.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