響應式編程知多少 | 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 使用可觀察數據流進行異步編程的API。
ReactiveX結合了觀察者模式、迭代器模式和函數式編程的精華。

關於Reactive（本文統一譯作響應式），有一個The Reactive Manifesto【響應式宣言】：響應式系統（Reactive System）具備以下特質：即時響應性（Responsive）、回彈性（Resilient）、彈性（Elastic）以及消息驅動（Message Driven）。

很顯然開發一個響應式系統，並不簡單。
那本文就來講一講如何基於Rx.NET進行響應式編程，進而開發更加靈活、松耦合、可伸縮的響應式系統。

2. 編程范式

在開始之前呢，我們有必要了解下幾種編程范式：命令式編程、聲明式編程、函數式編程和響應式編程。

命令式編程：命令式編程的主要思想是關注計算機執行的步驟，即一步一步告訴計算機先做什么再做什么。

//1. 聲明變量
List<int> results = new List<int>();
//2. 循環變量
foreach(var num in Enumerable.Range(1,10))
{
    //3. 添加條件
    if (num > 5)
    {  
        //4. 添加處理邏輯
        results.Add(num);
        Console.WriteLine(num);
    }
}

聲明式編程：聲明式編程是以數據結構的形式來表達程序執行的邏輯。它的主要思想是告訴計算機應該做什么，但不指定具體要怎么做。

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

函數式編程：主要思想是把運算過程盡量寫成一系列嵌套的函數調用。

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

響應式編程：響應式編程是一種面向數據流和變化傳播的編程范式，旨在簡化事件驅動應用的實現。響應式編程專注於如何創建依賴於變更的數據流並對變化做出響應。

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

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

subscription.Dispose();

3. Hello Rx.NET

從一個簡單的Demo開始。
假設我們現在模擬電熱壺燒水，實時輸出當前水溫，一般我們會這樣做：

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

假設當前程序是智能家居的中控設備，不僅控制電熱壺燒水，還控制其他設備，為了避免阻塞主線程。一般我們會創建一個Thread或Task去做。

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

假設現在我們不僅要在控制台輸出而且還要實時通過揚聲器報警。這時我們應該想到委托和事件。

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($"當前溫度：{temperature}");
    }
    private void MakeAlerm(int temperature)
    {
        Console.WriteLine($"嘟嘟嘟，當前水溫{temperature}");
    }
}
class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Heater heater = new Heater();        
        heater.BoilWater();
    }
}

瞬間代碼量就上去了。但是借助Rx.NET，我們可以簡化成以下代碼：

var observable = Enumerable.Range(1, 100).ToObservable(NewTheadScheduler.Default);//申明可觀察序列
Subject<int> subject = new Subject<int>();//申明Subject
subject.Subscribe((temperature) => Console.WriteLine($"當前溫度：{temperature}"));//訂閱subject
subject.Subscribe((temperature) => Console.WriteLine($"嘟嘟嘟，當前水溫：{temperature}"));//訂閱subject
observable.Subscribe(subject);//訂閱observable

僅僅通過以下三步：

1. 調用ToObservable將枚舉序列轉換為可觀察序列。
2. 通過指定NewTheadScheduler.Default來指定在單獨的線程進行枚舉。
3. 調用Subscribe方法進行事件注冊。
4. 借助Subject進行多播傳輸

通過以上我們可以看到Rx.NET大大簡化了事件處理的步驟，而這只是Rx的冰山一角。

4. Rx.NET 核心

Reactive Extensions（Rx）是一個為.NET應用提供響應式編程模型的庫，用來構建異步基於事件流的應用，通過安裝System.ReactiveNuget包進行引用。Rx將事件流抽象為Observable sequences（可觀察序列）表示異步數據流，使用LINQ運算符查詢異步數據流，並使用Scheduler來控制異步數據流中的並發性。簡單地說：Rx = Observables + LINQ + Schedulers。

在軟件系統中，事件是一種消息用於指示發生了某些事情。事件由Event Source（事件源）引發並由Event Handler（事件處理程序）使用。
在Rx中，事件源可以由observable表示，事件處理程序可以由observer表示。
但是應用程序使用的數據如何表示呢，例如數據庫中的數據或從Web服務器獲取的數據。而在應用程序中我們一般處理的數據無外乎兩種：靜態數據和動態數據。 但無論使用何種類型的數據，其都可以作為流來觀察。換句話說，數據流本身也是可觀察的。也就意味着，我們也可以用observable來表示數據流。

講到這里，Rx.NET的核心也就一目了然了：

1. 一切皆為數據流
2. Observable 是對數據流的抽象
3. Observer是對Observable的響應

在Rx中，分別使用IObservable<T>和IObserver<T>接口來表示可觀察序列和觀察者。它們預置在system命名空間下，其定義如下：

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. 創建IObservable

創建IObservable<T>主要有以下幾種方式：
1. 直接實現IObservable<T>接口
2. 使用Observable.Create創建

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

3. 使用Observable.Deffer進行延遲創建（當有觀察者訂閱時才創建）
比如要連接數據庫進行查詢，如果沒有觀察者，那么數據庫連接會一直被占用，這樣會造成資源浪費。使用Deffer可以解決這個問題。

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

4. 使用Observable.Generate創建迭代類型的可觀察序列

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創建指定區間的可觀察序列

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

6. 創建特殊用途的可觀察序列

Observable.Return ("Hello World");//創建單個元素的可觀察序列
Observable.Never<string> ();//創建一個空的永遠不會結束的可觀察序列
Observable.Throw<ApplicationException> (
new ApplicationException ("something bad happened"))//創建一個拋出指定異常的可觀察序列
Observable.Empty<string> ()//創建一個空的立即結束的可觀察序列

7. 使用ToObservable轉換IEnumerate和Task類型

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

8. 使用Observable.FromEventPattern<T>和Observable.FromEvent<TDelegate, TEventArgs>進行事件的轉換

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進行資源釋放

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創建指定間隔可觀察序列

11. 使用Observable.Timer創建可觀察的計時器

6. RX 操作符

創建完IObservable 后，我們可以對其應用系列Linq操作符，對其進行查詢、過濾、聚合等等。Rx內置了以下系列操作符：

下面通過圖示來解釋常用操作符的作用：

7. 多播傳輸靠：Subject

基於以上示例，我們了解到，借助Rx可以簡化事件模型的實現，而其實質上就是對觀察者模式的擴展。提到觀察者模式，我們知道一個Subject可以被多個觀察者訂閱，從而完成消息的多播。同樣，在Rx中，也引入了Subject用於多播消息傳輸，不過Rx中的Subject具有雙重身份——即是觀察者也是被觀察者。

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

Rx中默認提供了以下四種實現：

• Subject - 向所有觀察者廣播每個通知
  

• AsyncSubject - 當可觀察序列完成后有且僅發送一個通知
  

• ReplaySubject - 緩存指定通知以對后續訂閱的觀察者進行重放
  

• BehaviorSubject - 推送默認值或最新值給觀察者
  

但對於第一種Subject<T>有一點需要指出，當其有多個觀察者序列時，一旦其中一個停止發送消息，則Subject就停止廣播所有其他序列后續發送的任何消息。

8. 有溫度的可觀察者序列

對於Observable，它們是有溫度的，有冷熱之分。它們的區別如下圖所示：

Cold Observable：有且僅當有觀察者訂閱時才發送通知，且每個觀察者獨享一份完整的觀察者序列。
Hot Observable：不管有無觀察者訂閱都會發送通知，且所有觀察者共享同一份觀察者序列。

9. 一切皆在掌控：Scheduler

在Rx中，使用Scheduler來控制並發。而對於Scheduler我們可以理解為程序調度，通過Scheduler來規定在什么時間什么地點執行什么事情。Rx提供了以下幾種Scheduler：

1. NewThreadScheduler：即在新線程上執行
2. ThreadPoolScheduler：即在線程池中執行
3. TaskPoolScheduler：與ThreadPoolScheduler類似
4. CurrentThreadScheduler：在當前線程執行
5. ImmediateScheduler：在當前線程立即執行
6. EventLoopScheduler：創建一個后台線程按序執行所有操作

舉例而言：

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

以上輸出：
Current ThreadId：1
Hello on ThreadId：4

10. 最后

羅里吧嗦的總算把《Rx.NET In Action》這本書的內容大致梳理了一遍，對Rx也有了一個更深的認識，Rx擴展了觀察者模式用於支持數據和事件序列，內置系列操作符允許我們以聲明式的方式組合這些序列，且無需關注底層的實現進行事件驅動開發：如線程、同步、線程安全、並發數據結構和非阻塞IO。

但事無巨細，難免疏漏。對響應式編程有興趣的不妨拜讀下此書，相信對你會大有裨益。

參考資料：
Rx.NET in Action.pdf
ReactiveX
.Net中的反應式編程(Reactive Programming)