Asinhronās jaudas atraisīšana: dziļa iedziļināšanās reaktīvajā programmēšanā un novērojamā (Observable) paraugā

Mūsdienu programmatūras izstrādes pasaulē mūs pastāvīgi bombardē asinhroni notikumi. Lietotāju klikšķi, tīkla pieprasījumi, reāllaika datu plūsmas un sistēmas paziņojumi visi pienāk neparedzami, prasot stabilu veidu, kā tos pārvaldīt. Tradicionālās imperatīvās un atzvanīšanas (callback) balstītās pieejas var ātri novest pie sarežģīta, nepārvaldāma koda, ko bieži dēvē par "atzvanīšanas elli" (callback hell). Šeit reaktīvā programmēšana parādās kā spēcīga paradigmas maiņa.

Šīs paradigmas pamatā ir novērojamais (Observable) paraugs – eleganta un jaudīga abstrakcija asinhronu datu plūsmu apstrādei. Šis ceļvedis jūs dziļi ievedīs reaktīvajā programmēšanā, demistificējot novērojamo paraugu, pētot tā pamatkomponentus un demonstrējot, kā jūs varat to ieviest un izmantot, lai veidotu noturīgākas, responsīvākas un uzturamākas lietojumprogrammas.

Kas ir reaktīvā programmēšana?

Reaktīvā programmēšana ir deklaratīva programmēšanas paradigma, kas nodarbojas ar datu plūsmām un izmaiņu izplatīšanos. Vienkāršāk sakot, tā ir par lietojumprogrammu veidošanu, kas reaģē uz notikumiem un datu izmaiņām laika gaitā.

Iedomājieties izklājlapu. Kad atjaunināt vērtību šūnā A1, un šūnā B1 ir formula, piemēram, =A1 * 2, B1 automātiski atjauninās. Jums nav jāraksta kods, lai manuāli klausītos A1 izmaiņas un atjauninātu B1. Jūs vienkārši deklarējat attiecības starp tām. B1 ir reaktīvs pret A1. Reaktīvā programmēšana piemēro šo jaudīgo koncepciju visu veidu datu plūsmām.

Šī paradigma bieži tiek saistīta ar principiem, kas izklāstīti Reaktīvajā Manifestā, kurā aprakstītas sistēmas, kas ir:

• Responsīvas: Sistēma atbild laicīgi, ja tas vispār ir iespējams. Tas ir lietojamības un noderīguma stūrakmens.
• Noturīgas: Sistēma paliek responsīva kļūmju gadījumā. Kļūmes tiek ierobežotas, izolētas un apstrādātas, neapdraudot sistēmu kopumā.
• Elastīgas: Sistēma paliek responsīva mainīgas darba slodzes apstākļos. Tā var reaģēt uz ievades ātruma izmaiņām, palielinot vai samazinot tai piešķirtos resursus.
• Uz ziņojumiem balstītas: Sistēma paļaujas uz asinhronu ziņojumu pārsūtīšanu, lai izveidotu robežu starp komponentiem, kas nodrošina brīvu sasaisti, izolāciju un atrašanās vietas caurspīdīgumu.

Kamēr šie principi attiecas uz liela mēroga izplatītām sistēmām, galvenā ideja par reaģēšanu uz datu plūsmām ir tas, ko novērojamais paraugs sniedz lietojumprogrammu līmenī.

Novērotāja (Observer) pret Novērojamā (Observable) paraugu: Svarīga atšķirība

Pirms iedziļināmies dziļāk, ir ļoti svarīgi atšķirt reaktīvo novērojamā (Observable) paraugu no tā klasiskā priekšgājēja, novērotāja (Observer) parauga, ko definējusi "Gang of Four" (GoF).

Klasiskais Novērotāja (Observer) paraugs

GoF Novērotāja paraugs definē viens-pret-daudziem atkarību starp objektiem. Centrālais objekts, Subjekts, uztur sarakstu ar saviem atkarīgajiem objektiem, ko sauc par Novērotājiem. Kad Subjekta stāvoklis mainās, tas automātiski paziņo visiem saviem Novērotājiem, parasti izsaucot kādu no to metodēm. Tas ir vienkāršs un efektīvs "push" modelis, kas ir izplatīts notikumu virzītās arhitektūrās.

Novērojamais (Observable) paraugs (reaktīvie paplašinājumi)

Novērojamais (Observable) paraugs, ko izmanto reaktīvajā programmēšanā, ir klasiskā Novērotāja evolūcija. Tas paņem galveno ideju par to, ka Subjekts nodod atjauninājumus Novērotājiem, un pastiprina to ar funkcionālās programmēšanas un iterātoru paraugu koncepcijām. Galvenās atšķirības ir:

• Pabeigšana un kļūdas: Novērojamais objekts ne tikai nodod vērtības. Tas var arī signalizēt, ka plūsma ir pabeigta (completion) vai ka ir radusies kļūda. Tas nodrošina labi definētu datu plūsmas dzīves ciklu.
• Kompozīcija, izmantojot operatorus: Šis ir patiesais superspēks. Novērojamie objekti nāk ar plašu operatoru bibliotēku (piemēram, map, filter, merge, debounceTime) kas ļauj deklaratīvā veidā apvienot, pārveidot un manipulēt ar plūsmām. Jūs veidojat darbību konveijeru, un dati plūst caur to.
• Slinkums (Laziness): Novērojamais objekts ir "slinks". Tas nesāk izvadīt vērtības, kamēr Novērotājs nav tam abonējis. Tas ļauj efektīvi pārvaldīt resursus.

Būtībā novērojamais (Observable) paraugs pārvērš klasisko Novērotāju par pilnvērtīgu, saliekamu datu struktūru asinhronām operācijām.

Novērojamā (Observable) parauga pamatkomponenti

Lai apgūtu šo paraugu, jums jāsaprot tā četri pamatakmeņi. Šīs koncepcijas ir konsekventas visās galvenajās reaktīvajās bibliotēkās (RxJS, RxJava, Rx.NET utt.).

1. Novērojamais (Observable)

Novērojamais (Observable) ir avots. Tas apzīmē datu plūsmu, ko var piegādāt laika gaitā. Šī plūsma var saturēt nulli vai daudzas vērtības. Tā varētu būt lietotāju klikšķu plūsma, HTTP atbilde, virkne skaitļu no taimera vai dati no WebSocket. Pats Novērojamais objekts ir tikai plāns; tas definē loģiku, kā ražot un nosūtīt šīs vērtības, taču tas neko nedara, kamēr kāds neklausās.

2. Novērotājs (Observer)

Novērotājs (Observer) ir patērētājs. Tas ir objekts ar atzvanīšanas (callback) metožu kopumu, kas zina, kā reaģēt uz Novērojamā objekta piegādātajām vērtībām. Standarta Novērotāja interfeisam ir trīs metodes:

• next(value): Šī metode tiek izsaukta katrai jaunai vērtībai, ko nosūta Novērojamais objekts. Plūsma var izsaukt next nulli vai vairākas reizes.
• error(err): Šī metode tiek izsaukta, ja plūsmā rodas kļūda. Šis signāls pārtrauc plūsmu; vairs netiks veikti next vai complete izsaukumi.
• complete(): Šī metode tiek izsaukta, kad Novērojamais objekts ir veiksmīgi pabeidzis visu vērtību nosūtīšanu. Tas arī pārtrauc plūsmu.

3. Abonements (Subscription)

Abonements (Subscription) ir tilts, kas savieno Novērojamo objektu ar Novērotāju. Kad jūs izsaucat Novērojamā objekta subscribe() metodi ar Novērotāju, jūs izveidojat Abonementu. Šī darbība efektīvi "ieslēdz" datu plūsmu. Abonementa objekts ir svarīgs, jo tas apzīmē notiekošo izpildi. Tā kritiskākā funkcija ir unsubscribe() metode, kas ļauj pārtraukt savienojumu, pārtraukt vērtību klausīšanos un notīrīt visus pamatā esošos resursus (piemēram, taimerus vai tīkla savienojumus).

4. Operatori

Operatori ir reaktīvās kompozīcijas sirds un dvēsele. Tās ir tīras funkcijas, kas kā ievadi saņem Novērojamo objektu un kā izvadi ražo jaunu, pārveidotu Novērojamo objektu. Tās ļauj manipulēt ar datu plūsmām ļoti deklaratīvā veidā. Operatori iedalās vairākās kategorijās:

• Izveides operatori: Izveido Novērojamos objektus no nulles (piemēram, of, from, interval).
• Pārveides operatori: Pārveido plūsmas izvadītās vērtības (piemēram, map, scan, pluck).
• Filtrēšanas operatori: Izvadīts tikai avota vērtību apakškopu (piemēram, filter, take, debounceTime, distinctUntilChanged).
• Kombinēšanas operatori: Apvieno vairākus avota Novērojamos objektus vienā (piemēram, merge, concat, zip).
• Kļūdu apstrādes operatori: Palīdz atgūties no kļūdām plūsmā (piemēram, catchError, retry).

Novērojamā (Observable) parauga ieviešana no nulles

Lai patiesi saprastu, kā šīs daļas savienojas kopā, izveidosim vienkāršotu Novērojamā objekta ieviešanu. Skaidrības labad mēs izmantosim JavaScript/TypeScript sintaksi, taču koncepcijas ir neatkarīgas no valodas.

1. solis: Definējiet novērotāja un abonementa saskarnes

Pirmkārt, mēs definējam mūsu patērētāja un savienojuma objekta formu.

            
// 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
              
            
          

2. solis: Izveidojiet novērojamā objekta klasi

Mūsu novērojamā objekta klasē tiks glabāta pamatloģika. Tās konstruktors pieņem "abonēšanas funkciju", kas satur loģiku vērtību ražošanai. Metode subscribe savieno novērotāju ar šo loģiku.

            
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
              
            
          

3. solis: Izveidojiet un izmantojiet pielāgotu novērojamo objektu

Tagad izmantosim mūsu klasi, lai izveidotu novērojamo objektu, kas izvadīs skaitli katru sekundi.

            
// 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
              
            
          

Kad palaižat to, jūs redzēsiet, ka tas izvadīs skaitļus no 0 līdz 4, pēc tam izvadīs "Stream has completed!". Izsaukums unsubscribe notīrītu intervālu, ja mēs to izsauktu pirms pabeigšanas, demonstrējot pareizu resursu pārvaldību.

Reālās pasaules pielietojuma gadījumi un populārākās bibliotēkas

Novērojamo objektu patiesais spēks parādās sarežģītos, reālos scenārijos. Šeit ir daži piemēri dažādās jomās:

Front-End izstrāde (piemēram, izmantojot RxJS)

• Lietotāja ievades apstrāde: Klasisks piemērs ir automātiskās pabeigšanas meklēšanas lodziņš. Jūs varat izveidot `keyup` notikumu plūsmu, izmantot `debounceTime(300)`, lai gaidītu, kamēr lietotājs pārtrauc rakstīt, `distinctUntilChanged()` lai izvairītos no dublētiem pieprasījumiem, `filter()` lai izfiltrētu tukšus vaicājumus, un `switchMap()` lai veiktu API izsaukumu, automātiski atceļot iepriekšējos nepabeigtos pieprasījumus. Šī loģika ir neticami sarežģīta ar atzvanīšanas (callbacks) metodēm, bet kļūst par tīru, deklaratīvu ķēdi ar operatoriem.
• Kompleksa stāvokļa pārvaldība: Tādās karkasās kā Angular, RxJS ir pirmās klases rīks stāvokļa pārvaldībai. Pakalpojums var eksponēt stāvokli kā Novērojamo objektu, un vairākas komponentes var tam abonēt, automātiski pārveidojoties, kad stāvoklis mainās.
• Vairāku API izsaukumu orķestrēšana: Nepieciešams ielādēt datus no trim dažādiem galapunktiem un apvienot rezultātus? Operatori, piemēram, forkJoin (paralēliem pieprasījumiem) vai concatMap (secīgiem pieprasījumiem), to padara triviālu.

Back-End izstrāde (piemēram, izmantojot RxJava, Project Reactor)

• Reāllaika datu apstrāde: Servers var izmantot Novērojamo objektu, lai attēlotu datu plūsmu no ziņojumu rindas, piemēram, Kafka, vai WebSocket savienojuma. Pēc tam tas var izmantot operatorus, lai pārveidotu, bagātinātu un filtrētu šos datus, pirms tos ierakstīt datu bāzē vai pārraidīt klientiem.
• Izturīgu mikropakalpojumu veidošana: Reaktīvās bibliotēkas nodrošina jaudīgus mehānismus, piemēram, `retry` un `backpressure`. Aizmugures spiediens (backpressure) ļauj lēnam patērētājam signalizēt ātram ražotājam, lai tas palēninātos, neļaujot patērētājam tikt pārslogotam. Tas ir kritiski svarīgi, lai veidotu stabilas, izturīgas sistēmas.
• Nebloķējošas API: Karkasās, piemēram, Spring WebFlux (izmantojot Project Reactor) Java ekosistēmā, ļauj veidot pilnībā nebloķējošus tīmekļa pakalpojumus. Tā vietā, lai atgrieztu `User` objektu, jūsu kontrolieris atgriež `Mono` (plūsmu ar 0 vai 1 elementu), ļaujot pamatā esošajam serverim apstrādāt daudz vairāk vienlaicīgu pieprasījumu ar mazāku pavedienu skaitu.

Populārākās bibliotēkas

Jums nav jāievieš tas no nulles. Gandrīz katrai lielākajai platformai ir pieejamas ļoti optimizētas, pārbaudītas bibliotēkas:

• RxJS: Galvenā JavaScript un TypeScript ieviešana.
• RxJava: Pamats Java un Android izstrādes kopienās.
• Project Reactor: Reaktīvās steka pamats Spring karkasā.
• Rx.NET: Oriģinālā Microsoft ieviešana, kas aizsāka ReactiveX kustību.
• RxSwift / Combine: Galvenās bibliotēkas reaktīvai programmēšanai Apple platformās.

Operatoru spēks: Praktisks piemērs

Ilustrēsim operatoru kompozicionālo spēku ar iepriekš minēto automātiskās pabeigšanas meklēšanas lodziņa piemēru. Lūk, kā tas konceptuāli izskatītos, izmantojot RxJS stila operatorus:

            
// 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
              
            
          

Šis īsais, deklaratīvais koda bloks ievieš ļoti sarežģītu asinhronu darbplūsmu ar tādām funkcijām kā ātruma ierobežošana, dublikātu novēršana un pieprasījumu atcelšana. To panākt ar tradicionālām metodēm prasītu ievērojami vairāk koda un manuālas stāvokļa pārvaldības, padarot to grūtāk lasāmu un atkļūdojamu.

Kad izmantot (un kad neizmantot) reaktīvo programmēšanu

Tāpat kā jebkurš jaudīgs rīks, reaktīvā programmēšana nav sudraba lode. Ir svarīgi saprast tās kompromisus.

Lieliski piemērota:

• Lietojumprogrammām, kurās ir daudz notikumu: Lietotāja saskarnes, reāllaika informācijas paneļi un sarežģītas notikumu virzītas sistēmas ir galvenie kandidāti.
• Asinhronā loģika: Ja jums ir jāorķestrē vairāki tīkla pieprasījumi, taimeri un citi asinhroni avoti, novērojamie objekti nodrošina skaidrību.
• Plūsmas apstrāde: Jebkura lietojumprogramma, kas apstrādā nepārtrauktas datu plūsmas, sākot no finanšu biržas datiem līdz IoT sensoru datiem, var gūt labumu.

Apsveriet alternatīvas, ja:

• Loģika ir vienkārša un sinhrona: Vienkāršiem, secīgiem uzdevumiem reaktīvās programmēšanas pieskaitāmās izmaksas ir nevajadzīgas.
• Komanda nav pazīstama: Ir stāva mācīšanās līkne. Deklaratīvais, funkcionālais stils var būt grūta maiņa izstrādātājiem, kuri pieraduši pie imperatīvā koda. Atkļūdošana var arī būt sarežģītāka, jo izsaukumu steki ir mazāk tieši.
• Pietiek ar vienkāršāku rīku: Vienkāršai asinhronai operācijai vienkāršs Promise vai `async/await` bieži ir skaidrāks un vairāk nekā pietiekams. Izmantojiet pareizo rīku konkrētajam uzdevumam.

Secinājums

Reaktīvā programmēšana, ko darbina novērojamais (Observable) paraugs, nodrošina stabilu un deklaratīvu sistēmu asinhronu sistēmu sarežģītības pārvaldīšanai. Apstrādājot notikumus un datus kā saliekamas plūsmas, tā ļauj izstrādātājiem rakstīt tīrāku, paredzamāku un noturīgāku kodu.

Lai gan tā prasa domāšanas veida maiņu no tradicionālās imperatīvās programmēšanas, investīcijas atmaksājas lietojumprogrammās ar sarežģītām asinhronām prasībām. Izprotot pamatkomponentus — novērojamo (Observable) objektu, novērotāju (Observer), abonementu (Subscription) un operatorus —, jūs varat sākt izmantot šo spēku. Mēs aicinām jūs izvēlēties bibliotēku savai izvēlētajai platformai, sākt ar vienkāršiem pielietojuma gadījumiem un pakāpeniski atklāt izteiksmīgos un elegantos risinājumus, ko var piedāvāt reaktīvā programmēšana.