响应式编程(Reactive Programming)初探

什么是响应式编程

网络上对于响应式编程有各种各样的解释，比如：

响应式编程 (Reactive Programming) 是一种基于数据流 (Data Stream) 和 变化传递 (Propagation of change) 的声明式 (declarative) 的编程范式。

言简意赅，从字面上准确地描述了响应式编程的业务主体及意义。然而，这个定义本身并不能对理解响应式编程有什么过多的帮助，因为数据流Stream是天然存在的，数据的传递和变化过程必然也是同周围环境相互影响的，即使没有响应式编程，也是程序要处理的业务主体。例如：

移动鼠标持续生成移动事件（即数据），引起显卡持续渲染过程，并生成变化的图像数据，在显示器上显示出来。

这个业务主要完全符合上述定义中描述的业务主体，然而，实现这个业务的编程范式确并不一定基于响应式编程。

不过，定义中也确实表达了一点，也是很重要的内容：

• 它是一种编程范式。或者说是一种思维方式
• 它区别于固化于程序员大脑中的基于过程的命令式的带状态的编程习惯。

而改变固有的编程习惯，以响应式编程的方式思考也是适应RP的最困难的过程。

响应式编程是面向数据流的编程

同面向过程，面向对象一样，面向数据流是编程思考主体的改变。于是响应式编程的思路大致如下：

数据流本身是常见的事物，客户端上的用户操作、服务端接口的调用事件，都是自然形成的持续不断的数据流，通过对数据流监听，可以方便的对事件做出响应。在对数据流监听的基础上，通过预定义的无状态操作符(Operators)，结合lamba表达式，来实现对数据的变换(Transforming)、过滤(Filtering)、组合(Combine)，进而实现既定的业务规则，甚至可以通过接受多个数据流的输入来协作完成任务。

数据流（Stream）

Stream，时间线上的Event序列，在响应式编程中，Event有三种基本类型：

• 值(Value)
• 错误(Error)
• 完成(Complete)

通过在Stream上监听，我们可以持续捕获这些Event，让其通过预定义的Function，从而给出相应的业务动作或异常处理，直到捕获到Complete 。这个过程中，包含的响应式编程的相关概念如下：

• Stream：被观察者，Observable
• Function： 观察者，Observer
• Stream上监听：订阅，Subscribe
• 被捕获的Event：事件

上述内容可以用如下的图来描述

--1--2--3--4--E--|-->
[ map(x=>x*x) ]
[ onError(E=>-1)]
--1--4--9--16--(-1)--|-->

-->：时间线
1,2,3,4：Value事件
E：Error事件
|: Completeg事件
map: Function
onError: 异常处理

操作符（Operators）

在响应式编程中，提供了丰富的操作符，它们主要分为：

• 创建(Creating)
• Create,Defer,From,Just,...
• 转换(Transforming)
• Buffer,FlatMap,GroupBy,Map,...
• 过滤(Filtering)
• Debounce,Distinct,Filter,First,...
• 合并(Combining)
• CombineLatest,Zip,...
• 异常处理(Error Handing)
• onError,...
• 工具(Observable Utility)
• Delay,ObserveOn,SubscribeOn,...
• 条件/布尔(Conditional and Boolean)
• All,Contains,DefaultIfEmpty,...
• 聚合(Mathematical and Aggregate)
• Average,Count,Max,Min,Reduce,...
• 其它(Others)

我们以RxJava(https://github.com/ReactiveX/RxJava)这个响应式编程框架的实现，介绍几个比较常用的操作符。

Create(https://reactivex.io/documentation/operators/create.html)

[ Create{onNext(1);onNext{2};onComplete} ]
----------------1---------2------------|-->

通过Create Operator来创建一个Stream:

        Flowable.<Integer>create(emitter -> {
            emitter.onNext(1);
            emitter.onNext(2);
            emitter.onComplete();
        }, BackpressureStrategy.BUFFER)
          .subscribe(array3->{});

Buffer(https://reactivex.io/documentation/operators/buffer.html)

--1--2--3--4--5--6----|->
[ Buffer ]
--[1,2,3]--[4,5,6]----|->

通过Buffer，可以将流中逐个发出的事件按规则转换成buffer集合的流。

        Flowable.just(1, 2, 3, 4, 5, 6)
                .buffer(3) // 每3个元素为一组
                .subscribe(array3->{});

FlatMap(https://reactivex.io/documentation/operators/flatmap.html)

--1--2--3----|->
[ FlatMap(x-> --x--x--|->) ]
--1--1--2--2--3--3----|->

将一个流中的每个事件转换成另一个流，并展开连接成一个流。

        Flowable.just(1, 2, 3)
                .flatMap(x -> Flowable.just(x, x))
                .subscribe(array2 -> {
                });

Map(https://reactivex.io/documentation/operators/map.html)

--1--2--3----|->
[ Map(x=>x*10) ]
--10--20--30----|->

将一个流中的每个事件类型转换成另一个类型。

        Flowable.just(1, 2, 3)
                .map(x -> x * 10)
                .subscribe(x10 -> {
                });

Filter(https://reactivex.io/documentation/operators/filter.html)

--1--2--3----｜->
[ Filter(x->x>1) ]
-- --2--3----|-?

使用指定的Predicate过滤流中的第一个事件。

        Flowable.just(1, 2, 3)
                .filter(x -> x > 1)
                .subscribe(x10 -> {
                });

Zip

--1--2--3----|->
--a--b--c----|->
[ Zip((x,y)-> --[x,y]--|->) ]
--[1,a]--[2,b]--[3,c]----|->

合并多个流中的每个事件，并将合并后的事件流做为新流。

        Flowable.zip(
                        Flowable.just(1, 2, 3),
                        Flowable.just("a", "b", "c"),
                        (f1, f2) -> new Object[]{f1, f2}
                )
                .subscribe(xy -> {
                });

在业务中使用响应式编程

有了对Stream的认知，我们尝试融入一些业务场景。考虑一个比较常见的服务端（PS:我是一枚后端程序猿）业务场景：

A服务通过订阅MQ的"object-update-message-topic"来接收指定数据的变更通知，然后从生产服务(objectProduceService)拉取相关数据对象并更新本地缓存(objectCacheService)。

显而易见：

• MQ持续推送过来的消息形成了Stream，理论上这个是个 Infinity Stream
• A服务订阅这个Stream
• 变更通知即是Event
• 拉取数据并更新本地缓存的操作是Function
• 过程中的产生的异常构成了Error事件和相关的处理过程

命令式的面向过程的实现

对于这个简单的业务场景，我们可以有如下的实现：

    public void startObjectUpdateMessageSubscribe() {
        this.subscribe("object-update-message-topic", new MessageConsumer<ObjectUpdateMessage>() {
            /**
             * 对象变更消息处理器
             *
             * @param message 消息
             */
            @Override
            public void onMessage(@NotNull ObjectUpdateMessage message) {
                // 验证数据
                if (message.getObjectId() <= 0L) {
                    return;
                }
                long objectId = message.getObjectId();
                Object obj;
                try {
                    // 从上游接口拉取数据
                    obj = objectProduceService.getObject(objectId);
                    log.info("Load object success, objectId={}, obj is {}", objectId, obj == null ? "null" : "nonNull");
                } catch (Throwable e) {
                    // 异常处理
                    log.error(String.format("Load object error, objectId=%s, error=%s", objectId, e.getMessage()), e);
                    return;
                }
                try {
                    // 缓存到本地
                    boolean isSetOk = objectCacheService.set(
                            CacheEntry.builder()
                                    .id(objectId)
                                    .obj(obj)
                                    .build()
                    );
                    log.info("Cache object {}, objectId={}", isSetOk ? "success" : "failed", objectId);
                } catch (Throwable e) {
                    // 异常处理
                    log.error(String.format("Cache object error, objectId=%s, error=%s", objectId, e.getMessage()), e);
                }
            }
        });
    }

基于响应式编程实现

现在我们基于响应式编程来实现这个业务过程，首先通过绘制一个简图来简单描述下这个Stream:

--m--m--m--...-->
[ map(m=>m.getObjectId)] // 获取需要更新的数据id
--id--id--id--...-->
[ filter(id=>id>0L) ] // 验证数据
--id--  --id--...-->
[ flatMap(id=>--object--|-> // 从上游接口拉取数据
       [ map(object->cacheEntry) ] // 包装成cacheEntry
       [ onError(E->empty) ] // 当异常时返回空
       --cacheEntry--|->
) ]
--cacheEntry--  --cacheEntry--...-->
[ do(cacheEntry=> --isSetOk--|-> // 更新本地缓存
         [ onSuccess(isSetOk->doSomething)] // 缓存成功
         [ onError(E->doSomething) ] // 缓存数据异常处理
) ] // 写入缓存
--cacheEntry--cacheEntry--...-->

...:表示无限

于是我们有如下的实现(PS:代码基于RxJava(https://github.com/ReactiveX/RxJava))：

    public void startObjectUpdateMessageSubscribeWithReactive() {
        Flowable.<ObjectUpdateMessage>create(emitter -> this.subscribe("object-update-message-topic",
                                (MessageConsumer<ObjectUpdateMessage>) message -> {
                                    try {
                                        emitter.onNext(message);
                                    } catch (Throwable e) {
                                        emitter.onError(e);
                                    }
                                    //  emitter.onComplete(); 因为是Infinity Stream，所以理论上不会有Complete Event
                                }
                        ),
                        BackpressureStrategy.BUFFER)
                .map(message -> message.getObjectId())
                .filter(objectId -> objectId > 0L) // 验证数据
                .flatMapMaybe(objectId ->
                        // 从上游接口拉取数据
                        Maybe.fromCallable(() -> this.objectProduceService.getObject(objectId))
                                .doOnSuccess(obj -> log.info("Load object success, objectId={}, obj is nonNull", objectId))
                                .map(nonNullObject ->
                                        CacheEntry.builder()
                                                .id(objectId)
                                                .obj(nonNullObject)
                                                .build()
                                )
                                .switchIfEmpty(Maybe.fromCallable(() -> {
                                    log.info("Load object success, objectId={}, obj is null", objectId);
                                    return CacheEntry.builder().id(objectId).build();
                                }))
                                .onErrorResumeNext(e -> {
                                    // 异常处理
                                    log.error(String.format("Load object error, objectId=%s, error=%s", objectId, e.getMessage()), e);
                                    return Maybe.empty();
                                })
                )
                .doOnNext(cacheEntry -> // 更新本地缓存
                        Single.fromCallable(() -> objectCacheService.set(cacheEntry))
                                .subscribe(isSetOk -> {
                                    log.info("Cache object {}, objectId={}", isSetOk ? "success" : "failed", cacheEntry.getId());
                                }, e -> {
                                    // 异常处理
                                    log.error(String.format("Cache object error, objectId=%s, error=%s", cacheEntry.getId(), e.getMessage()), e);
                                })
                )
                .subscribe();
    }

为什么要用响应式编程

通过对比前面两段代码，各位看官会发现，对于这个简单的业务场景，基于响应式编程的实现会更复杂和冗长。

问:使用响应式编程的意义在哪？

答:响应式编程提高了代码的抽象等级，所以可以让编码人员将关注点更多的放到业务逻辑，而不是纠缠于大量的非业务过程的实现细节。

我们尝试对前面实现的业务做一些变更来理解这个概念:

• 业务变更: 数据对象的组装需要两个上游服务
• objectProduceService
• extendProduceService
• 优化：数据变更过于频繁，为减少不必要的数据拉取请求，需要控制拉取频率并且合并重复请求

命令式的面向过程的实现

实现思路：

• 使用_ConcurrentMap/ScheduledExecutorService_相结合来实现重复请求合并与拉取频率控制
• 使用_ExecutorService_来实现两个接口的并发调用

 public void startObjectUpdateMessageSubscribe() {
        ConcurrentMap<Long, Object> scheduleFutureCache = new ConcurrentHashMap<>();
      ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);
      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        this.subscribe("object-update-message-topic", new MessageConsumer<ObjectUpdateMessage>() {
            /**
             * 对象变更消息处理器
             *
             * @param message 消息
             */
            @Override
            public void onMessage(@NotNull ObjectUpdateMessage message) {
                // 验证数据
                if (message.getObjectId() <= 0L) {
                    return;
                }
                long objectId = message.getObjectId();
                scheduleFutureCache.computeIfAbsent(objectId, k -> {
                    ScheduledFuture<?> schedule = scheduler.schedule(() -> {
                        try {
                            Future<Object> futureObj = executorService.submit(() -> {
                                Object obj;
                                try {
                                    // 从上游接口拉取数据
                                    obj = objectProduceService.getObject(objectId);
                                    log.info("Load object success, objectId={}, obj is {}", objectId, obj == null ? "null" : "nonNull");
                                } catch (Throwable e) {
                                    // 异常处理
                                    log.error(String.format("Load object error, objectId=%s, error=%s", objectId, e.getMessage()), e);
                                    throw e;
                                }
                                return obj;
                            });
                            Future<Object> futureExt = executorService.submit(() -> {
                                Object ext;
                                try {
                                    // 从上游接口拉取数据
                                    ext = extendProduceService.getExtend(objectId);
                                    log.info("Load extend success, objectId={}, ext is {}", objectId, ext == null ? "null" : "nonNull");
                                } catch (Throwable e) {
                                    // 异常处理
                                    log.error(String.format("Load extend error, objectId=%s, error=%s", objectId, e.getMessage()), e);
                                    throw e;
                                }
                                return ext;
                            });

                            _Object obj = null;
                            try {
                                // 并发从上游查询数据
                                Object oObj = futureObj.get();
                                Object oExt = futureExt.get();
                                if (oObj != null && oExt != null) {
                                    obj = new _Object(oObj, oExt); // 当两个请求都返回有效的结果(无异常/nonNull)时组装Object
                                }
                                log.info("Load object success, objectId={}, obj is {}", objectId, obj == null ? "null" : "nonNull");
                            } catch (Throwable e) {
                                // 异常处理
                                log.error(String.format("Load object error, objectId=%s, error=%s", objectId, e.getMessage()), e);
                                return;
                            }
                            try {
                                // 缓存到本地
                                boolean isSetOk = objectCacheService.set(
                                        CacheEntry.builder()
                                                .id(objectId)
                                                .obj(obj)
                                                .build()
                                );
                                log.info("Cache object {}, objectId={}", isSetOk ? "success" : "failed", objectId);
                            } catch (Throwable e) {
                                // 异常处理
                                log.error(String.format("Cache object error, objectId=%s, error=%s", objectId, e.getMessage()), e);
                            }
                        } finally {
                            // 清理资源
                            scheduleFutureCache.remove(objectId);
                        }
                    }, 100L, TimeUnit.MILLISECONDS); // 控制请求qps=10
                    return schedule;
                });
            }
        });
    }

以响应式编程的方式思考

几乎所有的业务都可以转变为一个Stream，所以Stream就是我们的业务请求。

• Stream既可以是无限的的，也可以是有限的，它可以是只发射单个事件，甚至也可以是空的

• 对应的业务请求可以描述为请求可以有一个或多个，甚至没有

我们启动对Stream的订阅，监听Events，并对其做出合理的响应。对于业务而言，这等同于我们接收到了请求，并对请求做出正确的响应。

回到上面的服务端更新本地缓存的业务场景，初始版本的响应式编程思考如下：

• MQ推送数据对象变更消息Stream：持续不断的本地缓存更新请求
• 并更新本地缓存：对请求做出响应：
• 验证消息数据
• 从上游服务拉取最新的数据对象
• 更新本地缓存

--m--m--m--...-->
[ map(m=>m.getObjectId)] // 获取需要更新的数据id
--id--id--id--...-->
[ filter(id=>id>0L) ] // 验证数据
--id--  --id--...-->
[ flatMap(id=>--object--|-> // 从上游接口拉取数据
       [ map(object->cacheEntry) ] // 包装成cacheEntry
       [ onError(E->empty) ] // 当异常时返回空
       --cacheEntry--|->
) ]
--cacheEntry--  --cacheEntry--...-->
[ do(cacheEntry=> --isSetOk--|-> // 更新本地缓存
         [ onSuccess(isSetOk->doSomething)] // 缓存成功
         [ onError(E->doSomething) ] // 缓存数据异常处理
) ] // 写入缓存
--cacheEntry--cacheEntry--...-->

后续，我们叠加了更复杂的业务规则

• 数据对象需要从多个上游服务拉取数据并组合
• 合并重复的请求、控制请求频率

可以看到，Stream本身，即请求，并没有任何变化，变化的内容是对请求的响应:

• 验证消息数据
• 通过合并一段时间内的相同的请求来实现降低重复请求和控制频率
• 创建一个从objectProduceService拉取的数据的Stream(单个事件)，并调度到IO线程池上执行
• 创建一个从extendProduceService拉取的数据的Stream(单个事件)，并调度到IO线程池上执行
• 合并两个流返回的有效数据，并组装成目标数据对象
• 根据请求频率的控制要求(如最大qps=10)来缓存一段时间(qps=10,则TimeInterval=100ms)的Event
• 发射一个合并后ObjectId
• 基于ObjectId分组，创建新Stream
• 以并发方式从上游服务拉取指定数据
• 更新本地缓存

我们成功地以响应式编程思维完成了对变个业务场景的分析，接下来，只需要使用正确的Operators完成代码的编写即可。

基于响应式编程实现

实现思路：

• 使用groupBy操作符对objectId进行分组，进而实现 重复请求合并
• 通过操作分组后的子流groupedFlowable，使用buffer操作符，缓存指定时间长度，来实现拉取频率控制
• 使用zip操作符，结合subscribeOn线程调度，来实现两个接口的并发调用

--m1--m2--m1--...-->
[ map(m=>m.getObjectId)] // 获取需要更新的数据id
--id1--id2--id1--...-->
[ filter(id=>id>0L) ] // 验证数据
--id1--id2--id1--...-->
[ groupBy(id) ] // 按objectId进行分组
[ flatMap(id=>--id1--...-->             ,--id2--...-->             ,...
       [ buffer(time) ]          ,[ buffer(time) ]          ,... // 控制请求qps=10
       --[id1,id1,...]--|->      ,--[id1,id1,...]--|->      ,...
       [  mapOptional(arr=>id1) ],[  mapOptional(arr=>id2) ],...
              --id1--|->                ,--id2--|->                ,...
) ]
--id1--id2--...-->
[ flatMap(id=>zip(  // 从上游接口拉取数据
         --object--|->, // 并发(调度到io线程)从上游查询数据
         --extObj--|->,
         (object, extObj) -> targetObj // 当两个请求都返回有效的结果(无异常/nonNull)时组装Object
                 )
                 --targetObj--|->// 当两个请求都返回有效的结果(无异常/nonNull)时组装Object
                 [ map(targetObj->cacheEntry) ] // 包装成cacheEntry
                 [ onError(E->empty) ] // 当异常时返回空
                 --cacheEntry--|->
) ]
--cacheEntry1--  --cacheEntry2--...-->
[ do(cacheEntry=> --isSetOk--|-> // 更新本地缓存
         [ onSuccess(isSetOk->doSomething)] // 缓存成功
         [ onError(E->doSomething) ] // 缓存数据异常处理
) ] // 写入缓存
--cacheEntry--  --cacheEntry--...-->

    public void startObjectUpdateMessageSubscribeWithReactive() {
        Flowable.<ObjectUpdateMessage>create(emitter -> this.subscribe("object-update-message-topic",
                                (MessageConsumer<ObjectUpdateMessage>) message -> {
                                    try {
                                        emitter.onNext(message);
                                    } catch (Throwable e) {
                                        emitter.onError(e);
                                    }
                                    //  emitter.onComplete(); 因为是Infinity Stream，所以理论上不会有Complete Event
                                }
                        ),
                        BackpressureStrategy.BUFFER)
                .map(message -> message.getObjectId())
                .filter(objectId -> objectId > 0L) // 验证数据
                .groupBy(objectId -> objectId)// 按objectId进行分组
                .flatMap(groupedFlowable ->
                        groupedFlowable.buffer(100L, TimeUnit.MILLISECONDS) // 控制请求qps=10
                                .mapOptional(arr -> arr.stream().findFirst()) // 
                )
                .flatMapMaybe(objectId ->
                        // 从上游接口拉取数据
                        Maybe.zip( // 并发(调度到io线程)从上游查询数据
                  
                  Maybe.fromCallable(() -> objectProduceService.getObject(objectId)).subscribeOn(Schedulers.io()),
                                        Maybe.fromCallable(() -> extendProduceService.getExtend(objectId)).subscribeOn(Schedulers.io()),
                                        (oObj, oExt) -> new _Object(oObj, oExt) // 当两个请求都返回有效的结果(无异常/nonNull)时组装Object
                                )
                                .doOnSuccess(obj -> log.info("Load object success, objectId={}, obj is nonNull", objectId))
                                .map(nonNullObject ->
                                        CacheEntry.builder()
                                                .id(objectId)
                                                .obj(nonNullObject)
                                                .build()
                                )
                                .switchIfEmpty(Maybe.fromCallable(() -> {
                                    log.info("Load object success, objectId={}, obj is null", objectId);
                                    return CacheEntry.builder().id(objectId).build();
                                }))
                                .onErrorResumeNext(e -> {
                                    // 异常处理
                                    log.error(String.format("Load object error, objectId=%s, error=%s", objectId, e.getMessage()), e);
                                    return Maybe.empty();
                                })
                )
                .doOnNext(cacheEntry ->
                        Single.fromCallable(() -> objectCacheService.set(cacheEntry))
                                .subscribe(isSetOk -> {
                                    log.info("Cache object {}, objectId={}", isSetOk ? "success" : "failed", cacheEntry.getId());
                                }, e -> {
                                    // 异常处理
                                    log.error(String.format("Cache object error, objectId=%s, error=%s", cacheEntry.getId(), e.getMessage()), e);
                                })
                )
                .subscribe();
    }

结束语

对比两种实现方式:

• 传统的实现过程，为实现业务变更和优化的目的，相比于变更前，代码量有明显的膨胀，而且变得难以理解
• 基于响应式的编程的实现方式，相比业务变更前，代码量并没有多少变化，业务过程仍然是清晰明了的

充分利用响应式编程，使得我们可以更关注业务本身，但正如文章的开头所述，使用响应式编程最大的难点在于如何以响应式编程思维来思考业务规则，而响应式编程思维要以基于Stream所承载的Events在业务过程中的自然响应过程来思考编程。

在服务端的业务过程实现中，正确理解和运用响应式编程，特别是包含了复杂的数据对象组装过程，可以极大的简化原本臃肿的代码实现。

然而，对于服务端编程而言，响应式编程的真正威力还不仅于此，在异步非阻塞的场景中，它才是核心。

结束！