响应式编程入门指南 - 通俗易懂 RxJS

Posted 2021-04-30 黯晓

全文篇幅较长，建议选取一段独立的时间来阅读此文。

RxJS 是 Reactive Extensions for javascript 的缩写，起源于 Reactive Extensions，是一个基于可观测数据流 Stream 结合观察者模式和迭代器模式的一种异步编程的应用库。RxJS 是 Reactive Extensions 在 JavaScript 上的实现。

按照正常的节奏，听到 RxJS 时，我第一时间是打开官方文档阅读的，但在没实际上手操作之前，文档的诸多描述和关键词让我读的有些摸不着头脑。RxJs 是干什么的、它解决了什么问题，只有找到这两个问题的答案我才能对 RxJS 有所体感。

网上存在各式各样的教程或者讲解，但正如大部分文章所述，虽然 RxJS 如此强大，但概念众多、一切皆为流的思想又贯穿始终，便存在「学习门槛过高｜的错觉。本文从初学者的角度出发，希望由浅入深全面的梳理一下有关 RxJS 的各个方面，本文编排顺序如下：

1. 初识 RxJS 的做事方法 - 先用一个字符串输入和处理显示的例子简单演示如何用 RxJS 实现我们的日常需求；

2. 知识点扫盲与提振信心 - 然后将一系列学习 RxJS 之前需要了解的前置知识点梳理一遍，比如同步/异步、观察者模式、响应式编程、迭代器模式、Stream 等等，这有点像写论文中的 related work。毕竟，上来各种听不懂的名词，很容易使初学者望而却步；

3. RxJS 核心概念与示例 - 接着顺势引入 RxJS 及其相关核心概念，比如 Observable、Observer、Subscription、Schedulers、Operator 和 Subject 等等，并附带一些个人理解和通俗易懂的示例；

4. 一些其他示例 - 比如 Hot/Cold Observable、单播与多播示例等等，希望帮助你熟悉 RxJS 的更多用法；

注：由于限制，文中链接无法点击，相关参考如需进一步查看可点击文末的「阅读原文」查看。

想想连我都能学会，你还怕什么呢，那么我们开始吧。

原文链接  https://hijiangtao.github.io/2020/01/13/RxJS-Introduction-and-Actions/

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一、一个控制数据流动的示例

我们看一个简单示例。假设我们的页面中有一个输入框，我们想将用户的输入打印出来，但有个条件，若是输入字符长度小于3我们则忽略处理，即控制台输出的第一个值应为 "hel" 字符串。现在我们要用 RxJs 来实现，该怎么做呢？

// 输入 "hello world"
var input = Rx.Observable.fromEvent(document.querySelector('input'), 'input');

// 过滤掉小于3个字符长度的目标值
input.filter(event => event.target.value.length > 2)
 .map(event => event.target.value)
 .subscribe(value => console.log(value)); // 订阅输出值

我们先不细探 Rx.Observable 的创建方式以及链式调用声明控制台输出的写法，简而言之以上便是 RxJS 可以做的一件事情，把 DOM 中的用户输入通过事件转化为经过逻辑处理的控制台输出结果。

文档对 RxJS 的介绍只有一句话，它是使用 Observables 的响应式编程的库，它使编写异步或基于回调的代码更容易。但从以上例子看，貌似 RxJS 对回调的处理没有什么特别，你可能在想，不知道 RxJs 之前，我们完全可以写一个传统的事件监听器，并填入处理逻辑。那么它到底强在哪，为什么使响应式编程更容易了呢？解答这个问题之前，我们先把前置需要了解的概念梳理一下。

二、前置知识点

2.1 同步与异步

我们先看分布式网络系统中的同步/异步。分布式网络系统中，各个参与方节点的运行是相互独立的，没有共享内存，没有全局时钟。各节点通过消息来进行沟通。在传统的理念中，我们会把这样的网络根据他们通信方式描述成同步和异步的。

• 同步（Synchronous）就是整个处理过程顺序执行，当各个过程都执行完毕，并返回结果。是一种线性执行的方式，执行的流程不能跨越。一般用于流程性比较强的程序，比如用户登录，需要对用户验证完成后才能登录系统。

• 异步（Asynchronous）则是只是发送了调用的指令，调用者无需等待被调用的方法完全执行完毕；而是继续执行下面的流程。是一种并行处理的方式，不必等待一个程序执行完，可以执行其它的任务，比如页面数据加载过程，不需要等所有数据获取后再显示页面。

而介绍如上概念之前，作为前端工程师，最被大家熟知的“同步/异步”概念大概如图所示

而同步/异步编程和同步/异步网络又有什么区别呢？传统的同步编程是一种请求响应模型，调用一个方法，等待其响应返回.。而异步编程就是，发出一个任务，不等待结果，就继续发出下一个任务。至于上一个任务的执行结果，我们可以通过两种方式获得，一个是主动轮询，另一个是单独开一个线程去等待结果接收并回调执行。

2.2 响应式编程

响应式编程，即 Reactive Programming。它是一种基于事件模式的模型。在上面的异步编程模式中，我们描述了两种获得上一个任务执行结果的方式，一个就是主动轮询，我们把它称为 Proactive 方式；另一个就是被动接收反馈，我们称为 Reactive 方式。简单来说，在 Reactive 方式中，上一个任务执行结果的反馈就是一个事件，这个事件的到来会触发下一个任务的执行。

网上有一大堆定义，理论化或者泛泛而谈，对于初学者来说一句话概括，响应式编程是使用异步数据流进行编程。

响应式编程的思路大概如下：你可以用包括 Click 和 Hover 事件在内的任何东西创建 Data stream（也称“流”，后续章节详述）。Stream 廉价且常见，任何东西都可以是一个 Stream：变量、用户输入、属性、Cache、数据结构等等。举个例子，想像一下你的 Twitter feed 就像是 Click events 那样的 Data stream，你可以监听它并相应的作出响应。
在这个基础上，你还有令人惊艳的函数去组合、创建、过滤这些 Streams，这就是函数式魔法的用武之地。Stream 能接受一个，甚至多个 Stream 为输入，你可以融合两个 Stream，也可以从一个 Stream 中过滤出你感兴趣的 Events 以生成一个新的 Stream，还可以把一个 Stream 中的数据映射到一个新的 Stream 中。——摘自 《响应式编程介绍》

2.3 Stream / 流

作为响应式编程的核心，流的本质是一个按时间顺序排列的进行中事件的序列集合。它可以发送三种不同的事物：

• 某种类型的值

• 错误（Error）

• 已完成信号（"Completed" Signal）

下图是点击按钮的一个事件流示意图

该示意图使用 ASCII 重画长成这样：

--a---b-c---d---X---|->

a, b, c, d are emitted values
X is an error
| is the 'completed' signal
---> is the timeline

我们可以针对它做一些处理，将它转化为一个新的 stream，比如做一个能记录一个按钮点击了多少次的计数器 Stream。在常见的响应式编程库中，每个 stream 都会有多个方法，map、filter、scan 等等。当你调用其中一个方法时，例如 clickStream.map(f)，它就会基于原来的 click stream 返回一个新的 stream。它不会对原来的 click steam 作任何修改。这个特性就是不可变性(Immutability)，它之于响应式编程 Stream，就如糖浆之于薄煎饼。我们也可以对方法进行链式调用如 clickStream.map(f).scan(g).

clickStream: ---c----c--c----c------c-->
 vvvvv map(c becomes 1) vvvv
 ---1----1--1----1------1-->
 vvvvvvvvv scan(+) vvvvvvvvv
counterStream: ---1----2--3----4------5-->

为了展示RP真正的实力，让我们假设你想得到一个包含双击事件的Stream。为了让它更加有趣，假设我们想要的这个Stream要同时考虑三击 (Triple clicks)，或者更加宽泛，连击 (Multiple clicks)。我们先不讨论它的实现，用示意图来表示这个 stream 它应该长成这样：

2.4 观察者模式

观察者模式又叫发布订阅模式（Publish/Subscribe），它是一种一对多的关系，让多个观察者（Obesver）同时监听一个主题（Subject），这个主题也就是被观察者（Observable），被观察者的状态发生变化时就会通知所有的观察者，使得它们能够接收到更新的内容。观察者模式主题和观察者是分离的，不是主动触发而是被动监听。

网上有个例子解释的不错：购房者一直在密切的关注房价，而房价随时间波动，购房者可能会根据波动的房价而采取一系列的行动，比如购入或者继续观望。购房者与房价的这样一种关系其实就构成了一种观察者关系。这里，购房者担任观察者的角色，房价是被观察的角色，当房价信息发生变化，则自动推送信息给购房者。

先记得这个例子，后面介绍 RxJS 时我们会继续用到。

2.5 迭代器模式

迭代器（Iterator）模式又叫游标（Sursor）模式，迭代器具有 next 方法，可以顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而不需要暴露该对象的内部表现。迭代器模式可以把迭代的过程从从业务逻辑中分离出来，迭代器将使用者和目标对象隔离开来，即使不了解对象的内部构造，也可以通过迭代器提供的方法顺序访问其每个元素。

例如在 JavaScript 中，可以通过 iterator 方法来获取一个迭代对象，然后调用迭代对象的 next 方法去迭代得到一个个的元素：

var iterable = [1, 2];
var iterator = iterable[Symbol.iterator]();
iterator.next(); // => { value: "1", done: false}
iterator.next(); // => { value: "2", done: false}
iterator.next(); // => { value: undefined, done: true}

在了解了如上概念之后，我们回过头再看看 RxJS 解决了哪些核心问题：

• 同步和异步的统一写法

• 数据变更过程的组合拆分

• 数据和视图的精确绑定

• 条件变更后，对应数据自动重新计算

没有全明白也没关系，接下来了解 RxJs 的核心概念也就容易一些了。

三、RxJS 核心概念与内容概览

不管是官方文档的概览，还是网上搜的各种入门教程，关于 RxJS 的核心概念就这几个，也是文档中提到的：

• Observable (可观察对象): 表示一个概念，这个概念是一个可调用的未来值或事件的集合。

• Observer (观察者): 一个回调函数的集合，它知道如何去监听由 Observable 提供的值。

• Subscription (订阅): 表示 Observable 的执行，主要用于取消 Observable 的执行。

• Operators (操作符): 采用函数式编程风格的纯函数 (pure function)，使用像 map、filter、concat、flatMap 等这样的操作符来处理集合。

• Subject (主体): 相当于 EventEmitter，并且是将值或事件多路推送给多个 Observer 的唯一方式。

• Schedulers (调度器): 用来控制并发并且是中央集权的调度员，允许我们在发生计算时进行协调，例如 setTimeout 或 requestAnimationFrame 或其他。

罗列知识点对理解如何使用并不会有太大帮助，所以我也简单说说自己的体会，以下的内容会开始结合 RxJS 的相关内容。

3.1 理解 RxJS 中的 Observer 与 Observable

首先，如何理解 Observer 和 Observable 呢？我们回到之前的购房者例子。将那个例子套用到观察者模式中：

• 房价即为 Observable 对象；

• 购房者即为 Observer 对象；

• 而购房者观察房价即为 Subscribe（订阅）关系；

再结合买房的例子，我们可以很学术的描述 Observable 和 Observer 的行为：

• Observable ****可被观察，即房价被购房者关注，并且随时间变化发出 (emit) 不同值，表现为房价波动；

• Observer 可以观察 Observable，即购房者关注房价，并在 Observable （房价）发出不同值（房价波动）时做出响应，即买房或观望；

• Observable 和 Observer 之间通过订阅（Subscription）建立观察关系；

• 当 Observable 没有 Observer 的时候，即使发出了值，也不会产生任何影响，即无人关注房价时，房价不管如何波动都不会有响应；

3.2 Observer, Observable 与 Subscription 示例

Observable 是多个值的惰性推送集合。回到 RxJS 我们用一个例子来看看如何构建一个 Observable：

import { Observable } from 'rxjs';

const observable = Observable.create(observer => {
 observer.next('foo');
 observer.next('bar');
})

我们可以调用 Observable.create 方法来创建一个 Observable，这个方法接受一个函数作为参数，这个函数叫做 producer 函数， 用来生成 Observable 的值。这个函数的入参是 observer，在函数内部通过调用 observer.next() 便可生成有一系列值的一个 Observable。当一个 Observable 被建立后，它能被多个 observer 订阅，每个订阅关系相互独立、互不影响。

但是运行这段代码后并不会发生任何事情，如上所述，我们需要一个 observer 去订阅这个 observable，此后基于 observable 发出的值，observer 才会响应。因此，在如上代码末尾，我们再加上一行：

observable.subscribe(console.log);

运行代码，console.log 函数便会依次打印出 'foo' 和 'bar' 了。

Subscription 是表示可清理资源的对象，通常是 Observable 的执行。Subscription 有一个重要的方法，即 unsubscribe，它不需要任何参数，只是用来清理由 Subscription 占用的资源。依旧是官方的一个示例，把其作用表述的已经很明确了：

var observable = Rx.Observable.interval(1000);
var subscription = observable.subscribe(x => console.log(x));
// 稍后：
// 这会取消正在进行中的 Observable 执行
// Observable 执行是通过使用观察者调用 subscribe 方法启动的
subscription.unsubscribe();

3.3 Subject

什么是 Subject？RxJS 中 Subject 是一种特殊类型的 Observable，它允许将值多播给多个观察者，所以 Subject 是多播的，而普通的 Observables 是单播的(每个已订阅的观察者都拥有 Observable 的独立执行)。不理解「单播」这个词可以先跳过，明白 subject 是一种 observable 即可。

对于 Subject，你可以提供一个观察者并使用 subscribe 方法，就可以开始正常接收值。从观察者的角度而言，它无法判断 Observable 执行是来自普通的 Observable 还是 Subject 。在这里，subscribe 类似于 JavaScript 中的 addEventListener；与此同时，每个 Subject 又都是观察者。Subject 是一个有如下方法的对象： next(v)、 error(e) 和 complete() 。要给 Subject 提供新值，只要调用 next(theValue) 方法。

var subject = new Rx.Subject();

subject.subscribe({
 next: (v) => console.log('observerA: ' + v)
});
subject.subscribe({
 next: (v) => console.log('observerB: ' + v)
});

subject.next(1);
subject.next(2);

如上代码的控制台输出为：

observerA: 1
observerB: 1
observerA: 2
observerB: 2

3.4 Operators

操作符是函数，它基于当前的 Observable 创建一个新的 Observable。这是一个无副作用的操作：前面的 Observable 保持不变。

操作符本质上是一个纯函数 (pure function)，它接收一个 Observable 作为输入，并生成一个新的 Observable 作为输出。订阅输出 Observable 同样会订阅输入 Observable 。我们来看一个例子，这里会用到两个操作符，分别是创建操作符 interval 以及转换操作符 map：

import { Observable, interval } from 'rxjs';
import { map } from 'rxjs/operators';

const observable = interval(1000).pipe(map(value => value * 10));

const subscription = observable.subscribe(console.log);

关于这两个操作符的作用这里简单解释一下： interval 的作用是创建一个 Observable ，该 Observable 使用指定的 IScheduler 并以指定时间间隔发出连续的数字，而后 map 的作用字如其名，即将给定的函数应用于源 Observable 发出的每个值，并将结果值作为 Observable 发出。

RxJS 6 及更新版本提供了可链式调用（Pipeable）的 RxJS 操作符，假设 source 是一个已定义的 observable，一个简单示例如下：

source.pipe(
 map(x => x + x),
 mergeMap(n => of(n + 1, n + 2).pipe(
 filter(x => x % 1 == 0),
 scan((acc, x) => acc + x, 0),
 )),
 catchError(err => of('error found')),
).subscribe(console.log);

3.5 Schedulers

什么是调度器？调度器控制着何时启动 subscription 和何时发送通知。使用 subscribeOn 来调度 subscribe() 调用在什么样的上下文中执行。默认情况下，Observable 的 subscribe() 调用会立即同步地执行。然而，你可能会延迟或安排在给定的调度器上执行实际的 subscription ，使用实例操作符 subscribeOn(scheduler)，其中 scheduler 是你提供的参数。我们来看一个同步变异步执行的例子：

var observable = Rx.Observable.create(function (observer) {
 observer.next(1);
 observer.next(2);
 observer.next(3);
 observer.complete();
})
.observeOn(Rx.Scheduler.async);

console.log('just before subscribe');
observable.subscribe({
 next: x => console.log('got value ' + x),
 error: err => console.error('something wrong occurred: ' + err),
 complete: () => console.log('done'),
});
console.log('just after subscribe');

这段代码的输出结果如下：

just before subscribe
just after subscribe
got value 1
got value 2
got value 3
done

调度器类型一共有四种，详见文档 cn.rx.js.org/manual/ove。

四、若干示例

4.1 将数组转化为 Observable

import { from } from 'rxjs';

const array = [10, 20, 30];
const result = from(array);

result.subscribe(x => console.log(x));

4.2 单播与多播

单播示例

let observable = Rx.Observable.create(function subscribe(obsever) {
 observer.next(1)
 observer.next(2)
})
observable.subscribe(v => console.log(v))
observable.subscribe(v => console.log(v))

// 输出两份 1, 2

多播示例

let observable = Rx.Observable.create(function subscribe(obsever) {
 observer.next(1)
 observer.next(2)
})
let subject = new Rx.Subject()
subject.subscribe(v => console.log(v))
subject.subscribe(v => console.log(v))
observable.subscribe(subject)

// 输出 1, 1; 2, 2;

4.3 Hot Observable 与 Cold Observable

Hot Observable 无论有没有 Subscriber 订阅，事件始终都会发生。当 Hot Observable 有多个订阅者时，Hot Observable 与订阅者们的关系是一对多的关系，可以与多个订阅者共享信息。
然而，Cold Observable 只有 Subscriber 订阅时，才开始执行发射数据流的代码。并且 Cold Observable 和 Subscriber 只能是一对一的关系，当有多个不同的订阅者时，消息是重新完整发送的。也就是说对 Cold Observable 而言，有多个Subscriber的时候，他们各自的事件是独立的。——  Cold Observable 和 Hot Observable

Cold observable 示例与打印结果

const obs$ = Rx.Observable
 .from(['
以上是关于响应式编程入门指南 - 通俗易懂 RxJS的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 
 rxjs学习响应式编程理解
 响应式编程和Rxjs库介绍
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 前端响应式编程与实时计算：从 RxJS 到 Flink
 响应式编程实战——新版RxJS实现真正双击事件流
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