.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：

          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：

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：

    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);
    }

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：

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：

Install-Package Rx-main

三、UI编程中使用Rx

Rx模型不但使得代码更加具有声明性，Rx还可以用在UI编程中。

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。

       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：

            //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：

        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。

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：

       void btnSecondEventMode_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            btnSecondEventMode.BackColor = Color.Coral;
            Thread.Sleep(2000);
            lblMessage.Text = "event mode";
        }

Thread.Sleep(2000);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：

          BtnSecondEventAsyncModel.BackColor = Color.Coral;
 
            Task.Run(() =>
            {
                Thread.Sleep(2000);
                Action showMessage = () => lblMessage.Text = "async event mode";
                lblMessage.Invoke(showMessage);
            });

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。

Rx方案：

btnSecondReactiveMode.FromClickEventPattern()
                .Subscribe(e =>
                {
                    Observable.Start(() =>
                    {
                        btnSecondReactiveMode.BackColor = Color.Coral;
                        Thread.Sleep(2000);
                        return "reactive mode";
                    })
                        .SubscribeOn(ThreadPoolScheduler.Instance)
                        .ObserveOn(this)
                        .Subscribe(x =>
                        {
                            lblMessage.Text = x;
                        });
                });

一句SubscribeOn(ThreadPoolScheduler.Instance)将费时的操作跑在了新线程中，ObserveOn(this)让后面的观察者跑在了UI线程中。

注：使用ObserveOn(this)需要使用Rx-WinForms

Install-Package Rx-WinForms

这个例子虽然成功了，但是并没有比BeginInvoke(Action action)的方案有明显的进步之处。在一个事件流中再次使用Ovservable.Start()开启新的观察者让人更加摸不着头脑。这并不是Rx的问题，而是事件模型在UI编程中存在局限性：不方便使用异步，不具备可测试性等。以XMAL和MVVM为核心的UI编程模型将在未来处于主导地位，由于在MVVM中可以将UI绑定到一个Command，从而解耦了事件模型。

开源项目ReactiveUI提供了一个以Rx基础的UI编程方案，可以使用在XMAL和MVVM为核心的UI编程中，例如：Xamarin，WFP，Windows Phone8等开发中。

注：在WPF中使用ObserveOn()需要安装Rx-WPF

Install-Package Rx-WPF

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。

            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。

Return可以创建一个具体的IObservable<T>：

       public static void UsingReturn()
        {
            var greeting = Observable.Return("Hello world");
            greeting.Subscribe(Console.WriteLine);
        }

Create也可以创建一个IObservable<T>，并且拥有更加丰富的重载：

       public static void UsingCreate()
        {
            var greeting = Observable.Create<string>(observer =>
            {
                observer.OnNext("Hello world");
                return Disposable.Create(() => Console.WriteLine("Observer has unsubscribed"));
            });
 
            greeting.Subscribe(Console.WriteLine);
        }

Range方法可以产生一个指定范围内的IObservable<T>

 Observable.Range(1, 10)
           .Subscribe(x => Console.WriteLine(x.ToString()));

Generate方法是一个折叠操作的逆向操作，又称Unfold方法：

       public static void UsingGenerate()
        {
            var range = Observable.Generate(0, x => x < 10, x => x + 1, x => x);
            range.Subscribe(Console.WriteLine);
        }

Interval方法可以每隔一定时间产生一个IObservable<T>：

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。

 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：

Enumerable.Range(1, 10).ToObservable()
          .Subscribe(x => Console.WriteLine(x.ToString()));

也可以将IObservable<T>转化为IEnumerable<T>

var list= Observable.Range(1, 10).ToEnumerable();

六、Scheduler

Rx的核心是观察者模式和异步，Scheduler正是为异步而生。我们在之前的例子中已经接触过一些具体的Scheduler了，那么他们都具体是做什么的呢?

1、先看下面的代码：

        public static void UsingScheduler()
        {
            Console.WriteLine("Starting on threadId:{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            var source = Observable.Create<int>(
            o =>
            {
                Console.WriteLine("Invoked on threadId:{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                o.OnNext(1);
                o.OnNext(2);
                o.OnNext(3);
                o.OnCompleted();
                Console.WriteLine("Finished on threadId:{0}",Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
                return Disposable.Empty;
            });
            source
            //.SubscribeOn(NewThreadScheduler.Default)
            //.SubscribeOn(ThreadPoolScheduler.Instance)
            .Subscribe(
            o => Console.WriteLine("Received {1} on threadId:{0}",Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,o),
            () => Console.WriteLine("OnCompleted on threadId:{0}",Thread.CurrentThread.ManagedThreadId));
            Console.WriteLine("Subscribed on threadId:{0}", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        } 

当我们不使用任何Scheduler的时候，整个Rx的观察者和主题都跑在主线程中，也就是说并没有异步执行。正如下面的截图，所有的操作都跑在threadId=1的线程中。

当我们使用SubscribeOn(NewThreadScheduler.Default)或者SubscribeOn(ThreadPoolScheduler.Instance)的时候，观察者和主题都跑在了theadId=3的线程中。

这两个Scheduler的区别在于：NewThreadScheduler用于执行一个长时间的操作，ThreadPoolScheduler用来执行短时间的操作。

2、SubscribeOn和ObserveOn的区别

上面的例子仅仅展示了SubscribeOn()方法，Rx中还有一个ObserveOn()方法。stackoverflow上有一个这样的问题：What's the difference between SubscribeOn and ObserveOn，其中一个简单的例子很好的诠释了这个区别。

        public static void DifferenceBetweenSubscribeOnAndObserveOn()
        {
            Thread.CurrentThread.Name = "Main";
 
            IScheduler thread1 = new NewThreadScheduler(x => new Thread(x) { Name = "Thread1" });
            IScheduler thread2 = new NewThreadScheduler(x => new Thread(x) { Name = "Thread2" });
 
            Observable.Create<int>(o =>
            {
                Console.WriteLine("Subscribing on " + Thread.CurrentThread.Name);
                o.OnNext(1);
                return Disposable.Create(() => { });
            })
            //.SubscribeOn(thread1)
            //.ObserveOn(thread2)
            .Subscribe(x => Console.WriteLine("Observing '" + x + "' on " + Thread.CurrentThread.Name));
        }

• 当我们注释掉：SubscribeOn(thread1)和ObserveOn(thread2)时的结果如下：

  

  观察者和主题都跑在name为Main的thread中。

• 当我们放开SubscribeOn(thread1)：

  

  主题和观察者都跑在了name为Thread1的线程中

• 当我们注释掉：SubscribeOn(thread1)，放开ObserveOn(thread2)时的结果如下：

  

  主题跑在name为Main的主线程中，观察者跑在了name=Thread2的线程中。

• 当我们同时放开SubscribeOn(thread1)和ObserveOn(thread2)时的结果如下：

  

  主题跑在name为Thread1的线程中，观察者跑在了name为Thread2的线程中。

至此结论应该非常清晰了：SubscribeOn()和ObserveOn()分别控制着主题和观察者的异步。

七、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

参考资源：

http://rxwiki.wikidot.com/101samples

http://introtorx.com/Content/v1.0.10621.0/01_WhyRx.html#WhyRx

http://www.codeproject.com/Articles/646361/Reactive-Programming-For-NET-And-Csharp-Developers