(getName() + ": " + e.getMessage());
        cancel();
    }

    @Override
    public void onComplete() {
        System.out.println(getName() + ": Complete");
        cancel();
    }

    public String getName() {
        return this.getClass().getSimpleName();
    }

    /**
     * Cancels the upstream's disposable.
     */
    protected final void cancel() {
        Disposable upstream = this.upstream;
        this.upstream = DisposableHelper.DISPOSED;
        upstream.dispose();
    }
}

这样就可以实现多次订阅同一个 Observer 了。运行结果:

RepeatedSubscribeMyObserver: Start
RepeatedSubscribeMyObserver: "I"
RepeatedSubscribeMyObserver: "Have"
RepeatedSubscribeMyObserver: "a"
RepeatedSubscribeMyObserver: "dream"
RepeatedSubscribeMyObserver: Complete
RepeatedSubscribeMyObserver: Start
RepeatedSubscribeMyObserver: "changed"
RepeatedSubscribeMyObserver: Complete

弄懂了 Observable.fromArray 的实现原理,就弄清楚了 Observable 中很多基本方法的基本套路。比如 just 方法有两个及以上参数时,其实是 fromArray 的包装,而 range 方法则是创建一个 RangeDisposable 来处理。

Observable.just(1,2,3).subscribe(observer);
Observable.range(1,4).subscribe(observer);

装饰器

RxJava 大量使用了装饰器模式。在 observable 包下有一个继承自 Observable 的抽象类 AbstractObservableWithUpstream,所有继承它的子类,都遵循一个相同的套路:一个 Observable 子类,以及一个相应的 Observer 装饰者。 比如 ObservableDelay 里面就相应有一个 DelayObserver ,实现观察者的延迟或周期性接收。学会举一反三、触类旁通。相应实现如下:

public final class ObservableDelay<T> extends AbstractObservableWithUpstream<T, T> {
    final long delay;
    final TimeUnit unit;
    final Scheduler scheduler;
    final boolean delayError;

    public ObservableDelay(ObservableSource<T> source, long delay, TimeUnit unit, Scheduler scheduler, boolean delayError) {
        super(source);
        this.delay = delay;
        this.unit = unit;
        this.scheduler = scheduler;
        this.delayError = delayError;
    }

    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void subscribeActual(Observer<? super T> t) {
        Observer<T> observer;
        if (delayError) {
            observer = (Observer<T>)t;
        } else {
            observer = new SerializedObserver<T>(t);
        }

        Scheduler.Worker w = scheduler.createWorker();

        source.subscribe(new DelayObserver<T>(observer, delay, unit, w, delayError));
    }

    static final class DelayObserver<T> implements Observer<T>, Disposable {
        final Observer<? super T> downstream;
        final long delay;
        final TimeUnit unit;
        final Scheduler.Worker w;
        final boolean delayError;

        Disposable upstream;

        DelayObserver(Observer<? super T> actual, long delay, TimeUnit unit, Worker w, boolean delayError) {
            super();
            this.downstream = actual;
            this.delay = delay;
            this.unit = unit;
            this.w = w;
            this.delayError = delayError;
        }

        @Override
        public void onSubscribe(Disposable d) {
            if (DisposableHelper.validate(this.upstream, d)) {
                this.upstream = d;
                downstream.onSubscribe(this);
            }
        }

        @Override
        public void onNext(final T t) {
            w.schedule(new OnNext(t), delay, unit);
        }

        final class OnNext implements Runnable {
            private final T t;

            OnNext(T t) {
                this.t = t;
            }

            @Override
            public void run() {
                downstream.onNext(t);
            }
        }
    }
}

组合

上文谈到了响应式编程的一大基本元素是函数式编程。函数式的优势是可以无限叠加组合,构建出灵活多变的函数和行为。这使得观察者的行为也可以定制得更加灵活。可以组合多个 Observable 的发射行为。

合并

简单的组合使用 merge 方法,构造一个 Observable 的列表,依次遍历合并后的每个 Observable 的发射信息:

Iterable<? extends ObservableSource<? extends Integer>> observableSourceSet = Sets.newHashSet(
                Observable.fromArray(3,4,5),
                Observable.range(10,3)
        );
        Observable.merge(observableSourceSet).subscribe(observer);

流式

Observable 可以通过 Stream 进行组合,这里就是函数式编程的用武之地了。如下代码所示:

Observable.range(1,10).filter(x -> x%2 ==0).subscribe(observer);

注意到,这里使用到了装饰器模式。filter 方法会创建一个 ObservableFilter 对象,而在这个对象里,subscribeActual 方法会创建一个 FilterObserver 将传入的 observer 装饰起来。downstream 即是传入的 observer。


@CheckReturnValue
@SchedulerSupport(SchedulerSupport.NONE)
public final Observable<T> filter(Predicate<? super T> predicate) {
    ObjectHelper.requireNonNull(predicate, "predicate is null");
    return RxJavaPlugins.onAssembly(new ObservableFilter<T>(this, predicate));
}

public final class ObservableFilter<T> extends AbstractObservableWithUpstream<T, T> {
    final Predicate<? super T> predicate;
    public ObservableFilter(ObservableSource<T> source, Predicate<? super T> predicate) {
        super(source);
        this.predicate = predicate;
    }

    @Override
    public void subscribeActual(Observer<? super T> observer) {
        source.subscribe(new FilterObserver<T>(observer, predicate));  // FilterObserver 装饰了传入的自定义的 observer 
    }

    static final class FilterObserver<T> extends BasicFuseableObserver<T, T> {
        final Predicate<? super T> filter;

        FilterObserver(Observer<? super T> actual, Predicate<? super T> filter) {
            super(actual);
            this.filter = filter;
        }

        @Override
        public void onNext(T t) {     // 这里对传入的 Observer.onNext 做了个装饰,仅当条件成立时才调用
            if (sourceMode == NONE) {
                boolean b;
                try {
                    b = filter.test(t);
                } catch (Throwable e) {
                    fail(e);
                    return;
                }
                if (b) {
                    downstream.onNext(t);  // downstream 即是我们传入的自定义的 Observer
                }
            } else {
                downstream.onNext(null);
            }
        }
}

正如 filter 对发射数据流进行过滤,map 或 flatMap 则对发射数据流进行映射变换,与 stream.map 或 stream.flatMap 的功能类似:

Observable.range(1,10).map(x -> x*x).subscribe(observer);
Observable.range(1,10).flatMap(x -> Observable.just(x*x)).subscribe(observer);

map 方法将创建一个 ObservableMap 对象,在 subscribeActual 中用 MapObserver 将所传入的 observer 装饰起来;flatMap 将创建一个 ObservableFlatMap 对象,在 subscribeActual 中 MergeObserver 将传入的 observer 装饰起来。

还可以使用 scan:对于生成的每个值,使用累加器 (x,y) -> x*y 生成新的值并发射。

Observable.range(1, 10).scan(1, (x,y) -> x*y).subscribe(observer);

最后再给个分组的示例:

Observable.just(28,520,25,999).groupBy( i -> ( i > 100 ? "old": "new")).subscribe(new GroupedRepeatedSubscribeMyObserver());

/**
 * @Description 可重复订阅的分组观察者
 * @Date 2021/1/24 10:11 上午
 * @Created by qinshu
 */
public class GroupedRepeatedSubscribeMyObserver extends RepeatedSubscribeMyObserver<GroupedObservable> {
    @Override
    public void onNext(GroupedObservable o) {
        o.subscribe(new RepeatedSubscribeMyObserver() {
            @Override
            public void onNext(Object v) {
                String info = String.format("GroupedRepeatedSubscribeMyObserver: [group=%s][value=%s]", o.getKey(), JSON.toJSONString(v));
                System.out.println(info);
            }
        });

    }

}

groupBy 方法生成的是一个 GroupedObservable ,因此要订阅一个 Observer 的观察者实现。

本文先写到这里。

项目代码见工程: “ALLIN” 的包 zzz.study.reactor 下。需要引入 Maven 依赖:

<dependency>
    <groupId>io.reactivex.rxjava2</groupId>
    <artifactId>rxjava</artifactId>
    <version>2.2.20</version>
</dependency>

小结

本文讲解了响应式编程及 RxJava 库的最基本概念:Observable , Observer 及 Emitter, Disposable ,也讲到了如何组合 Observable 来构建更灵活的消息发射机制。这些基本构成了响应式编程的基本骨架流程。

响应式编程的强大能力构建在事件驱动机制和函数式编程上,里面大量应用了装饰器模式。因此,熟悉这些基本编程思想,对掌握响应式编程模型亦大有裨益。

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