Asünkroonse jõu avamine: Sügav sukeldumine reaktiivsesse programmeerimisse ja vaadeldava mustrisse

Kaasaegse tarkvaraarenduse maailmas pommitavad meid pidevalt asünkroonsed sündmused. Kasutaja klikid, võrgutaotlused, reaalajas andmevoogud ja süsteemi teatised saabuvad kõik ettearvamatult, nõudes nende haldamiseks tõhusat viisi. Traditsioonilised käsu- ja tagasikutsumispõhised lähenemisviisid võivad kiiresti viia keeruka, raskesti hallatava koodini, mida sageli nimetatakse "tagasikutsumise helvetiks". Siin kerkib reaktiivne programmeerimine võimsa paradigmamuutusena esile.

Selle paradigma keskmes on vaadeldav muster, elegantne ja võimas abstraktne lahendus asünkroonsete andmevoogude haldamiseks. See juhend viib teid sügavale reaktiivsesse programmeerimisse, selgitades vaadeldavat mustrit, uurides selle peamisi komponente ning näidates, kuidas saate seda rakendada ja kasutada vastupidavamate, reageerivamate ja hooldatavamate rakenduste loomiseks.

Mis on reaktiivne programmeerimine?

Reaktiivne programmeerimine on deklaratiivne programmeerimisparadigma, mis tegeleb andmevoogude ja muutuste levikuga. Lihtsamalt öeldes on see rakenduste loomine, mis reageerivad aja jooksul sündmustele ja andmete muutustele.

Mõelge töölehele. Kui värskendate lahtri A1 väärtust ja lahtris B1 on valem nagu =A1 * 2, värskendub B1 automaatselt. Te ei pea kirjutama koodi, mis kuulab automaatselt A1 muutusi ja värskendab B1. Lihtsalt deklareerite nende vahelise seose. B1 reageerib A1-le. Reaktiivne programmeerimine rakendab seda võimsat kontseptsiooni igasugustele andmevoogudele.

See paradigma on sageli seotud Reaktiivse Manifesti esitatud põhimõtetega, mis kirjeldavad järgmisi süsteeme:

• Reageeriv: Süsteem reageerib õigeaegselt, kui see on üldse võimalik. See on kasutatavuse ja kasulikkuse nurgakivi.
• Vastupidav: Süsteem jääb tõrgete korral reageerivaks. Tõrked on piiratud, isoleeritud ja neid käsitletakse ilma tervet süsteemi kahjustamata.
• Elastsed: Süsteem jääb reageerivaks erineva töökoormuse korral. See suudab reageerida sisendkiiruse muutustele, suurendades või vähendades sellele eraldatud ressursse.
• Sõnumipõhised: Süsteem tugineb asünkroonsele sõnumite edastamisele, et luua komponentide vaheline piir, mis tagab nõrga sidumise, isolatsiooni ja asukoha läbipaistvuse.

Kuigi need põhimõtted kehtivad suuremahuliste hajutatud süsteemide kohta, on andmevoogudele reageerimise põhiidee see, mida vaadeldav muster rakendustasandil pakub.

Vaatleja vs. vaadeldav muster: Oluline eristus

Enne sügavamale sukeldumist on oluline eristada reaktiivset vaadeldavat mustrit selle klassikalisest eelkäijast, "Gang of Four" (GoF) määratletud vaatleja mustrist.

Klassikaline vaatleja muster

GoF vaatleja muster määratleb objektide vahelise ühe-mitme sõltuvuse. Tsentraalne objekt, teema (Subject), hoiab oma sõltlaste, mida nimetatakse vaatlejateks (Observers), loendit. Kui teema olek muutub, teavitab see automaatselt kõiki oma vaatlejaid, tavaliselt kutsudes mõnda nende meetoditest. See on lihtne ja tõhus "tõmbe" mudel, mis on levinud sündmuspõhistes arhitektuurides.

Vaadeldav muster (Reaktiivsed laiendused)

Vaadeldav muster, mida kasutatakse reaktiivses programmeerimises, on klassikalise vaatleja evolutsioon. See võtab teema põhjaliku idee, mis saadab värskendusi vaatlejatele, ja täiustab seda funktsionaalse programmeerimise ja iteraatorimustrite kontseptsioonidega. Peamised erinevused on:

• Lõpetamine ja vead: Vaadeldav ei saada ainult väärtusi. See võib ka signaali anda, et voog on lõppenud (lõpetamine) või et on tekkinud viga. See annab andmevoole selge elutsükli.
• Koostamine operaatorite kaudu: See on tõeline supervõimsus. Vaadeldavatega on kaasas tohutu operaatorite (nagu map, filter, merge, debounceTime) raamatukogu, mis võimaldavad teil andmevooge deklaratiivselt kombineerida, teisendada ja manipuleerida. Te ehitate töötlusliini ja andmed voolavad läbi selle.
• Laiskus: Vaadeldav on "laisk". See ei hakka väärtusi saatma enne, kui vaatleja sellele tellib. See võimaldab tõhusat ressursihalduse.

Sisuliselt muudab vaadeldav muster klassikalise vaatleja täisfunktsionaalseks, kombineeritavaks andmestruktuuriks asünkroonsete toimingute jaoks.

Vaadeldava mustri peamised komponendid

Selle mustri omandamiseks peate mõistma selle nelja põhilist ehitusplokki. Need kontseptsioonid on järjepidevad kõigi peamiste reaktiivsete raamatukogude (RxJS, RxJava, Rx.NET jne) puhul.

1. Vaadeldav (Observable)

Vaadeldav on allikas. See esindab ajaga tarnitavat andmevoogu. See voog võib sisaldada nulli või palju väärtusi. See võib olla kasutaja klikkide voog, HTTP-vastus, taimeri numbrite seeria või WebSocketi andmed. Vaadeldav ise on lihtsalt plaan; see määratleb loogika, kuidas neid väärtusi toota ja saata, kuid see ei tee midagi enne, kui keegi kuulab.

2. Vaatleja (Observer)

Vaatleja on tarbija. See on objekt, millel on tagasikutsumismeetodite komplekt, mis teab, kuidas reageerida vaadeldava poolt tarnitud väärtustele. Standardne vaatleja liidesel on kolm meetodit:

• next(value): Seda meetodit kutsutakse iga uue väärtuse puhul, mille vaadeldav saadab. Voog võib kutsuda next nulli või mitu korda.
• error(err): Seda meetodit kutsutakse, kui voos tekib viga. See signaal lõpetab voo; enam next või complete kõnesid ei tehta.
• complete(): Seda meetodit kutsutakse, kui vaadeldav on edukalt saatnud kõik oma väärtused. See lõpetab samuti voo.

3. Tellimus (Subscription)

Tellimus on sild, mis ühendab vaadeldava vaatlejaga. Kui kutsute vaadeldava subscribe() meetodit vaatlejaga, loote tellimuse. See tegevus "lülitab" andmevoo efektiivselt "sisse". Tellimuse objekt on oluline, kuna see esindab käimasolevat täitmist. Selle kõige olulisem funktsioon on unsubscribe() meetod, mis võimaldab teil ühenduse katkestada, väärtuste kuulamise lõpetada ja mis tahes aluseks olevad ressursid (nagu taimerid või võrguühendused) puhastada.

4. Operaatorid (Operators)

Operaatorid on reaktiivse koostamise süda ja hing. Need on puhtad funktsioonid, mis võtavad vaadeldava sisendina ja väljastavad uue, teisendatud vaadeldava. Need võimaldavad teil andmevooge väga deklaratiivsel viisil manipuleerida. Operaatorid jagunevad mitmesse kategooriasse:

• Loomisoperaatorid: Loovad vaadeldavad nullist (nt of, from, interval).
• Teisendusoperaatorid: Teisendavad voo poolt saadetud väärtusi (nt map, scan, pluck).
• Filtreerimisoperaatorid: Saadavad ainult osa allika väärtustest (nt filter, take, debounceTime, distinctUntilChanged).
• Kombineerimisoperaatorid: Ühendavad mitu lähtevaadeldavat ühte (nt merge, concat, zip).
• Vea käsitsemise operaatorid: Aitavad voos olevatest vigadest taastuda (nt catchError, retry).

Vaadeldava mustri rakendamine nullist

Nende osade koosmõju täielikuks mõistmiseks ehitame lihtsustatud vaadeldava rakenduse. Kasutame selle selguse jaoks JavaScripti/TypeScripti süntaksit, kuid kontseptsioonid on keeleruumi suhtes sõltumatud.

1. samm: Vaatleja ja tellimuse liideste määratlemine

Esmalt määratleme oma tarbija kuju ja ühenduse objekti.

            
// Vaadeldava poolt tarnitud väärtuste tarbija.
interface Observer {
  next: (value: any) => void;
  error: (err: any) => void;
  complete: () => void;
}

// Esindab vaadeldava täitmist.
interface Subscription {
  unsubscribe: () => void;
}

            

              
                Copy
              
            
          

2. samm: Vaadeldava klassi loomine

Meie vaadeldav klass sisaldab põhiloogikat. Selle konstruktor võtab vastu "tellija funktsiooni", mis sisaldab väärtuste tootmise loogikat. subscribe meetod ühendab vaatleja selle loogikaga.

            
class Observable {
  // _subscriber funktsioon on see, kus toimub võlu.
  // See määrab, kuidas väärtusi genereerida, kui keegi tellib.
  private _subscriber: (observer: Observer) => () => void;

  constructor(subscriber: (observer: Observer) => () => void) {
    this._subscriber = subscriber;
  }

  subscribe(observer: Observer): Subscription {
    // TeardownLogic on funktsioon, mille tellija tagastab
    // ja mis teab, kuidas ressursse puhastada.
    const teardownLogic = this._subscriber(observer);

    // Tagasta tellimuse objekt koos unsubscribe meetodiga.
    return {
      unsubscribe: () => {
        teardownLogic();
        console.log('Unsubscribed and cleaned up resources.');
      }
    };
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. samm: Kohandatud vaadeldava loomine ja kasutamine

Nüüd kasutame oma klassi, et luua vaadeldav, mis saadab numbri iga sekundi järel.

            
// Loo uus vaadeldav, mis saadab numbreid iga sekundi järel
const myIntervalObservable = new Observable((observer) => {
  let count = 0;
  const intervalId = setInterval(() => {
    if (count >= 5) {
      // Pärast 5 saatmist oleme valmis.
      observer.complete();
      clearInterval(intervalId);
    } else {
      observer.next(count);
      count++;
    }
  }, 1000);

  // Tagasta lahenduse loogika. Seda funktsiooni kutsutakse tellimusest lahkumisel.
  return () => {
    clearInterval(intervalId);
  };
});

// Loo vaatleja väärtuste tarbimiseks.
const myObserver = {
  next: (value) => console.log(`Received value: ${value}`),
  error: (err) => console.error(`An error occurred: ${err}`),
  complete: () => console.log('Stream has completed!')
};

// Tellimiseks, et alustada voogu.
console.log('Subscribing...');
const subscription = myIntervalObservable.subscribe(myObserver);

// Pärast 6,5 sekundit lahku tellimusest, et intervalli puhastada.
setTimeout(() => {
  subscription.unsubscribe();
}, 6500);

            

              
                Copy
              
            
          

Kui seda käivitate, näete, kuidas see logib numbrid 0 kuni 4, seejärel logib "Stream has completed!". unsubscribe kõne puhastaks intervalli, kui me seda enne lõpetamist kutsume, näidates nõuetekohast ressursihaldust.

Reaalmaailma kasutusjuhtumid ja populaarsed raamatukogud

Vaadeldavate tegelik jõud paistab silma keerulistes, reaalmaailma stsenaariumides. Siin on mõned näited erinevates valdkondades:

Front-end arendus (nt RxJS abil)

• Kasutajasisendi haldamine: Klassikaline näide on automaatse täitmise otsingukast. Saate luua keyup sündmuste voo, kasutada debounceTime(300), et oodata, kuni kasutaja tippimise peatab, distinctUntilChanged(), et vältida duplikaatpäringuid, filter() tühjade päringute väljajätmiseks ja switchMap(), et teha API-kutse, tühistades automaatselt eelmised pooleliolevad päringud. See loogika on tagasikutsumistega uskumatult keeruline, kuid operaatoritega muutub see puhtaks, deklaratiivseks ahelaks.
• Keeruline oleku haldus: Sellistes raamistikes nagu Angular on RxJS oleku haldamiseks esmaklassiline kodanik. Teenus võib pakkuda olekut vaadeldavana ja mitu komponenti saavad sellele tellida, automaatselt uuesti renderdades, kui olek muutub.
• Mitme API-kõne korraldamine: Kas peate andmeid hankima kolmest erinevast lõpp-punktist ja kombineerima tulemusi? Operaatorid nagu forkJoin (paralleelseteks päringuteks) või concatMap (jadaühendusteks) muudavad selle lihtsaks.

Back-end arendus (nt RxJava, Project Reactor abil)

• Reaalajas andmetöötlus: Server saab kasutada vaadeldavat, et esindada andmevoogu sõnumijärjekorrast nagu Kafka või WebSocketi ühendusest. Seejärel saab see kasutada operaatoreid andmete teisendamiseks, rikastamiseks ja filtreerimiseks enne nende andmebaasi kirjutamist või klientidele edastamist.
• Vastupidavate mikroteenuste loomine: Reaktiivsed raamatukogud pakuvad võimsaid mehhanisme nagu retry ja backpressure. Tagasirõhk võimaldab aeglasel tarbijal kiirele tootjale aeglustada, takistades tarbijat ülekoormuse eest. See on kriitiline stabiilsete, vastupidavate süsteemide loomisel.
• Mitteblokeerivad API-d: Sellised raamistiku nagu Spring WebFlux (Project Reactorit kasutades) Java ökosüsteemis võimaldavad teil luua täiesti mitteblokeerivaid veebiteenuseid. Selle asemel, et tagastada User objekti, tagastab teie kontroller Mono (0 või 1 elemendi voog), võimaldades aluseks oleval serveril hallata palju rohkem samaaegseid päringuid väiksema arvu niitidega.

Populaarsed raamatukogud

Te ei pea seda nullist rakendama. Peaaegu igale suuremale platvormile on saadaval kõrgelt optimeeritud, lahingutest läbi käinud raamatukogud:

• RxJS: JavaScripti ja TypeScripti peamine rakendus.
• RxJava: Java ja Androidi arendusringkondade alustala.
• Project Reactor: Reaktiivse virna alus Spring Frameworkis.
• Rx.NET: Algne Microsofti rakendus, mis alustas ReactiveX liikumist.
• RxSwift / Combine: Peamised raamatukogud Apple'i platvormidel reaktiivse programmeerimise jaoks.

Operaatorite jõud: Praktiline näide

Illustreerime operaatorite koostamispõhist jõudu eespool mainitud automaatse täitmise otsingukasti näitega. Siin näeb see välja kontseptuaalselt, kasutades RxJS-stiilis operaatoreid:

            
// 1. Hankige viide sisendielemendile
const searchInput = document.getElementById('search-box');

// 2. Looge "keyup" sündmuste vaadeldav voog
const keyup$ = fromEvent(searchInput, 'keyup');

// 3. Ehitage operaatori töötlusliin
keyup$.pipe(
  // Hankige sisendiväärtus sündmusest
  map(event => event.target.value),

  // Oodake 300 ms vaikust enne jätkamist
  debounceTime(300),

  // Jätkake ainult siis, kui väärtus on tegelikult muutunud
  distinctUntilChanged(),

  // Kui uus väärtus on erinev, tehke API-kutse.
  // switchMap tühistab eelmised pooleliolevad võrguühenduse taotlused.
  switchMap(searchTerm => {
    if (searchTerm.length === 0) {
      // Kui sisend on tühi, tagastage tühi tulemusvoog
      return of([]); 
    }
    // Vastasel juhul kutsuge meie API-d
    return api.search(searchTerm);
  }),

  // Käsitsege API-kõnest tulenevaid võimalikke vigu
  catchError(error => {
    console.error('API Error:', error);
    return of([]); // Vigade korral tagastage tühi tulemus
  })
)
.subscribe(results => {
  // 4. Tellige ja värskendage UI-d tulemustega
  updateDropdown(results);
});

            

              
                Copy
              
            
          

See lühike, deklaratiivne koodiplokk rakendab väga keerukat asünkroonset töövoogu, millel on sellised funktsioonid nagu kiirusepiirang, duplikaatide eemaldamine ja päringute tühistamine. Selle saavutamine traditsiooniliste meetoditega nõuaks oluliselt rohkem koodi ja käsitsi oleku haldust, muutes selle lugemise ja silumise keerulisemaks.

Millal kasutada (ja mitte kasutada) reaktiivset programmeerimist

Nagu iga võimas tööriist, ei ole reaktiivne programmeerimine maagiline lahendus. On oluline mõista selle kompromisse.

Suurepärane valik:

• Sündmusrikkad rakendused: Kasutajaliidesed, reaalajas armatuurlauad ja keerulised sündmuspõhised süsteemid on peamised kandidaadid.
• Asünkroonselt-intensiivne loogika: Kui peate korraldama mitmeid võrgutaotlusi, taimereid ja muid asünkroonseid allikaid, pakuvad vaadeldavad selgust.
• Voogude töötlemine: Iga rakendus, mis töötleb pidevaid andmevooge, alates finantstickeritest kuni IoT-andurite andmeteni, saab kasu.

Kaaluge alternatiive, kui:

• Loogika on lihtne ja sünkroonne: Lihtsate, järjestikuste ülesannete puhul on reaktiivse programmeerimise lisakoormus tarbetu.
• Meeskond pole tuttav: Õppimiskõver on järsk. Deklaratiivne, funktsionaalne stiil võib olla keeruline üleminek arendajatele, kes on harjunud käsujärgsuse koodiga. Silumine võib olla ka keerulisem, kuna kõnejad on vähem otsesed.
• Lihtsam tööriist piisab: Ühe asünkroonse toimingu jaoks on lihtne Promise või async/await sageli selgem ja enam kui piisav. Kasutage õiget tööriista.

Järeldus

Reaktiivne programmeerimine, mida toetab vaadeldav muster, pakub tõhusat ja deklaratiivset raamistikku asünkroonsete süsteemide keerukuse haldamiseks. Sündmusi ja andmeid käsitledes kombineeritavate voogudena võimaldab see arendajatel kirjutada puhtamat, ennustatavamat ja vastupidavamat koodi.

Kuigi see nõuab mõtteviisi muutust võrreldes traditsioonilise käsujärgsuse programmeerimisega, tasub investeering end keeruka asünkroonse nõudlusega rakendustes. Põhikomponentide - vaadeldava, vaatleja, tellimuse ja operaatorite - mõistmisega saate selle jõu kasutamist alustada. Soovitame teil valida oma platvormi valikuks raamatukogu, alustada lihtsate kasutusjuhtumitega ja avastada järk-järgult ilmekad ja elegantsed lahendused, mida reaktiivne programmeerimine võib pakkuda.