响应式编程

作为响应式编程方向上的第一步,微软在.NET生态系统中创建了Rx库(Reactive Extensions)。RxJava是在JVM上对它的实现。

响应式编程是一个异步编程范式,通常出现在面向对象的语言中,作为观察者模式的一个扩展。

它关注数据的流动、变化的传播。这意味着可以轻易地使用编程语言表示静态(如数组)或动态(如事件发射源)数据流。

响应式流

随着时间的推移,一个专门为Java的标准化出现了。它是一个规范,定义了一些接口和交互规则,用于JVM平台上的响应式库。

它就是响应式流(Reactive Streams),它的这些接口已经被集成到Java 9里,在java.util.concurrent.Flow这个父类里。

响应式流和迭代器较相似,不过迭代器是基于“拉”(pull)的,而响应式流是基于“推”(push)的。

迭代器的使用其实是命令式编程,因为由开发者决定什么时候调用next()获取下一个元素。

在响应式流中,与上面等价的是发布者-订阅者。但当有新的可用元素时,是由发布者推给订阅者的。这个“推”就是响应式的关键所在。

这么简单的功能需要如此多的代码,而且嵌套很多、且难懂。

下面是等价的用Reactor的示例:

jvm对象是怎么创建的(JVM上的响应式流)(1)

从代码的数量、写法上是不是清爽了很多。

与回调相比,Futures稍微好一点,但是仍然在组合方面做得不好。组合多个Futures对象到一起是可行的但是并不容易。

Future也有其它问题,很容易因为调用了get()方法造成了另一个阻塞。

另外,它不支持延迟计算,缺乏对多个值的支持,缺乏高级错误处理。

从命令式到响应式编程

像Reactor这样的响应式库的目标就是解决在JVM上“传统”异步方式的弊端,同时也关注一些额外方面:

可组合性和可读性

数据作为流,被丰富的操作符操作

什么都不会发生,直到你订阅

后压,消费者通知生产者发射的速率太快了

高级别而不是高数值抽象

可组合性和可读性

可组合性,其实就是编排多个异步任务的能力,使前一个任务的结果作为后续任务的输入,或以fork-join(分叉-合并)的方式执行若干个任务,或在更高的级别重复利用这些异步任务。

任务编排的能力和代码的可读性和可维护性紧密地耦合在一起。随着异步处理在数量和复杂度上的增加,组合和阅读代码变得更加困难。

就像我们看到的,回调模型虽然简单,但是当回调里嵌套回调,达到多层时就会变成回调地狱。

Reactor提供丰富的组合选项,使嵌套级别最小,让代码的组织结构能反映出在进行什么样的抽象处理,且通常保持在同级别上。

装配线类比

你可以认为响应式应用处理数据就像通过一个装配(生产)线。Reactor既是传送带又是工作站。

原材料从一个源(原始发布者)持续不断地获取,以一个完成的产品被推送给消费者(订阅者)结束。

原材料可以经过许多不同的转换,如其它的中间步骤,或者是一个更大装配线的一部分。

如果在某个地方出现一个小故障或阻塞了,出问题的工作站可以向上游发出通知来限制原材料的流动(速率)。

操作符

在Reactor里,操作符就是装配线类比中的工作站。每一个操作符都向一个发布者添加某些行为,把上一步的发布者包装到一个新的实例里。整个链就是这样被链接起来的。

所以数据一开始从第一个发布者出来,然后沿着链往下游移动,且被每一个链接转换。最后,一个订阅者结束了这个处理。

响应式流规范并没有明确规定操作符,不过Reactor就提供了丰富的操作符,它们涉及到很多方面,从简单的转换、过滤到复杂的编排、错误处理。

只要不订阅,就什么都不发生

当你写一个发布者链时,默认,数据是不会开始进入链中的。相反,你只是创建了异步处理的一个抽象描述。

通过订阅这个行为(动作),才把发布者和订阅者连接起来,然后才会触发数据在链里流动。

这是在内部实现好的,通过来自于订阅者的request信号往上游传播,一路逆流而上直到最开始的发布者那里。

Reactor核心特性

Reactor引入可组合响应式的类型,实现了发布者接口,但也提供了丰富的操作符,就是Flux和Mono。

Flux,流动,表示0到N个元素。

Mono,单个,表示0或1个元素。

它们之间的不同主要在语义上,表示异步处理的粗略基数。

如一个http请求只会产生一个响应,把它表示为Mono<HttpResponse>显然更有意义,且它只提供相对于0/1这样上下文的操作符,因为此时count操作显然没有太大意义。

操作符可以改变处理的最大基数,也会切换到相关类型上。如count操作符虽然存在于Flux<T>上,但它的返回值却是一个Mono<Long>。

Flux<T>

一个Flux<T>是一个标准的Publisher<T>,表示一个异步序列,可以发射0到N个元素,可以通过一个完成信号或错误信号终止。

就像在响应式流规范里那样,这3种类型的信号转化为对一个下游订阅者的onNext,onComplete,onError3个方法的调用。

这3个方法也可以理解为事件/回调,且它们都是可选的。

如没有onNext但有onComplete,表示一个空的有限序列。既没有onNext也没有onComplete,表示一个空的无限序列(没有什么实际用途,可用于测试)。

无限序列也没有必要是空的,如Flux.interval(Duration)产生一个Flux<Long> ,它是无限的,从钟表里发射出的规则的“嘀嗒”。

Mono<T>

一个Mono<T>是一个特殊的Publisher<T>,最多发射一个元素,可以使用onComplete信号或onError信号来终止。

它提供的操作符只是Flux提供的一个子集,同样,一些操作符(如把Mono和Publisher结合起来)可以把它切换到一个Flux。

如Mono#concatWith(Publisher)返回一个Flux,然而Mono#then(Mono)返回的是另一个Mono。

Mono可以用于表示没有返回值的异步处理(与Runnable相似),用Mono<Void>表示。

创建Flux或Mono,并订阅它们

最容易的方式就是使用它们各自的工厂方法:

Flux<String> seq1 = Flux.just("foo", "bar", "foobar"); List<String> iterable = Arrays.asList("foo", "bar", "foobar"); Flux<String> seq2 = Flux.fromIterable(iterable); Flux<Integer> numbersFromFiveToSeven = Flux.range(5, 3); Mono<String> noData = Mono.empty(); Mono<String> data = Mono.just("foo");

当谈到订阅时,可以使用Java 8的lambda表达式,订阅方法有多种不同的变体,带有不同的回调。

下面是方法签名:

//订阅并触发序列 subscribe(); //可以对每一个产生的值进行处理 subscribe(Consumer<? super T> consumer); //还可以响应一个错误 subscribe(Consumer<? super T> consumer, Consumer<? super Throwable> errorConsumer); //还可以在成功结束后执行一些代码 subscribe(Consumer<? super T> consumer, Consumer<? super Throwable> errorConsumer, Runnable completeConsumer); //还可以对Subscription执行一些操作 subscribe(Consumer<? super T> consumer, Consumer<? super Throwable> errorConsumer, Runnable completeConsumer, Consumer<? super Subscription> subscriptionConsumer);

使用Disposable取消订阅

这些基于lambda的订阅方法都返回一个Disposable类型,通过调用它的dispose()来取消这个订阅。

对于Flux和Mono,取消就是一个信号,表明源应该停止生产元素。然而,不保证立即生效,一些源可能生产元素非常快,以致于还没有收到取消信号就已经生产完了。

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