Net中的反应式编程

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：

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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：

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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：

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

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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：

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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。

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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：

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//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：

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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：

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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：

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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。

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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。

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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。

• RxJS: Javascript中的Rx
• RxCpp:C++中的Rx
• Rx.rb: Ruby中的Rx
• RxPy:python中的Rx

 

分类: .NET