گشودن قدرت ناهمزمان: بررسی عمیق برنامه نویسی واکنش گرا و الگوی Observable

در دنیای توسعه نرم افزار مدرن، ما دائماً با رویدادهای ناهمزمان بمباران می شویم. کلیک های کاربر، درخواست های شبکه، فیدهای داده بلادرنگ و اعلان های سیستم همگی به طور غیرقابل پیش بینی وارد می شوند و خواستار یک روش قوی برای مدیریت آنها هستند. رویکردهای دستوری و مبتنی بر بازخوانی سنتی می توانند به سرعت منجر به کد پیچیده و غیرقابل مدیریتی شوند که اغلب به آن "جهنم بازخوانی" گفته می شود. اینجاست که برنامه نویسی واکنش گرا به عنوان یک تغییر پارادایم قدرتمند ظاهر می شود.

در قلب این پارادایم، الگوی Observable نهفته است، یک انتزاع ظریف و قدرتمند برای مدیریت جریان های داده ناهمزمان. این راهنما شما را به سفری عمیق در برنامه نویسی واکنش گرا می برد، الگوی Observable را رمزگشایی می کند، اجزای اصلی آن را بررسی می کند و نشان می دهد که چگونه می توانید آن را پیاده سازی و از آن برای ساخت برنامه های مقاوم تر، پاسخگوتر و قابل نگهداری تر استفاده کنید.

برنامه نویسی واکنش گرا چیست؟

برنامه نویسی واکنش گرا یک پارادایم برنامه نویسی اعلانی است که به جریان های داده و انتشار تغییرات می پردازد. به عبارت ساده تر، این در مورد ساخت برنامه هایی است که در طول زمان به رویدادها و تغییرات داده واکنش نشان می دهند.

به یک صفحه گسترده فکر کنید. وقتی مقدار را در سلول A1 به روز می کنید و سلول B1 فرمولی مانند =A1 * 2 دارد، B1 به طور خودکار به روز می شود. شما کدی نمی نویسید که به صورت دستی به تغییرات در A1 گوش دهید و B1 را به روز کنید. شما به سادگی رابطه بین آنها را اعلام می کنید. B1 نسبت به A1 واکنش گرا است. برنامه نویسی واکنش گرا این مفهوم قدرتمند را در مورد انواع جریان های داده اعمال می کند.

این پارادایم اغلب با اصولی که در مانیفست واکنش گرا آمده است، مرتبط است که سیستم هایی را توصیف می کند که عبارتند از:

• پاسخگو: سیستم در صورت امکان به موقع پاسخ می دهد. این سنگ بنای قابلیت استفاده و سودمندی است.
• تاب آور: سیستم در مواجهه با خرابی پاسخگو باقی می ماند. خرابی ها مهار، ایزوله و بدون به خطر انداختن کل سیستم، رسیدگی می شوند.
• الاستیک: سیستم تحت بار کاری متغیر پاسخگو باقی می ماند. می تواند با افزایش یا کاهش منابع اختصاص داده شده به آن، به تغییرات در نرخ ورودی واکنش نشان دهد.
• مبتنی بر پیام: سیستم برای ایجاد یک مرز بین اجزایی که جفت شدن سست، انزوا و شفافیت موقعیت را تضمین می کند، به انتقال پیام ناهمزمان متکی است.

در حالی که این اصول در مورد سیستم های توزیع شده در مقیاس بزرگ اعمال می شوند، ایده اصلی واکنش نشان دادن به جریان های داده همان چیزی است که الگوی Observable به سطح برنامه می آورد.

Observer در مقابل الگوی Observable: یک تمایز مهم

قبل از اینکه عمیق تر به این موضوع بپردازیم، بسیار مهم است که الگوی Observable واکنش گرا را از پیشینی کلاسیک آن، الگوی Observer که توسط "باند چهار" (GoF) تعریف شده است، متمایز کنیم.

الگوی Observer کلاسیک

الگوی GoF Observer یک وابستگی یک به چند بین اشیاء را تعریف می کند. یک شی مرکزی، Subject، لیستی از وابستگان خود را که Observers نامیده می شوند، نگه می دارد. هنگامی که وضعیت Subject تغییر می کند، به طور خودکار تمام Observers خود را مطلع می کند، معمولاً با فراخوانی یکی از متدهای آنها. این یک مدل "push" ساده و موثر است که در معماری های رویداد محور رایج است.

الگوی Observable (توسعه های واکنش گرا)

الگوی Observable، همانطور که در برنامه نویسی واکنش گرا استفاده می شود، تکامل Observer کلاسیک است. این ایده اصلی یک Subject که به Observers به روز رسانی می دهد را می گیرد و آن را با مفاهیم برنامه نویسی تابعی و الگوهای تکرارکننده شارژ می کند. تفاوت های کلیدی عبارتند از:

• تکمیل و خطاها: یک Observable فقط مقادیر را فشار نمی دهد. همچنین می تواند سیگنال دهد که جریان به پایان رسیده است (تکمیل) یا خطایی رخ داده است. این یک چرخه عمر تعریف شده برای جریان داده ارائه می دهد.
• ترکیب از طریق اپراتورها: این قدرت واقعی است. Observables با یک کتابخانه بزرگ از اپراتورها (مانند map، filter، merge، debounceTime) ارائه می شوند که به شما امکان می دهد جریان ها را به روشی اعلانی ترکیب، تبدیل و دستکاری کنید. شما یک خط لوله از عملیات می سازید و داده ها از طریق آن جریان می یابند.
• تنبلی: یک Observable "تنبلی" است. تا زمانی که یک Observer در آن مشترک نشود، شروع به انتشار مقادیر نمی کند. این امکان مدیریت کارآمد منابع را فراهم می کند.

در اصل، الگوی Observable، Observer کلاسیک را به یک ساختار داده با ویژگی های کامل و قابل ترکیب برای عملیات ناهمزمان تبدیل می کند.

اجزای اصلی الگوی Observable

برای تسلط بر این الگو، باید چهار بلوک سازنده اساسی آن را درک کنید. این مفاهیم در تمام کتابخانه های اصلی واکنش گرا (RxJS، RxJava، Rx.NET و غیره) سازگار هستند.

1. Observable

Observable منبع است. این نشان دهنده یک جریان داده است که می تواند در طول زمان تحویل داده شود. این جریان می تواند حاوی صفر یا چند مقدار باشد. می تواند جریانی از کلیک های کاربر، یک پاسخ HTTP، یک سری اعداد از یک تایمر یا داده ها از یک WebSocket باشد. خود Observable فقط یک طرح است. این منطق نحوه تولید و ارسال این مقادیر را تعریف می کند، اما تا زمانی که کسی گوش ندهد، هیچ کاری انجام نمی دهد.

2. Observer

Observer مصرف کننده است. این یک شی با مجموعه ای از متدهای callback است که می داند چگونه به مقادیر تحویل داده شده توسط Observable واکنش نشان دهد. رابط استاندارد Observer سه متد دارد:

• next(value): این متد برای هر مقدار جدیدی که توسط Observable push می شود، فراخوانی می شود. یک جریان می تواند next را صفر یا چند بار فراخوانی کند.
• error(err): اگر خطایی در جریان رخ دهد، این متد فراخوانی می شود. این سیگنال جریان را خاتمه می دهد. هیچ فراخوانی next یا complete دیگری انجام نخواهد شد.
• complete(): این متد زمانی فراخوانی می شود که Observable با موفقیت فشار دادن تمام مقادیر خود را به پایان رسانده باشد. این نیز جریان را خاتمه می دهد.

3. Subscription

Subscription پلی است که یک Observable را به یک Observer متصل می کند. وقتی متد subscribe() یک Observable را با یک Observer فراخوانی می کنید، یک Subscription ایجاد می کنید. این عمل به طور موثر جریان داده را "روشن" می کند. شی Subscription مهم است زیرا نشان دهنده اجرای مداوم است. مهمترین ویژگی آن متد unsubscribe() است که به شما امکان می دهد اتصال را قطع کنید، از گوش دادن به مقادیر متوقف شوید و هر گونه منبع زیربنایی (مانند تایمرها یا اتصالات شبکه) را تمیز کنید.

4. Operators

Operators قلب و روح ترکیب واکنش گرا هستند. آنها توابعی خالص هستند که یک Observable را به عنوان ورودی می گیرند و یک Observable جدید و تبدیل شده را به عنوان خروجی تولید می کنند. آنها به شما امکان می دهند جریان های داده را به روشی بسیار اعلانی دستکاری کنید. Operators به چندین دسته تقسیم می شوند:

• Creation Operators: Observables را از ابتدا ایجاد کنید (به عنوان مثال، of، from، interval).
• Transformation Operators: مقادیر منتشر شده توسط یک جریان را تبدیل کنید (به عنوان مثال، map، scan، pluck).
• Filtering Operators: فقط زیر مجموعه ای از مقادیر را از یک منبع منتشر کنید (به عنوان مثال، filter، take، debounceTime، distinctUntilChanged).
• Combination Operators: چندین Observable منبع را در یک Observable واحد ترکیب کنید (به عنوان مثال، merge، concat، zip).
• Error Handling Operators: به بازیابی از خطاها در یک جریان کمک کنید (به عنوان مثال، catchError، retry).

پیاده سازی الگوی Observable از ابتدا

برای درک واقعی اینکه چگونه این قطعات با هم هماهنگ می شوند، بیایید یک پیاده سازی Observable ساده شده بسازیم. ما برای وضوح از نحو JavaScript/TypeScript استفاده خواهیم کرد، اما مفاهیم مستقل از زبان هستند.

مرحله 1: تعریف رابط های Observer و Subscription

ابتدا، شکل مصرف کننده و شی اتصال خود را تعریف می کنیم.

            
// The consumer of values delivered by an Observable.
interface Observer {
  next: (value: any) => void;
  error: (err: any) => void;
  complete: () => void;
}

// Represents the execution of an Observable.
interface Subscription {
  unsubscribe: () => void;
}

            

              
                Copy
              
            
          

مرحله 2: ایجاد کلاس Observable

کلاس Observable ما منطق اصلی را نگه می دارد. سازنده آن یک "تابع مشترک" را می پذیرد که حاوی منطق تولید مقادیر است. متد subscribe یک observer را به این منطق متصل می کند.

            
class Observable {
  // The _subscriber function is where the magic happens.
  // It defines how to generate values when someone subscribes.
  private _subscriber: (observer: Observer) => () => void;

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

  subscribe(observer: Observer): Subscription {
    // The teardownLogic is a function returned by the subscriber
    // that knows how to clean up resources.
    const teardownLogic = this._subscriber(observer);

    // Return a subscription object with an unsubscribe method.
    return {
      unsubscribe: () => {
        teardownLogic();
        console.log('Unsubscribed and cleaned up resources.');
      }
    };
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

مرحله 3: ایجاد و استفاده از یک Observable سفارشی

اکنون بیایید از کلاس خود برای ایجاد یک Observable استفاده کنیم که هر ثانیه یک عدد را منتشر می کند.

            
// Create a new Observable that emits numbers every second
const myIntervalObservable = new Observable((observer) => {
  let count = 0;
  const intervalId = setInterval(() => {
    if (count >= 5) {
      // After 5 emissions, we are done.
      observer.complete();
      clearInterval(intervalId);
    } else {
      observer.next(count);
      count++;
    }
  }, 1000);

  // Return the teardown logic. This function will be called on unsubscribe.
  return () => {
    clearInterval(intervalId);
  };
});

// Create an Observer to consume the values.
const myObserver = {
  next: (value) => console.log(`Received value: ${value}`),
  error: (err) => console.error(`An error occurred: ${err}`),
  complete: () => console.log('Stream has completed!')
};

// Subscribe to start the stream.
console.log('Subscribing...');
const subscription = myIntervalObservable.subscribe(myObserver);

// After 6.5 seconds, unsubscribe to clean up the interval.
setTimeout(() => {
  subscription.unsubscribe();
}, 6500);

            

              
                Copy
              
            
          

وقتی این را اجرا می کنید، می بینید که اعداد 0 تا 4 را ثبت می کند، سپس "Stream has completed!" را ثبت می کند. فراخوانی unsubscribe اگر قبل از تکمیل آن را فراخوانی می کردیم، فاصله را تمیز می کند و مدیریت مناسب منابع را نشان می دهد.

موارد استفاده واقعی و کتابخانه های محبوب

قدرت واقعی Observables در سناریوهای پیچیده و واقعی می درخشد. در اینجا چند نمونه در حوزه های مختلف آورده شده است:

توسعه فرانت اند (به عنوان مثال، با استفاده از RxJS)

• مدیریت ورودی کاربر: یک مثال کلاسیک یک کادر جستجوی تکمیل خودکار است. می‌توانید یک جریان از رویدادهای `keyup` ایجاد کنید، از `debounceTime(300)` برای منتظر ماندن کاربر برای مکث تایپ کردن، `distinctUntilChanged()` برای جلوگیری از درخواست‌های تکراری، `filter()` برای حذف کوئری‌های خالی، و `switchMap()` برای ایجاد یک تماس API استفاده کنید، که به طور خودکار درخواست‌های ناتمام قبلی را لغو می‌کند. این منطق با callback ها فوق العاده پیچیده است اما با اپراتورها به یک زنجیره تمیز و اعلانی تبدیل می شود.
• مدیریت وضعیت پیچیده: در فریم ورک هایی مانند Angular، RxJS یک شهروند درجه یک برای مدیریت وضعیت است. یک سرویس می‌تواند وضعیت را به عنوان یک Observable در معرض نمایش قرار دهد و چندین کامپوننت می‌توانند در آن مشترک شوند و هنگام تغییر وضعیت، به طور خودکار دوباره رندر شوند.
• هماهنگی تماس های API متعدد: نیاز به واکشی داده ها از سه endpoint مختلف و ترکیب نتایج دارید؟ اپراتورهایی مانند forkJoin (برای درخواست های موازی) یا concatMap (برای درخواست های متوالی) این کار را بی اهمیت می کنند.

توسعه بک اند (به عنوان مثال، با استفاده از RxJava، Project Reactor)

• پردازش داده های بلادرنگ: یک سرور می تواند از یک Observable برای نشان دادن جریان داده از یک صف پیام مانند Kafka یا یک اتصال WebSocket استفاده کند. سپس می تواند از اپراتورها برای تبدیل، غنی سازی و فیلتر کردن این داده ها قبل از نوشتن آن در یک پایگاه داده یا پخش آن به مشتریان استفاده کند.
• ساخت میکروسرویس های مقاوم: کتابخانه های واکنش گرا مکانیسم های قدرتمندی مانند `retry` و `backpressure` را ارائه می دهند. Backpressure به یک مصرف کننده کند اجازه می دهد تا به یک تولید کننده سریع سیگنال دهد تا سرعت خود را کاهش دهد و از غرق شدن مصرف کننده جلوگیری کند. این برای ساخت سیستم های پایدار و مقاوم بسیار مهم است.
• API های غیر مسدود کننده: فریم ورک هایی مانند Spring WebFlux (با استفاده از Project Reactor) در اکوسیستم Java به شما امکان می دهند سرویس های وب کاملاً غیر مسدود کننده بسازید. به جای بازگرداندن یک شی `User`، کنترلر شما یک `Mono` (جریانی از 0 یا 1 آیتم) را برمی گرداند و به سرور زیربنایی اجازه می دهد تا درخواست های همزمان بیشتری را با رشته های کمتری مدیریت کند.

کتابخانه های محبوب

نیازی نیست این را از ابتدا پیاده سازی کنید. کتابخانه های بسیار بهینه شده و آزمایش شده برای تقریباً هر پلتفرم اصلی در دسترس هستند:

• RxJS: اجرای برتر برای JavaScript و TypeScript.
• RxJava: یک عنصر اصلی در جوامع توسعه Java و Android.
• Project Reactor: پایه و اساس پشته واکنش گرا در Spring Framework.
• Rx.NET: اجرای اصلی مایکروسافت که جنبش ReactiveX را آغاز کرد.
• RxSwift / Combine: کتابخانه های کلیدی برای برنامه نویسی واکنش گرا در پلتفرم های اپل.

قدرت اپراتورها: یک مثال عملی

بیایید قدرت ترکیبی اپراتورها را با مثال کادر جستجوی تکمیل خودکار که قبلاً ذکر شد، نشان دهیم. در اینجا نحوه ظاهر مفهومی آن با استفاده از اپراتورهای سبک RxJS آمده است:

            
// 1. Get a reference to the input element
const searchInput = document.getElementById('search-box');

// 2. Create an Observable stream of 'keyup' events
const keyup$ = fromEvent(searchInput, 'keyup');

// 3. Build the operator pipeline
keyup$.pipe(
  // Get the input value from the event
  map(event => event.target.value),

  // Wait for 300ms of silence before proceeding
  debounceTime(300),

  // Only continue if the value has actually changed
  distinctUntilChanged(),

  // If the new value is different, make an API call.
  // switchMap cancels previous pending network requests.
  switchMap(searchTerm => {
    if (searchTerm.length === 0) {
      // If input is empty, return an empty result stream
      return of([]); 
    }
    // Otherwise, call our API
    return api.search(searchTerm);
  }),

  // Handle any potential errors from the API call
  catchError(error => {
    console.error('API Error:', error);
    return of([]); // On error, return an empty result
  })
)
.subscribe(results => {
  // 4. Subscribe and update the UI with the results
  updateDropdown(results);
});

            

              
                Copy
              
            
          

این بلوک کد کوتاه و اعلانی، یک گردش کار ناهمزمان بسیار پیچیده را با ویژگی هایی مانند محدود کردن نرخ، حذف تکراری و لغو درخواست پیاده سازی می کند. دستیابی به این هدف با روش های سنتی به کد بسیار بیشتری و مدیریت دستی وضعیت نیاز دارد و خواندن و اشکال زدایی آن را دشوارتر می کند.

چه زمانی از برنامه نویسی واکنش گرا استفاده کنیم (و چه زمانی استفاده نکنیم)

مانند هر ابزار قدرتمندی، برنامه نویسی واکنش گرا یک راه حل جادویی نیست. درک موارد مثبت و منفی آن ضروری است.

مناسب برای:

• برنامه های غنی از رویداد: رابط های کاربری، داشبوردهای بلادرنگ و سیستم های پیچیده رویداد محور، نامزدهای اصلی هستند.
• منطق سنگین ناهمزمان: وقتی نیاز به هماهنگی چندین درخواست شبکه، تایمر و سایر منابع ناهمزمان دارید، Observables وضوح را ارائه می دهند.
• پردازش جریان: هر برنامه ای که جریان های مداوم داده را پردازش می کند، از تیکرهای مالی گرفته تا داده های حسگر IoT، می تواند از آن بهره مند شود.

هنگام:

• منطق ساده و همزمان است: برای کارهای ساده و متوالی، سربار برنامه نویسی واکنش گرا غیر ضروری است.
• تیم ناآشنا است: یک منحنی یادگیری تند وجود دارد. سبک اعلانی و تابعی می تواند یک تغییر دشوار برای توسعه دهندگانی باشد که به کد دستوری عادت دارند. اشکال زدایی نیز می تواند چالش برانگیزتر باشد، زیرا پشته های فراخوانی کمتر مستقیم هستند.
• یک ابزار ساده تر کافی است: برای یک عملیات ناهمزمان واحد، یک Promise ساده یا `async/await` اغلب واضح تر و بیش از حد کافی است. از ابزار مناسب برای کار استفاده کنید.

نتیجه

برنامه نویسی واکنش گرا، که توسط الگوی Observable پشتیبانی می شود، یک چارچوب قوی و اعلانی برای مدیریت پیچیدگی سیستم های ناهمزمان ارائه می دهد. با در نظر گرفتن رویدادها و داده ها به عنوان جریان های قابل ترکیب، به توسعه دهندگان اجازه می دهد کد تمیزتر، قابل پیش بینی تر و مقاوم تری بنویسند.

در حالی که نیاز به تغییر در طرز فکر از برنامه نویسی دستوری سنتی دارد، سرمایه گذاری در برنامه هایی با الزامات ناهمزمان پیچیده سود می دهد. با درک اجزای اصلی - Observable، Observer، Subscription و Operators - می توانید شروع به مهار این قدرت کنید. ما شما را تشویق می کنیم که یک کتابخانه را برای پلتفرم مورد نظر خود انتخاب کنید، با موارد استفاده ساده شروع کنید و به تدریج راه حل های رسا و ظریفی را که برنامه نویسی واکنش گرا می تواند ارائه دهد، کشف کنید.