你可以不用RxJava,但必须得领悟它的思想!

作者:cofbro

前言

Rx 是一种响应式编程的思想,如今有很多语言都支持这种思想:RxJavaRxJsRxSwift...。它是基于特殊的观察者模式来实现的,能够轻松的实现异步事件响应流,避免回调地狱的产生。这种思维和我们平时的编程思维不太相同,它以数据流为核心,处理数据的输入,处理以及输出,因此这个框架学习起来是有一定难度的,加之 RxJava 操作符众多,这又给初学者立了个下马威。

本篇博客会 分析其原理与思想 ,从源码层次对其进行深入分析。

✔️ 本文阅读时长约为: 10min

本篇博客适合已经会简单使用 RxJava 框架并想了解其原理与思想的同学~

RxJava的观察者模式

标准的观察者设计模式 中,通常都是一个被观察者,多个观察者。例如,在抖音中ABCD四人都关注了一个博主 。那么当博主 发布新视频时,甲会去通知ABCD四人,告诉他们我已经发布了新的视频,你们现在可以前去观看。

你可以不用RxJava,但必须得领悟它的思想!_第1张图片

RxJava的观察者设计模式 与前者有些许差异,我的理解是在 RxJava 中只有一个被观察者和一个观察者,被观察者就是数据源也就是 起点 ,而观察者就是 终点起点终点 这一段过程做什么事情由我们自己定义,像加卡片一样往里堆,但始终只有一个 起点 和一个 终点 ,这也就是俗称的卡片式编程。

你可以不用RxJava,但必须得领悟它的思想!_第2张图片

举个栗子

我们的起点是发起网络请求得到一张图片,终点是得到一张加了 水印高斯模糊 的图片。那么我们就需要在 起点终点 这一过程中往里面加两张卡片。一张卡片是加水印的功能,另一张卡片是加高斯模糊的功能,最终我们会在 终点 得到我们的想要的效果,这就是 RxJava 的一个过程,大家看是不是比 标准观察者模式 的耦合度更低呢?

现在结合代码来看一下呢:

    // 示例:创建Observable
    // create方法中的参数是我们自定义的source,下文会提到
    Observable observable = Observable.create(new ObservableOnSubscribe() {
    //----------------------------------被观察者--------------------------------------
        @Override
        public void subscribe(ObservableEmitter e) throws Exception {
            // 数据源(起点),假设我们这里得到了一张图片,开始向下传递
            e.onNext();
        }
    //-----------------------------------卡片1----------------------------------------
    }).map(new Function() {
        // 1.加水印的卡片
        @Override
        public Bitmap apply(Bitmap bitmap) throws Exception {
            // TODO 这里我们将图片加上水印
        }
    //-----------------------------------卡片2----------------------------------------
    }).map(new Function() {
        // 2.加高斯模糊的卡片
        @Override
        public Bitmap apply(Bitmap bitmap) throws Exception {
            // TODO 这里我们将图片加上高斯模糊
        }
    //-----------------------------------观察者---------------------------------------
    // 订阅被观察者
    }).subscribe(new Observer() {
        @Override
        public void onSubscribe(Disposable d) {}

        @Override
        public void onNext(Bitmap bitmap) {
            // 最终获得加了水印和高斯模糊的图片
            // do what you want...
        }

        @Override
        public void onError(Throwable e) {}

        @Override
        public void onComplete() {}
    });

我们可以看到,RxJava 链式调用后在终点能得到我们想要的结果,我们对 Bitmap 的两个操作以 卡片 形式加到了 起点终点 的过程中,这就是 RxJava 的魅力之一。

了解 RxJava 大体的执行流程后,现在我们就从源码角度来解释整个框架内部逻辑是怎样运转的。

RxJava如何将事件逐步传递

首先我们先来看看这些操作符内部逻辑是什么样子的,这里以 createmap 为例子展示:

1️⃣. create

// Observable.java
public static  Observable create(ObservableOnSubscribe source) {
    // 常规空检查
    ObjectHelper.requireNonNull(source, "source is null");
    // 这里是个hook,其实直接放回的是 ObservableCreate
    // 返回的其实就是我们传进来的参数
    return RxJavaPlugins.onAssembly(new ObservableCreate(source));
}

2️⃣. map

// Observable.java
public final  Observable map(Function mapper) {
    // 常规空检查
    ObjectHelper.requireNonNull(mapper, "mapper is null");
    // 这里是个hook,其实直接放回的是 ObservableMap
    // 返回的其实就是我们传进来的参数
    return RxJavaPlugins.onAssembly(new ObservableMap(this, mapper));
}

从上面的例子中可以看出,这两个操作符不管是结构还是逻辑几乎是一模一样,只是 onAssembly 方法中传递的参数不同(其实也可以说是相同的,他们都是 Observable 的子类)。实际上,几乎所有的操作符都是这样的结构,会在内部 new ObservableXXX()

为什么我们的操作符都能链式调用呢?这就跟上面说到的特点有关了,由于几乎所有操作符都是上述结构,返回值的都是 ObservableXXX,而他们都是 Observable 的子类,所以我们能一直通过 .XXXX的形式调用 Observable 中的操作符,一直往里面加 卡片 来完成我们的需求。

⚡⚡ 那么,ObservableXXX类有什么用呢?


1.ObervableXXX的整体认识

其实这些 ObservableXXX 就像工厂中的一个个流水线组装货物的机器,货物从 起点终点 传输,当货物传输到不同的机器上时,这台机器会操作货物完成这一层的组装工作,最后会将其传输到下一个机器上去,完成那个机器的组装任务,直至传输到 终点 整个货物组装完毕。

回头看上面的例子,我们加入的两张卡片就像是两台机器一样,map 机器完成水印工作后,将 货物 扔给后一个 map 机器,由它完成高斯模糊工作,最后 货物组装完成,被传输到了终点,在这里我们就能拿到最终期望的结果。

接下来我会举两个例子,带着大家看看它们的内部逻辑。因为几乎所有的 ObservableXXX 的逻辑和功能都相似,因此大家在看完下面几个例子后,可以自行去源码中轻松查看你想看的部分。

2.ObservableMap内部运转逻辑

这样一说相信大家对它有了一个整体的感受,那么我们现在以 ObservableMap 为例,重点讲解一下内部逻辑吧。

⚡ 在讲解源码之前,我们需要先知道一个点:代码当中的 source 指的都是上一个操作符返回的 Observable 对象,function 指的是调用此操作符需要传递的参数,即匿名实现类,另外下文还会出现 自定义source,这个就是我们在使用 create操作符 时传递的参数,也称 顶层source ,它是货物运输的 起点

// ObservableMap.java


// Observable继承自AbstractObservableWithUpstream,AbstractObservableWithUpstream又继承Observable
// Observable实现了ObservableSource接口
// 因此这里会重写 subscribe 方法
public final class ObservableMap extends AbstractObservableWithUpstream {
    final Function function;

    public ObservableMap(ObservableSource source, Function function) {
        // source 是上一层操作符返回的Observable对象
        // function 是我们使用此操作符传递的那个匿名实现类,<可以称其为这一个机器需要做的操作>
        // 在本类中其实就是实现了Function接口的匿名类,里边有个方法叫作apply
        // <本层机器处理货物时>,会看到apply方法
        super(source);
        this.function = function;
    }

    // 此方法是 subscribe 的具体实现方法
    // 我们进行订阅时,即调用subscribe时,最终会调用此方法,<最终通知起点开始传输货物>
    @Override
    public void subscribeActual(Observer t) {
        // t代表我们调用subscribe时传递的参数,即匿名实现类,<我们可以称其为后一台机器要执行的操作>
        // 将t和function包装一下,再调用 source 的 subscribe,<也就是前面那台机器的subscribe>
        // 这里的subscribe可以理解为通知上层机器开始运输货物
        source.subscribe(new MapObserver(t, function));
    }

    // 内部类,<将后一台机器执行的操作和上一个机器绑定起来>
    // 就是将后一个机器的操作做了层封装,包裹了一层
    static final class MapObserver extends BasicFuseableObserver {
        final Function mapper;

        MapObserver(Observer actual, Function mapper) {
            super(actual);
            this.mapper = mapper;
        }

        // <此方法是货物到达本机器时,本机器的相应操作>
        @Override
        public void onNext(T t) {
            // 这些判空直接不看
            if (done) {
                return;
            }

            if (sourceMode != NONE) {
                actual.onNext(null);
                return;
            }

            U v;
            // 这里会执行apply方法,是我们使用map操作符传递的实现了Function接口的匿名内部类中的方法
            // <本层机器开始处理上层机器传递过来的货物>
            try {
                v = ObjectHelper.requireNonNull(mapper.apply(t), "The mapper function returned a null value.");
            } catch (Throwable ex) {
                fail(ex);
                return;
            }
            // 本层机器的货物处理完毕,扔给下层机器继续处理
            // 
            actual.onNext(v);
        }
    }

总的来说 ObservableMap 做了两件事,第一就是调用 subscribeActual 通知上层机器让其开始传递货物,第二就是调用 onNext 处理传递到本层的货物,最后再扔给下一个机器去处理。

其实 ObservableXXX 结构和逻辑都差不太多,我将最开始给的例子用图表示了出来:

你可以不用RxJava,但必须得领悟它的思想!_第3张图片

相信大家可以从这张图中看出,整个运转逻辑是一个 U型结构,当我们调用 subscribe 时,就会通知 起点 运输货物,其实也就是设置了观察者。然后,货物就会一层一层往下传递,最终流到我们的终点。如果我们中途想继续添加需求,直接往中间那个过程添加机器(或者说是卡片)就行了,非常方便,而且整个链式调用下来,代码会比不用 RxJava 显得更加干净整洁易读。

3.ObservableCreate内部运转逻辑

那么起点是怎么接收下面的 机器 传递上来的运输货物的信号并开始运输货物的呢?

public final class ObservableCreate extends Observable {
    // 我们自己写的source
    final ObservableOnSubscribe source;

    public ObservableCreate(ObservableOnSubscribe source) {
        // 这个source是我们自定义的,也就是使用create操作符时传递的那个参数
        // 这就是我们的所说的起点、源头
        this.source = source;
    }

    // 这个就是起点触发传送任务的方法
    @Override
    protected void subscribeActual(Observer observer) {
        CreateEmitter parent = new CreateEmitter(observer);
        // 这个observer是从下面机器经过一层层包装后传递过来的observer
        // 实际上调用的是我们使用subscribe传递参数当中的onSubscribe方法,即终点的onSubscribe方法
        observer.onSubscribe(parent);

        // 开始传输任务,将货物往下传递
        try {
            // 这里的source就是顶层的自定义source
            source.subscribe(parent);
        } catch (Throwable ex) {
            Exceptions.throwIfFatal(ex);
            parent.onError(ex);
        }
    }

    // 这个就是发射器,用于将货物从起点往下传递的工具
    // 通常情况下,我们在自定义source中都会调用此类的onNext方法开始向下传输货物
    static final class CreateEmitter
    extends AtomicReference
    implements ObservableEmitter, Disposable {
        private static final long serialVersionUID = -3434801548987643227L;

        final Observer observer;

        CreateEmitter(Observer observer) {
            this.observer = observer;
        }

        // 向下传输货物的方法
        @Override
        public void onNext(T t) {
            ...
            if (!isDisposed()) {
                // 将货物扔给下一层机器去处理
                observer.onNext(t);
            }
        }
        ...
    }
    ...
}

至此,两个典型的 ObservableXXX 讲解完毕,可能大家对源码当中的 sourcesubscribeActual 中的参数 observer/t 傻傻分不清楚,不知道这些是指 前一个机器 ,还是 后一个机器 ,那么接下来请看下面这幅图。

你可以不用RxJava,但必须得领悟它的思想!_第4张图片

source 是前一个操作符返回的 Observable 对象,这个相信大家都容易理解。这里着重说一下上述图的下半部分,大家还记得终点是怎么通知起点开始传输 货物 的吗?没错,是通过每一个 Observable.subscribeActual 方法 (机器)中的参数不断向起点传递,每个 subscribeActual 方法中都会调用 source.subscribe(),也就是通知前面机器传输包裹,每向前传递一次就 封一层包裹 ,最后触发 起点 传输货物,之后就开始一层层 拆包裹 ,最终拆到终点(subscribe)中我们自己实现的 ObservableOnSubscribe 中。

小结

为了便于大家理解前面所讲述的知识点,这里我们用文章开头的那个例子继续深入讲解,我们来看上述代码是如何执行的,再贴一遍代码:

Observable observable = Observable.create(new ObservableOnSubscribe() {
            @Override
            public void subscribe(ObservableEmitter e) throws Exception {
                e.onNext();
            }
        }).map(new Function() {
            @Override
            public Object apply(Bitmap bitmap) throws Exception {
                // todo
            }
        }).map(new Function() {
            @Override
            public ObservableSource apply(Bitmap bitmap) throws Exception {
                // todo
            }
        }).subscribe(new Observer() {
            @Override
            public void onSubscribe(Disposable d) {}

            @Override
            public void onNext(Bitmap bitmap) {}

            @Override
            public void onError(Throwable e) {}

            @Override
            public void onComplete() {}
    });

1️⃣ 我们通过 .subscribe(),发起了订阅,开始观察被观察者,结合我们之前讲的,我们实际上调用的是map 返回对象中的 subscribe 方法,即 ObservableMap

// ObservableMap.java

//它会继续调用上层机器的subscribe,通知上层机器传输货物
public void subscribeActual(Observer t) {
    // 封包裹,传递给上层机器
    source.subscribe(new MapObserver(t, function));
}

2️⃣ 这里它会继续调用上层机器的 subscribe,由于上个操作符仍是 map,所以我们直接跳过,看 create 操作符。

// ObservableCreate.java

protected void subscribeActual(Observer observer) {
    CreateEmitter parent = new CreateEmitter(observer);
    // 这里是调用下一层机器的onSubscribe方法
    observer.onSubscribe(parent);

    try {
        // 调用我们自定义的soruce,开始传输货物
        // 例子中我们自定义soruce中写的代码是emitter.onNext,开始传输货物
        source.subscribe(parent);
    } catch (Throwable ex) {
        Exceptions.throwIfFatal(ex);
        parent.onError(ex);
    }
}

3️⃣ 到这里,我们已经通知 起点 发起传送任务,那么接下来就是传输货物的过程,逐步 拆包 的过程。随着货物的运输,代码会不断调用最外层包裹中的 observable 对象的 onNext 方法,看起来就像在拆包裹一样,这其实也是前面说的运输包裹的过程,如此反复,最后到达我们的终点的 onNext 方法,我们拿到最终期望的货物,至此,整个过程基本完毕。

✔️ 现在是不是脑海里面又出现了前面所说的 U型结构 呢?

RxJava是如何完成线程切换的?

RxJava 能完成线程切换是通过 subscribeOnobserveOn。正常情况下我们都是这么用的:

observable.subscribeOn(Schedulers.io())
    .observeOn(AndroidSchedulers.mainThread())
    .subscribe(...)

前面反复强调整个框架的执行过程是一个 U型结构,请大家思考一下,subscribeOnobserveOn 切换线程的核心代码是在 subscribeActual 中还是 onNext 中?

回忆一下,我们通知 起点 开始传输货物时,是通过 subscribeActual 逐层往上传递的,紧接着就开始运输货物处理货物了,就比如 map 机器中的 apply 方法就是处理货物的具体方法。因此,这一段任务都应该在 子线程 中完成,所以 subscribeOn的切换线程的核心代码是在subscribeActual中的。

observeOn 的作用就是让终点的 onNext 方法中的代码在主线程中执行,那么理应只需要在 observeOn操作符中的onNext中切换线程即可。

有了上述猜想,我们现在进入源码验证一下。

1.subscribeOn的线程切换

// 不仅有io线程,还有以下这些线程

SINGLE = RxJavaPlugins.initSingleScheduler(new SingleTask());

COMPUTATION = RxJavaPlugins.initComputationScheduler(new ComputationTask());

IO = RxJavaPlugins.initIoScheduler(new IOTask());

TRAMPOLINE = TrampolineScheduler.instance();

NEW_THREAD = RxJavaPlugins.initNewThreadScheduler(new NewThreadTask());

我们首先来看看使用该操作符时传递的参数 Schedulers.io() 到底是个什么东西。我们一层层点进去最后会发现它其实就是 new了一个线程池 :

// 一路点进去,会发现其实就是new了一个线程池
CachedWorkerPool update = new CachedWorkerPool(KEEP_ALIVE_TIME, KEEP_ALIVE_UNIT, threadFactory);

其中的 CacheWorkerPool 的源码如下:

// IoSchedule.java,这个类将线程池中的创建、调度、执行等方法做了一下封装

...

// 这个方法就是得到线程池
public Worker createWorker() {
    // EventLoopWorker继承自Worker,是对线程池做了一下封装,包裹了一层
    return new EventLoopWorker(pool.get());
}

// 实际调用线程池的方法
public Disposable schedule(@NonNull Runnable action, long delayTime, @NonNull TimeUnit unit) {
    if (tasks.isDisposed()) {
        // don't schedule, we are unsubscribed
        return EmptyDisposable.INSTANCE;
    }
    // 里面就是调用线程池的submit等方法
    return threadWorker.scheduleActual(action, delayTime, unit, tasks);
}

...

// CacheWorkerPool是IoSchedule中的内部类
CachedWorkerPool(long keepAliveTime, TimeUnit unit, ThreadFactory threadFactory) {
    this.keepAliveTime = unit != null ? unit.toNanos(keepAliveTime) : 0L;
    this.expiringWorkerQueue = new ConcurrentLinkedQueue();
    this.allWorkers = new CompositeDisposable();
    this.threadFactory = threadFactory;

    ScheduledExecutorService evictor = null;
    Future task = null;
    if (unit != null) {
        // 这里的核心线程数是1就足够了,因为我们子线程中的任务都是链式调用的
        evictor = Executors.newScheduledThreadPool(1, EVICTOR_THREAD_FACTORY);
        task = evictor.scheduleWithFixedDelay(this, this.keepAliveTime, 
            this.keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS);
    }
    evictorService = evictor;
    evictorTask = task;
}
...

所以,其实 .io() 就是传了一个核心线程数为1的线程池,当然我们还可以传入 .computation().newThread()等方法,这些其实都是创建了一个特殊的线程池。

我们知道,这些操作符都是在内部 new ObservableXXX类,所以源码我们直接看ObservableSubscirbeOn

// ObservableSubscribeOn.java

public final class ObservableSubscribeOn extends AbstractObservableWithUpstream {
    // 这个是调度器,就是对线程池封装了一下
    final Scheduler scheduler;

    public ObservableSubscribeOn(ObservableSource source, Scheduler scheduler) {
        super(source);
        this.scheduler = scheduler;
    }
    
    // 我们重点看在这个方法中是如何完成线程切换的
    @Override
    public void subscribeActual(final Observer s) {
        final SubscribeOnObserver parent = new SubscribeOnObserver(s);
        // onSubscribe的回调
        s.onSubscribe(parent);
        // subscribeTask实际上是一个runnable
        // 调用scheduler.scheduleDirect(runnable),将runnable放入线程池中去执行
        // 这里是重中之重,具体细节我们稍后讲解
        parent.setDisposable(scheduler.scheduleDirect(new SubscribeTask(parent)));
    }

    ...

    final class SubscribeTask implements Runnable {
        private final SubscribeOnObserver parent;

        SubscribeTask(SubscribeOnObserver parent) {
            this.parent = parent;
        }

        @Override
        public void run() {
            // 上面那个runnable其实就是这个
            // 这里是调用上层机器的subscirbe,通知起点开始传输货物
            source.subscribe(parent);
        }
    }
}

从上面我们可以知道,我们将 source.subscribe() 扔进了线程池中,那么就做到了在其之后的所有代码都是在子线程中执行了,直到代码走到 observeOn,在 ObservableObserveOn 中的 onNext() 方法将线程切回主线程。

接下来我们讲讲具体细节,看看 scheduleDirect 里面的逻辑。

public Disposable scheduleDirect(@NonNull Runnable run, long delay, @NonNull TimeUnit unit) {
    // createWorker()方法眼熟吗?这就是在IoSchedule当中的方法
    // Worker类本质上就是线程池,只是对其做了一层封装
    final Worker w = createWorker();

    final Runnable decoratedRun = RxJavaPlugins.onSchedule(run);
    // 将传进来的runnable再做一层封装,这里的runnable对应上面的例子就是source.subscribe
    DisposeTask task = new DisposeTask(decoratedRun, w);
    // 这个方法也眼熟吧?
    // 在线程池中执行此任务
    w.schedule(task, delay, unit);

    return task;
}

由上面这一过程我们可以知道,当通知到 本层的机器 传输货物时,这一层机器会将 subscribeActual 方法扔进线程池中去执行,即后续的代码都是运行在子线程中了。

那么它又是如何将线程切回来的呢?

2.observeOn的线程切换

理解了上面线程切换后,我们很容易能理解下面切换主线程的代码,现在直接进入 ObservableObserveOn 源码。

// ObservableObserveOn.java

@Override
protected void subscribeActual(Observer observer) {
   // 同样可以理解为对线程的封装,只不过这里内部是handler
   Scheduler.Worker w = scheduler.createWorker();
   // 同样是封包裹,把自己封装一层,扔给前面的机器
   source.subscribe(new ObserveOnObserver(observer, w, delayError, bufferSize));

}

static final class ObserveOnObserver extends BasicIntQueueDisposable
implements Observer, Runnable {

   ...

    // 重点关注onNext方法,切回主线程的代码都在这里面
    @Override
    public void onNext(T t) {
        if (done) {
            return;
        }
        ...
        
        // 切换线程的方法在这里面,内部调用的是HandlerWorker的schedule
        // 里面又调用的是HandlerSchedule的schedule
        schedule();
    }

起点 开始传输货物时,即开始逐层拆包裹,这时候会逐层调用 onNext,最后就会在 ObservableObserveOn 中的 onNext 方法中切换线程。而在 onNext 中又调用的是 HandlerSchedule 中的 schedule 方法进行最终的线程切换。

// HandlerSchedule.java

public Disposable schedule(Runnable run, long delay, TimeUnit unit) {
    ...
    // 这里的run就是下一层机器的onNext方法,例子中就是终点的onNext
    ScheduledRunnable scheduled = new ScheduledRunnable(handler, run);

    Message message = Message.obtain(handler, scheduled);
    message.obj = this; // Used as token for batch disposal of this worker's runnables.
    
    // 调用Handler,实现最终的线程切换
    handler.sendMessageDelayed(message, Math.max(0L, unit.toMillis(delay)));

    // 如果dispose,就停止RxJava后续流程,整个运输带不会再工作了
    if (disposed) {
        handler.removeCallbacks(scheduled);
        return Disposables.disposed();
    }

    return scheduled;
}

画个图做个总结,让大家理解更清晰一点:

你可以不用RxJava,但必须得领悟它的思想!_第5张图片

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