Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解

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背压(backpressure)

数据流发射,处理,响应可能在各自的线程中独立进行,上游在发射数据的时候,不知道下游是否处理完,也不会等下游处理完之后再发射。
这样,如果上游发射的很快而下游处理的很慢,会怎样呢?
将会产生很多下游没来得及处理的数据,这些数据既不会丢失,也不会被垃圾回收机制回收,而是存放在一个异步缓存池中,如果缓存池中的数据一直得不到处理,越积越多,最后就会造成内存溢出,这便是Rxjava中的背压问题。
例如,运行以下代码:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第1张图片
创建一个可观察对象Obervable在Schedulers.newThread()()的线程中不断发送数据,而观察者Observer在Schedulers.newThread()的另一个线程中每隔5秒接收一条数据,运行后,查看内存使用如下:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第2张图片
由于上下游分别在各自的线程中独立处理数据(如果上下游在同一线程中,下游对数据的处理会堵塞上游数据的发送,上游发送一条数据后会等下游处理完之后再发送下一条),而上游发送数据速度远大于下游接收数据的速度,造成上下游流速不均,导致数据累计,最后引起内存溢出。

Flowable

Flowable是为了解决背压(backpressure)问题,而在Observable的基础上优化后的产物,与Observable不是同一组观察者模式下的成员,Flowable是Publisher与Subscriber这一组观察者模式中Publisher的典型实现,Observable是ObservableSource/Observer这一组观察者模式中ObservableSource的典型实现;
所以在使用Flowable的时候,可观察对象不再是Observable,而是Flowable;观察者不再是Observer,而是Subscriber。Flowable与Subscriber之间依然通过subscribe()进行关联。
有些朋友可能会想,既然Flowable是在Observable的基础上优化后的产物,Observable能解决的问题Flowable都能进行解决,何不抛弃Observable而只用Flowable呢。其实,这是万万不可的,他们各有自己的优势和不足。
由于基于Flowable发射的数据流,以及对数据加工处理的各操作符都添加了背压支持,附加了额外的逻辑,其运行效率要比Observable低得多。
因为只有上下游运行在各自的线程中,且上游发射数据速度大于下游接收处理数据的速度时,才会产生背压问题。
所以,如果能够确定上下游在同一个线程中工作,或者上下游工作在不同的线程中,而下游处理数据的速度高于上游发射数据的速度,则不会产生背压问题,就没有必要使用Flowable,以免影响性能。
通过Flowable发射处理数据流的基础代码如下:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第3张图片
执行结果如下:
引用

System.out: 发射----> 1
System.out: 发射----> 2
System.out: 发射----> 3
System.out: 发射----> 完成
System.out: 接收----> 1
System.out: 接收----> 2
System.out: 接收----> 3
System.out: 接收----> 完成

我们发现运行结果与Observerable没有区别,但是的代码中,除了为上下游指定各自的运行线程外,还有三点不同
一、create方法中多了一个BackpressureStrategy类型的参数。
二、onSubscribe回调的参数不是Disposable而是Subscription,多了行代码:
s.request(Long.MAX_VALUE);

三、Flowable发射数据时,使用的发射器是FlowableEmitter而不是ObservableEmitter

BackpressureStrategy背压策略

在Flowable的基础创建方法create中多了一个BackpressureStrategy类型的参数,
BackpressureStrategy是个枚举,源码如下:
public enum BackpressureStrategy {
   ERROR,BUFFER,DROP,LATEST,MISSING
}

其作用是什么呢?
Flowable的异步缓存池不同于Observable,Observable的异步缓存池没有大小限制,可以无限制向里添加数据,直至OOM,而Flowable的异步缓存池有个固定容量,其大小为128。
BackpressureStrategy的作用便是用来设置Flowable通过异步缓存池存储数据的策略。

ERROR

在此策略下,如果放入Flowable的异步缓存池中的数据超限了,则会抛出MissingBackpressureException异常。
运行如下代码:
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Flowable发射129条数据,Subscriber在睡10秒之后再开始接收,运行后会发现控制台打印如下异常:
引用

W/System.err: io.reactivex.exceptions.MissingBackpressureException: create: could not emit value due to lack of requests
W/System.err:     at io.reactivex.internal.operators.flowable.FlowableCreate$ErrorAsyncEmitter.onOverflow(FlowableCreate.java:411)
W/System.err:     at io.reactivex.internal.operators.flowable.FlowableCreate$NoOverflowBaseAsyncEmitter.onNext(FlowableCreate.java:377)
W/System.err:     at net.fbi.rxjava2.RxJava2Demo$6.subscribe(RxJava2Demo.java:103)
W/System.err:     at io.reactivex.internal.operators.flowable.FlowableCreate.subscribeActual(FlowableCreate.java:72)
W/System.err:     at io.reactivex.Flowable.subscribe(Flowable.java:12218)
W/System.err:     at io.reactivex.internal.operators.flowable.FlowableSubscribeOn$SubscribeOnSubscriber.run(FlowableSubscribeOn.java:82)
W/System.err:     at io.reactivex.internal.schedulers.ScheduledRunnable.run(ScheduledRunnable.java:59)
W/System.err:     at io.reactivex.internal.schedulers.ScheduledRunnable.call(ScheduledRunnable.java:51)
W/System.err:     at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:237)
W/System.err:     at java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor$ScheduledFutureTask.access$201(ScheduledThreadPoolExecutor.java:154)
W/System.err:     at java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor$ScheduledFutureTask.run(ScheduledThreadPoolExecutor.java:269)
W/System.err:     at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1113)
W/System.err:     at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:588)
W/System.err:     at java.lang.Thread.run(Thread.java:818)

如果将Flowable发射数据的条数改为128,则不会出现此异常。

DROP

在此策略下,如果Flowable的异步缓存池满了,会丢掉将要放入缓存池中的数据。
运行如下代码:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第5张图片
在上面代码中通过创建Flowable发射500条数据,每隔100毫秒发射一次,并记录开始发射和结束发射的时间,下游每隔300毫秒接收一次数据,运行后,控制台打印日志如下:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第6张图片
通过日志
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第7张图片
我们可以发现Subscriber在接收完第128条数据后,再次接收的时候已经到了288,而这之间的60条数据正是因为缓存池满了而被丢弃掉了。
那么问题来了,当Flowable在发射第129条数据的时候,Subscriber已经接收了42条数据了,第129条数据为什么没有放入缓存池中呢?日志如下:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第8张图片
那是因为缓存池中数据的清理,并不是Subscriber接收一条,便清理一条,而是每累积到95条清理一次。也就是Subscriber接收到第96条数据时,缓存池才开始清理数据,之后Flowable发射的数据才得以放入。
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第9张图片
查看日志可以发现,Subscriber接收到第96条数据后,Flowable发射第288条数据。而第128到288之间的数据,正好处于缓存池存满的状态,而被丢弃,所以Subscriber在接收完第128条数据之后,接收到的是第288条数据,而不是第129条。

LATEST

与Drop策略一样,如果缓存池满了,会丢掉将要放入缓存池中的数据,不同的是,不管缓存池的状态如何,LATEST都会将最后一条数据强行放入缓存池中。
将上述代码中的DROP策略改为LATEST:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第10张图片
运行后日志对比如下:
DROP:
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LATEST:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第12张图片
latest策略下Subscriber在接收完成之前,接收的数据是Flowable发射的最后一条数据,而Drop策略下不是。

BUFFER

此策略下,Flowable的异步缓存池同Observable的一样,没有固定大小,可以无限制向里添加数据,不会抛出MissingBackpressureException异常,但会导致OOM。
运行如下代码:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第13张图片
查看内存使用:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第14张图片
会发现和使用Observalbe时一样,都会导致内存剧增,最后导致OOM,不同的是使用Flowable内存增长的速度要慢得多,那是因为基于Flowable发射的数据流,以及对数据加工处理的各操作符都添加了背压支持,附加了额外的逻辑,其运行效率要比Observable低得多。

MISSING

此策略表示,通过Create方法创建的Flowable没有指定背压策略,不会对通过OnNext发射的数据做缓存或丢弃处理,需要下游通过背压操作符(onBackpressureBuffer()/onBackpressureDrop()/onBackpressureLatest())指定背压策略。

onBackpressureXXX背压操作符

Flowable除了通过create创建的时候指定背压策略,也可以在通过其它创建操作符just,fromArray等创建后通过背压操作符指定背压策略。
onBackpressureBuffer()对应BackpressureStrategy.BUFFER
onBackpressureDrop()对应BackpressureStrategy.DROP
onBackpressureLatest()对应BackpressureStrategy.LATEST
例如代码
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等同于,代码:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第16张图片
Subscription

Subscription与Disposable均是观察者与可观察对象建立订阅状态后回调回来的参数,如同通过Disposable的dispose()方法可以取消Observer与Oberverable的订阅关系一样,通过Subscription的cancel()方法也可以取消Subscriber与Flowable的订阅关系。
不同的是接口Subscription中多了一个方法request(long n),如上面代码中的:
 s.request(Long.MAX_VALUE);

此方法的作用是什么呢,去掉这个方法会有什么影响呢?
运行如下代码:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第17张图片
运行结果如下:
引用

System.out: 发射----> 1
System.out: 发射----> 2
System.out: 发射----> 3
System.out: 发射----> 完成

我们发现Flowable照常发送数据,而Subsriber不再接收数据。
这是因为Flowable在设计的时候,采用了一种新的思路——响应式拉取方式,来设置下游对数据的请求数量,上游可以根据下游的需求量,按需发送数据。
如果不显示调用request则默认下游的需求量为零,所以运行上面的代码后,上游Flowable发射的数据不会交给下游Subscriber处理。
运行如下代码:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第18张图片
运行结果如下:
System.out: 发射----> 1
System.out: 发射----> 2
System.out: 发射----> 3
System.out: 发射----> 完成
System.out: 接收----> 1
System.out: 接收----> 2

我们发现通过s.request(2);设置Subscriber的数据请求量为2条,超出其请求范围之外的数据则没有接收。
多次调用request会产生怎样的结果呢?
运行如下代码:
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通过Flowable发射10条数据,在onSubscribe(Subscription s) 方法中调用两次request,运行结果如下:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第20张图片
我们发现Subscriber总共接收了7条数据,是两次需求累加后的数量。

通过日志我们发现,上游并没有根据下游的实际需求,发送数据,而是能发送多少,就发送多少,不管下游是否需要。
而且超出下游需求之外的数据,仍然放到了异步缓存池中。这点我们可以通过以下代码来验证:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第21张图片
通过Flowable发射130条数据,通过s.request(1)设置下游的数据请求量为1条,设置缓存策略为BackpressureStrategy.ERROR,如果异步缓存池超限,会导致MissingBackpressureException异常。
运行之后,日志如下:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第22张图片
久违的异常出现了,所以超出下游需求之外的数据,仍然放到了异步缓存池中,并导致缓存池溢出。

那么上游如何才能按照下游的请求数量发送数据呢,
虽然通过request可以设置下游的请求数量,但是上游并没有获取到这个数量,如何获取呢?
这便需要用到Flowable与Observable的第三点区别,Flowable特有的发射器FlowableEmitter

FlowableEmitter

flowable的发射器FlowableEmitter与observable的发射器ObservableEmitter均继承自Emitter(Emitter在教程二中已经说过了)
比较两者源码可以发现;
public interface ObservableEmitter extends Emitter {

    void setDisposable(Disposable d);

    void setCancellable(Cancellable c);

    boolean isDisposed();
  
    ObservableEmitter serialize();
}


public interface FlowableEmitter extends Emitter {

    void setDisposable(Disposable s);

    void setCancellable(Cancellable c);

    long requested();

    boolean isCancelled();

    FlowableEmitter serialize();
}

接口FlowableEmitter中多了一个方法
long requested();

我们可以通过这个方法来获取当前未完成的请求数量,
运行下面的代码,这次我们要先丧失一下原则,虽然我们之前说过同步状态下不使用Flowable,但是这次我们需要先看一下同步状态下情况。
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打印日志如下:
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通过日志我们发现, 通过e.requested()获取到的是一个动态的值,会随着下游已经接收的数据的数量而递减。
在上面的代码中,我们没有指定上下游的线程,上下游运行在同一线程中。
这与我们之前提到的,同步状态下不使用Flowable相违背。那是因为异步情况下e.requested()的值太复杂,必须通过同步情况过渡一下才能说得明白。
我们在上面代码的基础上,给上下游指定独立的线程,代码如下
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运行后日志如下:
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虽然我们指定了下游的数据请求量为3,但是我们在上游获取未完成请求数量的时候,并不是3,而是128。难道上游有个最小未完成请求数量?只要下游设置的数据请求量小于128,上游获取到的都是128?
带着这个疑问,我们试一下当下游的数据请求量为500,大于128时的情况。
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运行日志如下;
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结果还是128.
其实不论下游通过s.request();设置多少请求量,我们在上游获取到的初始未完成请求数量都是128。
这是为啥呢?
还记得之前我们说过,Flowable有一个异步缓存池,上游发射的数据,先放到异步缓存池中,再由异步缓存池交给下游。所以上游在发射数据时,首先需要考虑的不是下游的数据请求量,而是缓存池中能不能放得下,否则在缓存池满的情况下依然会导致数据遗失或者背压异常。如果缓存池可以放得下,那就发送,至于是否超出了下游的数据需求量,可以在缓存池向下游传递数据时,再作判断,如果未超出,则将缓存池中的数据传递给下游,如果超出了,则不传递。
如果下游对数据的需求量超过缓存池的大小,而上游能获取到的最大需求量是128,上游对超出128的需求量是怎么获取到的呢?
带着这个疑问,我们运行一下,下面的代码,上游发送150个数据,下游也需要150个数据。
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第29张图片
截取部分日志如下:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第30张图片
我们发现通过e.requested()获取到的上游当前未完成请求数量并不是一直递减的,在递减到33时,又回升到了128.而回升的时机正好是在下游接收了96条数据之后。我们之前说过,异步缓存池中的数据并不是向下游发射一条便清理一条,而是每等累积到95条时,清理一次。通过e.requested()获取到的值,正是在异步缓存池清理数据时,回升的。也就是,异步缓存池每次清理后,有剩余的空间时,都会导致上游未完成请求数量的回升,这样既不会引发背压异常,也不会导致数据遗失。
上游在发送数据的时候并不需要考虑下游需不需要,而只需要考虑异步缓存池中是否放得下,放得下便发,放不下便暂停。所以,通过e.requested()获取到的值,并不是下游真正的数据请求数量,而是异步缓存池中可放入数据的数量。数据放入缓存池中后,再由缓存池按照下游的数据请求量向下传递,待到传递完的数据累积到95条之后,将其清除,腾出空间存放新的数据。如果下游处理数据缓慢,则缓存池向下游传递数据的速度也相应变慢,进而没有传递完的数据可清除,也就没有足够的空间存放新的数据,上游通过e.requested()获取的值也就变成了0,如果此时,再发送数据的话,则会根据BackpressureStrategy背压策略的不同,抛出MissingBackpressureException异常,或者丢掉这条数据。
所以上游只需要在e.requested()等于0时,暂停发射数据,便可解决背压问题。
最终方案

下面我们回到最初的问题
运行下面代码:
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由于下游处理数据的速度(Thread.sleep(50))赶不上上游发射数据的速度,则会导致背压问题。
运行后查看内存使用如下:
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内存暴增,很快就会OOM
下面,对其通过Flowable做些改进,让其既不会产生背压问题,也不会引起异常或者数据丢失。
代码如下:
Flowable背压支持——几乎可以说是对Flowable最全面而详细的讲解_第33张图片
下游处理数据的速度Thread.sleep(50)赶不上上游发射数据的速度,
不同的是,我们在下游onNext(Integer integer) 方法中,每接收一条数据增加一条请求量,
mSubscription.request(1)

在上游添加代码
if(e.requested()==0)continue;

让上游按需发送数据。
运行后查看内存:
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内存一直相当的平静,而且上游严格按照下游的需求量发送数据,不会产生MissingBackpressureException异常,或者丢失数据。
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