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马上订阅,开启修仙之旅

RxJS Observable

在介绍 Observable 之前,我们要先了解两个设计模式:

  • Observer Pattern ——(观察者模式)
  • Iterator Pattern ——(迭代器模式)

这两个模式是 Observable 的基础,下面我们先来介绍一下 Observer Pattern。

Observer Pattern

观察者模式定义

观察者模式软件设计模式的一种。在此种模式中,一个目标对象管理所有相依于它的观察者对象,并且在它本身的状态改变时主动发出通知。这通常透过呼叫各观察者所提供的方法来实现。此种模式通常被用来实时事件处理系统。 — 维基百科

观察者模式又叫发布订阅模式(Publish/Subscribe),它定义了一种一对多的关系,让多个观察者对象同时监听某一个主题对象,这个主题对象的状态发生变化时就会通知所有的观察者对象,使得它们能够自动更新自己。

我们可以使用日常生活中,期刊订阅的例子来形象地解释一下上面的概念。期刊订阅包含两个主要的角色:期刊出版方和订阅者,他们之间的关系如下:

  • 期刊出版方 - 负责期刊的出版和发行工作
  • 订阅者 - 只需执行订阅操作,新版的期刊发布后,就会主动收到通知,如果取消订阅,以后就不会再收到通知

在观察者模式中也有两个主要角色:Subject (主题) 和 Observer (观察者) 。它们分别对应例子中的期刊出版方和订阅者。接下来我们来看张图,从而加深对上面概念的理解。

observer-pattern

观察者模式优缺点

观察者模式的优点:

  • 支持简单的广播通信,自动通知所有已经订阅过的对象
  • 目标对象与观察者之间的抽象耦合关系能够单独扩展以及重用

观察者模式的缺点:

  • 如果一个被观察者对象有很多的直接和间接的观察者的话,将所有的观察者都通知到会花费很多时间
  • 如果在观察者和观察目标之间有循环依赖的话,观察目标会触发它们之间进行循环调用,可能导致系统崩溃

观察者模式的应用

在前端领域,观察者模式被广泛地使用。最常见的例子就是为 DOM 对象添加事件监听,具体示例如下:

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<button id="btn">确认</button>

function clickHandler(event) {
console.log('用户已点击确认按钮!');
}
document.getElementById("btn").addEventListener('click', clickHandler);

上面代码中,我们通过 addEventListener API 监听 button 对象上的点击事件,当用户点击按钮时,会自动执行我们的 clickHandler 函数。

观察者模式实战

Subject 类定义:

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class Subject {

constructor() {
this.observerCollection = [];
}

registerObserver(observer) {
this.observerCollection.push(observer);
}

unregisterObserver(observer) {
let index = this.observerCollection.indexOf(observer);
if(index >= 0) this.observerCollection.splice(index, 1);
}

notifyObservers() {
this.observerCollection.forEach((observer)=>observer.notify());
}
}

Observer 类定义:

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class Observer {

constructor(name) {
this.name = name;
}

notify() {
console.log(`${this.name} has been notified.`);
}
}

使用示例:

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let subject = new Subject(); // 创建主题对象

let observer1 = new Observer('semlinker'); // 创建观察者A - 'semlinker'
let observer2 = new Observer('lolo'); // 创建观察者B - 'lolo'

subject.registerObserver(observer1); // 注册观察者A
subject.registerObserver(observer2); // 注册观察者B

subject.notifyObservers(); // 通知观察者

subject.unregisterObserver(observer1); // 移除观察者A

subject.notifyObservers(); // 验证是否成功移除

以上代码成功运行后控制台的输出结果:

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semlinker has been notified. # 输出一次
2(unknown) lolo has been notified. # 输出两次

需要注意的是,在观察者模式中,通常情况下调用注册观察者后,会返回一个函数,用于移除监听,有兴趣的读者,可以自己尝试一下。(备注:在 Angular 1.x 中调用 $scope.$on() 方法后,就会返回一个函数,用于移除监听)

Iterator Pattern

迭代器模式定义

迭代器(Iterator)模式,又叫做游标(Cursor)模式。它提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素,而又不需要暴露该对象的内部表示。迭代器模式可以把迭代的过程从业务逻辑中分离出来,在使用迭代器模式之后,即使不关心对象的内部构造,也可以按顺序访问其中的每个元素。

迭代器模式的优缺点

迭代器模式的优点:

  • 简化了遍历方式,对于对象集合的遍历,还是比较麻烦的,对于数组或者有序列表,我们尚可以通过游标取得,但用户需要在对集合了解的前提下,自行遍历对象,但是对于 hash 表来说,用户遍历起来就比较麻烦。而引入迭代器方法后,用户用起来就简单的多了。
  • 封装性良好,用户只需要得到迭代器就可以遍历,而不用去关心遍历算法。

迭代器模式的缺点:

  • 遍历过程是一个单向且不可逆的遍历

ECMAScript 迭代器

在 ECMAScript 中 Iterator 最早其实是要采用类似 Python 的 Iterator 规范,就是 Iterator 在没有元素之后,执行 next会直接抛出错误;但后来经过一段时间讨论后,决定采更 functional 的做法,改成在取得最后一个元素之后执行 next 永远都回传 { done: true, value: undefined }

一个迭代器对象 ,知道如何每次访问集合中的一项, 并记录它的当前在序列中所在的位置。在 JavaScript 中迭代器是一个对象,它提供了一个 next() 方法,返回序列中的下一项。这个方法返回包含 donevalue 两个属性的对象。对象的取值如下:

  • 在最后一个元素前:{ done: false, value: elementValue }
  • 在最后一个元素后:{ done: true, value: undefined }

详细信息可以参考 - 可迭代协议和迭代器协议

ES 5 迭代器

接下来我们来创建一个 makeIterator 函数,该函数的参数类型是数组,当调用该函数后,返回一个包含 next() 方法的 Iterator 对象, 其中 next() 方法是用来获取容器对象中下一个元素。具体示例如下:

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function makeIterator(array){
var nextIndex = 0;

return {
next: function(){
return nextIndex < array.length ?
{value: array[nextIndex++], done: false} :
{done: true};
}
}
}

一旦初始化, next() 方法可以用来依次访问可迭代对象中的元素:

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var it = makeIterator(['yo', 'ya']);
console.log(it.next().value); // 'yo'
console.log(it.next().value); // 'ya'
console.log(it.next().done); // true

ES 6 迭代器

在 ES 6 中我们可以通过 Symbol.iterator 来创建可迭代对象的内部迭代器,具体示例如下:

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let arr = ['a', 'b', 'c'];
let iter = arr[Symbol.iterator]();

调用 next() 方法来获取数组中的元素:

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> iter.next()
{ value: 'a', done: false }
> iter.next()
{ value: 'b', done: false }
> iter.next()
{ value: 'c', done: false }
> iter.next()
{ value: undefined, done: true }

ES 6 中可迭代的对象:

  • Arrays
  • Strings
  • Maps
  • Sets
  • DOM data structures (work in progress)

Observable

RxJS 是基于观察者模式和迭代器模式以函数式编程思维来实现的。RxJS 中含有两个基本概念:Observables 与 Observer。Observables 作为被观察者,是一个值或事件的流集合;而 Observer 则作为观察者,根据 Observables 进行处理。

Observables 与 Observer 之间的订阅发布关系(观察者模式) 如下:

  • 订阅:Observer 通过 Observable 提供的 subscribe() 方法订阅 Observable。
  • 发布:Observable 通过回调 next 方法向 Observer 发布事件。

自定义 Observable

如果你想真正了解 Observable,最好的方式就是自己写一个。其实 Observable 就是一个函数,它接受一个 Observer 作为参数然后返回另一个函数。

它的基本特征:

  • 是一个函数
  • 接受一个 Observer 对象 (包含 next、error、complete 方法的对象) 作为参数
  • 返回一个 unsubscribe 函数,用于取消订阅

它的作用:

作为生产者与观察者之间的桥梁,并返回一种方法来解除生产者与观察者之间的联系,其中观察者用于处理时间序列上数据流。接下来我们来看一下 Observable 的基础实现:

DataSource - 数据源

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class DataSource {
constructor() {
let i = 0;
this._id = setInterval(() => this.emit(i++), 200); // 创建定时器
}

emit(n) {
const limit = 10; // 设置数据上限值
if (this.ondata) {
this.ondata(n);
}
if (n === limit) {
if (this.oncomplete) {
this.oncomplete();
}
this.destroy();
}
}

destroy() { // 清除定时器
clearInterval(this._id);
}
}

myObservable

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function myObservable(observer) {
let datasource = new DataSource(); // 创建数据源
datasource.ondata = (e) => observer.next(e); // 处理数据流
datasource.onerror = (err) => observer.error(err); // 处理异常
datasource.oncomplete = () => observer.complete(); // 处理数据流终止
return () => { // 返回一个函数用于,销毁数据源
datasource.destroy();
};
}

使用示例:

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const unsub = myObservable({
next(x) { console.log(x); },
error(err) { console.error(err); },
complete() { console.log('done')}
});

/**
* 移除注释,可以测试取消订阅
*/
// setTimeout(unsub, 500);

具体运行结果,可以查看线上示例

SafeObserver - 更好的 Observer

上面的示例中,我们使用一个包含了 next、error、complete 方法的普通 JavaScript 对象来定义观察者。一个普通的 JavaScript 对象只是一个开始,在 RxJS 5 里面,为开发者提供了一些保障机制,来保证一个更安全的观察者。以下是一些比较重要的原则:

  • 传入的 Observer 对象可以不实现所有规定的方法 (next、error、complete 方法)
  • complete 或者 error 触发之后再调用 next 方法是没用的
  • 调用 unsubscribe 方法后,任何方法都不能再被调用了
  • completeerror 触发后,unsubscribe 也会自动调用
  • nextcompleteerror 出现异常时,unsubscribe 也会自动调用以保证资源不会浪费
  • nextcompleteerror是可选的。按需处理即可,不必全部处理

为了完成上述目标,我们得把传入的匿名 Observer 对象封装在一个 SafeObserver 里以提供上述保障。SafeObserver 的具体实现如下:

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class SafeObserver {
constructor(destination) {
this.destination = destination;
}

next(value) {
// 尚未取消订阅,且包含next方法
if (!this.isUnsubscribed && this.destination.next) {
try {
this.destination.next(value);
} catch (err) {
// 出现异常时,取消订阅释放资源,再抛出异常
this.unsubscribe();
throw err;
}
}
}

error(err) {
// 尚未取消订阅,且包含error方法
if (!this.isUnsubscribed && this.destination.error) {
try {
this.destination.error(err);
} catch (e2) {
// 出现异常时,取消订阅释放资源,再抛出异常
this.unsubscribe();
throw e2;
}
this.unsubscribe();
}
}

complete() {
// 尚未取消订阅,且包含complete方法
if (!this.isUnsubscribed && this.destination.complete) {
try {
this.destination.complete();
} catch (err) {
// 出现异常时,取消订阅释放资源,再抛出异常
this.unsubscribe();
throw err;
}
this.unsubscribe();
}
}

unsubscribe() { // 用于取消订阅
this.isUnsubscribed = true;
if (this.unsub) {
this.unsub();
}
}
}

myObservable - 使用 SafeObserver

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function myObservable(observer) {
const safeObserver = new SafeObserver(observer); // 创建SafeObserver对象
const datasource = new DataSource(); // 创建数据源
datasource.ondata = (e) => safeObserver.next(e);
datasource.onerror = (err) => safeObserver.error(err);
datasource.oncomplete = () => safeObserver.complete();

safeObserver.unsub = () => { // 为SafeObserver对象添加unsub方法
datasource.destroy();
};
// 绑定this上下文,并返回unsubscribe方法
return safeObserver.unsubscribe.bind(safeObserver);
}

使用示例:

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const unsub = myObservable({
next(x) { console.log(x); },
error(err) { console.error(err); },
complete() { console.log('done')}
});

具体运行结果,可以查看线上示例

Operators - 也是函数

Operator 是一个函数,它接收一个 Observable 对象,然后返回一个新的 Observable 对象。当我们订阅新返回的 Observable 对象时,它内部会自动订阅前一个 Observable 对象。接下来我们来实现常用的 map 操作符:

Observable 实现:

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class Observable {
constructor(_subscribe) {
this._subscribe = _subscribe;
}

subscribe(observer) {
const safeObserver = new SafeObserver(observer);
safeObserver.unsub = this._subscribe(safeObserver);
return safeObserver.unsubscribe.bind(safeObserver);
}
}

map 操作符实现:

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function map(source, project) {
return new Observable((observer) => {
const mapObserver = {
next: (x) => observer.next(project(x)),
error: (err) => observer.error(err),
complete: () => observer.complete()
};
return source.subscribe(mapObserver);
});
}

具体运行结果,可以查看线上示例

改进 Observable - 支持 Operator 链式调用

如果把 Operator 都写成如上那种独立的函数,我们链式代码会逐渐变丑:

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map(map(myObservable, (x) => x + 1), (x) => x + 2);

对于上面的代码,想象一下有 5、6 个嵌套着的 Operator,再加上更多、更复杂的参数,基本上就没法儿看了。

你也可以试下 Texas Toland 提议的简单版管道实现,合并压缩一个数组的Operator并生成一个最终的Observable,不过这意味着要写更复杂的 Operator,上代码:JSBin。其实写完后你会发现,代码也不怎么漂亮:

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pipe(myObservable, map(x => x + 1), map(x => x + 2));

理想情况下,我们想将代码用更自然的方式链起来:

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myObservable.map(x => x + 1).map(x => x + 2);

幸运的是,我们已经有了这样一个 Observable 类,我们可以基于 prototype 在不增加复杂度的情况下支持多 Operators 的链式结构,下面我们采用prototype方式再次实现一下 Observable

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Observable.prototype.map = function (project) {
return new Observable((observer) => {
const mapObserver = {
next: (x) => observer.next(project(x)),
error: (err) => observer.error(err),
complete: () => observer.complete()
};
return this.subscribe(mapObserver);
});
};

现在我们终于有了一个还不错的实现。这样实现还有其他好处,例如:可以写子类继承 Observable 类,然后在子类中重写某些内容以优化程序。

接下来我们来总结一下该部分的内容:Observable 就是函数,它接受 Observer 作为参数,又返回一个函数。如果你也写了一个函数,接收一个 Observer 作为参数,又返回一个函数,那么,它是异步的、还是同步的 ?其实都不是,它就只是一个函数。任何函数的行为都依赖于它的具体实现,所以当你处理一个 Observable 时,就把它当成一个普通函数,里面没有什么黑魔法。当你要构建 Operator 链时,你需要做的其实就是生成一个函数将一堆 Observers 链接在一起,然后让真正的数据依次穿过它们。

Hot Observable vs Cold Observable

Hot 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。

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const socket = new WebSocket('ws://someurl');
const source = new Observable((observer) => {
socket.addEventListener('message', (e) => observer.next(e));
});

Cold Observable

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。

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const source = new Observable((observer) => {
const socket = new WebSocket('ws://someurl');
socket.addEventListener('message', (e) => observer.next(e));
return () => socket.close();
});

一个 Observable 是 Hot 还是 Cold,都是相对于生产者而言的,如果每次订阅的时候,外部的生产者已经创建好了,那就是 Hot Observable,反之,如果每次订阅的时候都会产生一个新的生产者,那就是 Cold Observable。

Pull vs Push

Pull 和 Push 是数据生产者和数据的消费者两种不同的交流方式。

什么是Pull?

在 “拉” 体系中,数据的消费者决定何时从数据生产者那里获取数据,而生产者自身并不会意识到什么时候数据将会被发送给消费者。

每一个 JavaScript 函数都是一个 “拉” 体系,函数是数据的生产者,调用函数的代码通过 ‘’拉出” 一个单一的返回值来消费该数据。

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const add = (a, b) => a + b;
let sum = add(3, 4);

ES6介绍了 iterator迭代器Generator生成器 — 另一种 “拉” 体系,调用 iterator.next() 的代码是消费者,可从中拉取多个值

什么是Push?

在 “推” 体系中,数据的生产者决定何时发送数据给消费者,消费者不会在接收数据之前意识到它将要接收这个数据。

Promise(承诺) 是当今 JS 中最常见的 “推” 体系,一个Promise (数据的生产者)发送一个 resolved value (成功状态的值)来执行一个回调(数据消费者),但是不同于函数的地方的是:Promise 决定着何时数据才被推送至这个回调函数。

RxJS 引入了 Observables (可观察对象),一个全新的 “推” 体系。一个可观察对象是一个产生多值的生产者,当产生新数据的时候,会主动 “推送给” Observer (观察者)。

生产者消费者
pull拉被请求的时候产生数据决定何时请求数据
push推按自己的节奏生产数据对接收的数据进行处理

接下来我们来看张图,从而加深对上面概念的理解:

pull-vs-push

Observable vs Promise

Observable(可观察对象)是基于推送(Push)运行时执行(lazy)的多值集合。

MagicQ单值多值
拉取(Pull)函数遍历器
推送(Push)PromiseObservable
  • Promise
    • 返回单个值
    • 不可取消的
  • Observable
    • 随着时间的推移发出多个值
    • 可以取消的
    • 支持 map、filter、reduce 等操作符
    • 延迟执行,当订阅的时候才会开始执行

延迟计算 & 渐进式取值

延迟计算

所有的 Observable 对象一定会等到订阅后,才开始执行,如果没有订阅就不会执行。

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import { from } from "rxjs";
import { map } from "rxjs/operators";

const source$ = from([1, 2, 3, 4, 5]);
const example$ = source$.pipe(map(x => x + 1));

上面的示例中,因为 example$ 对象还未被订阅,所以不会进行运算。这跟数组不一样,具体如下:

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const source = [1,2,3,4,5];
const example = source.map(x => x + 1);

以上代码运行后,example 中就包含已运算后的值。

渐进式取值

数组中的操作符如:filter、map 每次都会完整执行并返回一个新的数组,才会继续下一步运算。具体示例如下:

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const source = [1,2,3,4,5];
const example = source
.filter(x => x % 2 === 0) // [2, 4]
.map(x => x + 1) // [3, 5]

关于数组中的 mapfilter 的详细信息,可以阅读 - RxJS Functional Programming

为了更好地理解数组操作符的运算过程,我们可以查看 Array Compute

虽然 Observable 运算符每次都会返回一个新的 Observable 对象,但每个元素都是渐进式获取的,且每个元素都会经过操作符链的运算后才输出,而不会像数组那样,每个阶段都得完整运算。具体示例如下:

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import { from } from "rxjs";
import { filter, map } from "rxjs/operators";

const source$ = from([1, 2, 3, 4, 5]);
const example$ = source$.pipe(
filter(x => x % 2 === 0),
map(x => x + 1)
);

example$.subscribe(console.log);

以上代码的输出结果:

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为了更好地理解 Observable 操作符的运算过程,我们可以参考 Observable Compute

参考资源


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