响应式编程知多少 | 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 使用可观察数据流进行异步编程的API。
ReactiveX结合了观察者模式、迭代器模式和函数式编程的精华。

关于Reactive（本文统一译作响应式），有一个The Reactive Manifesto
<https://www.reactivemanifesto.org/zh-CN>【响应式宣言】：响应式系统（Reactive
System）具备以下特质：即时响应性（Responsive）、回弹性（Resilient）、弹性（Elastic）以及消息驱动（Message
Driven）。



很显然开发一个响应式系统，并不简单。
那本文就来讲一讲如何基于Rx.NET进行响应式编程，进而开发更加灵活、松耦合、可伸缩的响应式系统。

2. 编程范式

在开始之前呢，我们有必要了解下几种编程范式：命令式编程、声明式编程、函数式编程和响应式编程。

命令式编程：命令式编程的主要思想是关注计算机执行的步骤，即一步一步告诉计算机先做什么再做什么。
//1. 声明变量 List<int> results = new List<int>(); //2. 循环变量 foreach(var num in
Enumerable.Range(1,10)) { //3. 添加条件 if (num > 5) { //4. 添加处理逻辑
results.Add(num); Console.WriteLine(num); } }
声明式编程：声明式编程是以数据结构的形式来表达程序执行的逻辑。它的主要思想是告诉计算机应该做什么，但不指定具体要怎么做。
var nums = from num in Enumerable.Range(1,10) where num > 5 select num
函数式编程：主要思想是把运算过程尽量写成一系列嵌套的函数调用。
Enumerable.Range(1, 10).Where(num => num >
5).ToList().ForEach(Console.WriteLine);
响应式编程：响应式编程是一种面向数据流和变化传播的编程范式，旨在简化事件驱动应用的实现。响应式编程专注于如何创建依赖于变更的数据流并对变化做出响应。
IObservable<int> nums = Enumerable.Range(1, 10).ToObservable(); IDisposable
subscription = nums.Where(num => num > 5).Subscribe(Console.WriteLine);
subscription.Dispose();
3. Hello Rx.NET

从一个简单的Demo开始。
假设我们现在模拟电热壶烧水，实时输出当前水温，一般我们会这样做：
Enumerable.Range(1, 100).ToList().ForEach(Console.WriteLine); // do something
else. 阻塞
假设当前程序是智能家居的中控设备，不仅控制电热壶烧水，还控制其他设备，为了避免阻塞主线程。一般我们会创建一个Thread或Task去做。
Task.Run(() => Enumerable.Range(1, 100).ToList().ForEach(Console.WriteLine));
// do something else. 非阻塞
假设现在我们不仅要在控制台输出而且还要实时通过扬声器报警。这时我们应该想到委托和事件。
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($"当前温度：{temperature}"); } private void MakeAlerm(int
temperature) { Console.WriteLine($"嘟嘟嘟，当前水温{temperature}"); } } class Program {
static void Main(string[] args) { Heater heater = new Heater();
heater.BoilWater(); } }
瞬间代码量就上去了。但是借助Rx.NET，我们可以简化成以下代码：
var observable = Enumerable.Range(1,
100).ToObservable(NewTheadScheduler.Default);//申明可观察序列 Subject<int> subject =
new Subject<int>();//申明Subject subject.Subscribe((temperature) =>
Console.WriteLine($"当前温度：{temperature}"));//订阅subject
subject.Subscribe((temperature) =>
Console.WriteLine($"嘟嘟嘟，当前水温：{temperature}"));//订阅subject
observable.Subscribe(subject);//订阅observable
仅仅通过以下三步：

* 调用ToObservable将枚举序列转换为可观察序列。
* 通过指定NewTheadScheduler.Default来指定在单独的线程进行枚举。
* 调用Subscribe方法进行事件注册。
* 借助Subject进行多播传输
通过以上我们可以看到Rx.NET大大简化了事件处理的步骤，而这只是Rx的冰山一角。

4. Rx.NET 核心

Reactive Extensions <https://github.com/dotnet/reactive>
（Rx）是一个为.NET应用提供响应式编程模型的库，用来构建异步基于事件流的应用，通过安装System.Reactive
Nuget包进行引用。Rx将事件流抽象为Observable sequences（可观察序列）表示异步数据流，使用LINQ运算符查询异步数据流，并使用
Scheduler来控制异步数据流中的并发性。简单地说：Rx = Observables + LINQ + Schedulers。



在软件系统中，事件是一种消息用于指示发生了某些事情。事件由Event Source（事件源）引发并由Event Handler（事件处理程序）使用。
在Rx中，事件源可以由observable表示，事件处理程序可以由observer表示。
但是应用程序使用的数据如何表示呢，例如数据库中的数据或从Web服务器获取的数据。而在应用程序中我们一般处理的数据无外乎两种：静态数据和动态数据。
但无论使用何种类型的数据，其都可以作为流来观察。换句话说，数据流本身也是可观察的。也就意味着，我们也可以用observable来表示数据流。



讲到这里，Rx.NET的核心也就一目了然了：

* 一切皆为数据流
* Observable 是对数据流的抽象
* Observer是对Observable的响应
在Rx中，分别使用IObservable<T>和IObserver<T>接口来表示可观察序列和观察者。它们预置在system命名空间下，其定义如下：
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. 创建IObservable

创建IObservable<T>主要有以下几种方式：
1. 直接实现IObservable<T>接口
2. 使用Observable.Create创建
Observable.Create<int>(observer=>{ for (int i = 0; i < 5; i++) {
observer.OnNext(i); } observer.OnCompleted(); return Disposable.Empty; })
3. 使用Observable.Deffer进行延迟创建（当有观察者订阅时才创建）
比如要连接数据库进行查询，如果没有观察者，那么数据库连接会一直被占用，这样会造成资源浪费。使用Deffer可以解决这个问题。
Observable.Defer(() => { var connection = Connect(user, password); return
connection.ToObservable(); });
4. 使用Observable.Generate创建迭代类型的可观察序列
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创建指定区间的可观察序列
IObservable<int> observable = Observable.Range (0, 10).Select (i => i * 2);
6. 创建特殊用途的可观察序列
Observable.Return ("Hello World");//创建单个元素的可观察序列 Observable.Never<string>
();//创建一个空的永远不会结束的可观察序列 Observable.Throw<ApplicationException> ( new
ApplicationException ("something bad happened"))//创建一个抛出指定异常的可观察序列
Observable.Empty<string> ()//创建一个空的立即结束的可观察序列
7. 使用ToObservable转换IEnumerate和Task类型
Enumerable.Range(1, 10).ToObservable(); IObservable<IEnumerable<string>>
resultsA = searchEngineA.SearchAsync(term).ToObservable();
8. 使用Observable.FromEventPattern<T>和Observable.FromEvent<TDelegate, TEventArgs>
进行事件的转换
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进行资源释放
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创建指定间隔可观察序列


11. 使用Observable.Timer创建可观察的计时器


6. RX 操作符

创建完IObservable后，我们可以对其应用系列Linq操作符，对其进行查询、过滤、聚合等等。Rx内置了以下系列操作符：

下面通过图示来解释常用操作符的作用：


7. 多播传输靠：Subject


基于以上示例，我们了解到，借助Rx可以简化事件模型的实现，而其实质上就是对观察者模式的扩展。提到观察者模式，我们知道一个Subject可以被多个观察者订阅，从而完成消息的多播。同样，在Rx中，也引入了Subject用于多播消息传输，不过Rx中的Subject具有双重身份——即是观察者也是被观察者。
interface ISubject<in TSource, out TResult> :
IObserver<TSource>,IObservable<TResult> { }
Rx中默认提供了以下四种实现：

*
Subject - 向所有观察者广播每个通知


*
AsyncSubject - 当可观察序列完成后有且仅发送一个通知


*
ReplaySubject - 缓存指定通知以对后续订阅的观察者进行重放


*
BehaviorSubject - 推送默认值或最新值给观察者


但对于第一种Subject<T>有一点需要指出，当其有多个观察者序列时，一旦其中一个停止发送消息，则Subject就停止广播所有其他序列后续发送的任何消息。


8. 有温度的可观察者序列

对于Observable，它们是有温度的，有冷热之分。它们的区别如下图所示：


Cold Observable：有且仅当有观察者订阅时才发送通知，且每个观察者独享一份完整的观察者序列。
Hot Observable：不管有无观察者订阅都会发送通知，且所有观察者共享同一份观察者序列。

9. 一切皆在掌控：Scheduler


在Rx中，使用Scheduler来控制并发。而对于Scheduler我们可以理解为程序调度，通过Scheduler来规定在什么时间什么地点执行什么事情。Rx提供了以下几种Scheduler：

* NewThreadScheduler：即在新线程上执行
* ThreadPoolScheduler：即在线程池中执行
* TaskPoolScheduler：与ThreadPoolScheduler类似
* CurrentThreadScheduler：在当前线程执行
* ImmediateScheduler：在当前线程立即执行
* EventLoopScheduler：创建一个后台线程按序执行所有操作
举例而言：
Observable.Return("Hello",NewThreadScheduler.Default)
.Subscribe(str=>Console.WriteLine($"{str} on
ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}") );
Console.WriteLine($"Current ThreadId：{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
以上输出： Current ThreadId：1 Hello on ThreadId：4
10. 最后

罗里吧嗦的总算把《Rx.NET In
Action》这本书的内容大致梳理了一遍，对Rx也有了一个更深的认识，Rx扩展了观察者模式用于支持数据和事件序列，内置系列操作符允许我们以声明式的方式组合这些序列，且无需关注底层的实现进行事件驱动开发：如线程、同步、线程安全、并发数据结构和非阻塞IO。

但事无巨细，难免疏漏。对响应式编程有兴趣的不妨拜读下此书，相信对你会大有裨益。

参考资料：
Rx.NET in Action.pdf
<http://dl1.rapidhosting.info/files/1Y6LHgXt/c14bde04cda2eb9b3c3f1da09dc6987b/Rx.Net.Action.Examples.Tamir.Dresher.31.pdf>
ReactiveX <http://reactivex.io/>
.Net中的反应式编程(Reactive Programming)
<https://www.cnblogs.com/richieyang/p/4974630.html>

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