Net中的反应式编程(Reactive Programming)
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：
- Rx-Core
- Rx-Interfaces
- Rx-Linq
三、UI编程中使用Rx
Rx模型不但使得代码更加具有声明性，而且使得UI编程更加简单。
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(5000); MessageBox.Show("hello world"); } |
Thread.Sleep(5000);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
9
10
11
12
13
14
|
void BtnSecondEventAsyncModel_Click(object sender, EventArgs e){ Action action = () => { Task.Run(() => { BtnSecondEventAsyncModel.BackColor = Color.Coral; Thread.Sleep(5000); MessageBox.Show("hello world"); }); }; BeginInvoke(action);} |
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。
在Rx中选择合适的Scheduler类型就可以轻松解决多线程更新UI的问题。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
|
btnSecondReactiveMode.FromClickEventPattern() .ObserveOn(new NewThreadScheduler()) .Subscribe(e => { btnSecondReactiveMode.BackColor = Color.Coral; Thread.Sleep(5000); MessageBox.Show("hello world"); }); |
一句ObserveOn(new NewThreadScheduler())成功让后面的观察者跑在了新线程中，并且避免了多线程更新UI的问题，使用者无需再被这种问题所困扰。——抱歉，这一段描述有问题，简单的使用NewThreadScheduler并不能保证异步更新UI。待我周末了详细补充一下Rx中的异步能力。
注：使用Scheduler需要从Nuget中安装Rx-PlatformServices。
常用的Scheduler有：
- DefaultScheduler:默认的Scheduler，会将观察者添加在调用队列中
- ImmediateScheduler：立即执行
- TaskPoolScheduler：用来执行短时间的任务
- ...
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。
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())); |
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、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。