Rxjava介绍和原理分析（基于1.x）

背景

简介

Rxjava现在已经更新到2.x，变动还是比较大的，新增了一些概念，比如：backpressure。但是本文是参考一位大牛讲解rxjava的原理，采用的还是1.x的代码。
这里我们主要来看rxjava是怎么设计的。

github地址

Rxjava 是什么

一个词：异步。Rxjava在github上面的介绍是：a library for composing asynchronous and event-based programs using observable sequences for the Java VM。大意是在jVM上面的一个异步的库，用observable实现。
它最大的好处也可以总结成一个词：简洁。这里的简洁指的是代码逻辑的简洁而非代码量的简洁。（因为我们都知道用框架是有代价的），Rxjava的简洁可以随着代码逻辑的复杂依然保持简洁。

API介绍和原理简析

Rxjava的观察者模式

RxJava 有四个基本概念：Observable (可观察者，即被观察者)、 Observer (观察者)、 subscribe (订阅)、事件。Observable 和 Observer 通过 subscribe() 方法实现订阅关系，从而 Observable 可以在需要的时候发出事件来通知 Observer。
与传统观察者模式不同， RxJava 的事件回调方法除了普通事件 onNext() （相当于 onClick() / onEvent()）之外，还定义了两个特殊的事件：onCompleted() 和 onError()。
1. onCompleted()：事件队列完结。Rxjava不仅把每个事件单独处理，还会把他们看作是一个队列，Rxjava规定，当不会再有新的onNext()发出时，需要触发onCompleted()方法作为标志。
2. onError(): 事件队列异常：在事件处理过程中出现异常时，onError会被触发，同时队列自动终止，不允许再有事件发出。
3. 在一个正确运行的事件序列中，onCompleted()和onError有且只有一个，并且是事件序列中的最后一个。
Rxjava的观察者模型如下图：

基本实现

创建observer

Observer<String> observer = new Observer<String>() {
    @Override
    public void onNext(String s) {
        Log.d(tag, "Item: " + s);
    }
    @Override
    public void onCompleted() {
        Log.d(tag, "Completed!");
    }
    @Override
    public void onError(Throwable e) {
        Log.d(tag, "Error!");
    }
};

除了Observer接口之外，Rxjava还内置了一个实现了Observer的抽象类：Subscriber。Subscriber对Observer接口进行了一些扩展，但是他们的用法一样：

Subscriber<String> subscriber = new Subscriber<String>() {
    @Override
    public void onNext(String s) {
        Log.d(tag, "Item: " + s);
    }
    @Override
    public void onCompleted() {
        Log.d(tag, "Completed!");
    }
    @Override
    public void onError(Throwable e) {
        Log.d(tag, "Error!");
    }
};

其实，实质上，在Rxjava的subscribe过程中，Observer也总是会先被转换成一个Subscriber再使用，他们之间的区别如下：
1. onStart(): 这是 Subscriber 增加的方法。它会在 subscribe 刚开始，而事件还未发送之前被调用，可以用于做一些准备工作，例如数据的清零或重置。
2. unsubscribe(): 这是 Subscriber 所实现的另一个接口 Subscription 的方法，用于取消订阅。在这个方法被调用后，Subscriber 将不再接收事件。一般在这个方法调用前，可以使用 isUnsubscribed() 先判断一下状态。 unsubscribe() 这个方法很重要，因为在 subscribe() 之后， Observable 会持有 Subscriber 的引用，这个引用如果不能及时被释放，将有内存泄露的风险。所以最好保持一个原则：要在不再使用的时候尽快在合适的地方（例如 onPause() onStop() 等方法中）调用 unsubscribe() 来解除引用关系，以避免内存泄露的发生。

创建Observable

Observable即被观察者，它决定什么时候触发事件以及触发怎样的事件。Rxjava使用create()方法来创建一个Observable：

Observable observable = Observable.create(new Observable.OnSubscribe<String>() {
    @Override
    public void call(Subscriber<? super String> subscriber) {
        subscriber.onNext("Hello");
        subscriber.onNext("Hi");
        subscriber.onNext("Aloha");
        subscriber.onCompleted();
    }
});

这里传入OnSubscribe对象作为参数。它相当于一个计划表，当Observable被订阅的时候，call方法会被调用。
对于上面的例子，观察者Subscriber将会被调用三次onNext()和一次onCompleted()。这也就是观察者模型。对比下Android里面setOnclickListener就不难理解这里的代码逻辑了。

其他用法

create() 方法是 RxJava 最基本的创造事件序列的方法。基于这个方法， RxJava 还提供了一些方法用来快捷创建事件队列，例如：

just(T…):将传入的参数依次发送出来。

Observable observable = Observable.just("Hello", "Hi", "Aloha");
// 将会依次调用：
// onNext("Hello");
// onNext("Hi");
// onNext("Aloha");
// onCompleted();

from(T[])/from(Iterable<? extends T>):将传入的数组或者Iterable拆分成具体对象后，依次发送出来。

String[] words = {"Hello", "Hi", "Aloha"};
Observable observable = Observable.from(words);
// 将会依次调用：
// onNext("Hello");
// onNext("Hi");
// onNext("Aloha");
// onCompleted();

创建了Observable和Observer之后，再用subscribe()方法将它们联结起来，整条链子就可以工作了。：

1
2
3

observable.subscribe(observer);
// 或者：
observable.subscribe(subscriber);

Observable.subscribe(Subscriber) 的内部实现是这样的（仅核心代码）：

// 注意：这不是 subscribe() 的源码，而是将源码中与性能、兼容性、扩展性有关的代码剔除后的核心代码。
// 如果需要看源码，可以去 RxJava 的 GitHub 仓库下载。
public Subscription subscribe(Subscriber subscriber) {
    subscriber.onStart();
    onSubscribe.call(subscriber);
    return subscriber;
}

可以看到，subscriber()做了3件事：
1. 调用Subscriber.onStart().
2. 调用Obserable中的OnSubscribe.call(subscriber)。从这也可以看出，在 RxJava 中， Observable 并不是在创建的时候就立即开始发送事件，而是在它被订阅的时候，即当 subscribe() 方法执行的时候。
3. 将传入的Subscriber作为Subscription返回，这是为了方便unsubscribe()。
整个过程中对象间关系：
除了subscribe(Observer) 和 subscribe(Subscriber)，Subscribe()还支持不完整定义的回调，Rxjava会自动根据定义创建出Subscriber。形式如下：

Action1<String> onNextAction = new Action1<String>() {
    // onNext()
    @Override
    public void call(String s) {
        Log.d(tag, s);
    }
};
Action1<Throwable> onErrorAction = new Action1<Throwable>() {
    // onError()
    @Override
    public void call(Throwable throwable) {
        // Error handling
    }
};
Action0 onCompletedAction = new Action0() {
    // onCompleted()
    @Override
    public void call() {
        Log.d(tag, "completed");
    }
};
// 自动创建 Subscriber ，并使用 onNextAction 来定义 onNext()
observable.subscribe(onNextAction);
// 自动创建 Subscriber ，并使用 onNextAction 和 onErrorAction 来定义 onNext() 和 onError()
observable.subscribe(onNextAction, onErrorAction);
// 自动创建 Subscriber ，并使用 onNextAction、 onErrorAction 和 onCompletedAction 来定义 onNext()、 onError() 和 onCompleted()
observable.subscribe(onNextAction, onErrorAction, onCompletedAction);

线程控制———scheduler

在不指定线程的情况下， RxJava 遵循的是线程不变的原则，即：在哪个线程调用 subscribe()，就在哪个线程生产事件；在哪个线程生产事件，就在哪个线程消费事件。如果需要切换线程，就需要用到 Scheduler （调度器）。
1. Schedulers.immediate() 直接在当前线程运行，相当于不指定线程。这是默认的Scheduler
2. Schedulers.newThread(): 总是启用新线程，并在新线程执行操作。
3. Schedulers.io(): I/O 操作（读写文件、读写数据库、网络信息交互等）所使用的 Scheduler。行为模式和 newThread() 差不多，区别在于 io() 的内部实现是是用一个无数量上限的线程池，可以重用空闲的线程，因此多数情况下 io() 比 newThread() 更有效率。
4. Schedulers.computation(): 计算所使用的 Scheduler。这个计算指的是 CPU 密集型计算，即不会被 I/O 等操作限制性能的操作，例如图形的计算。这个 Scheduler 使用的固定的线程池，大小为 CPU 核数。不要把 I/O 操作放在 computation() 中，否则 I/O 操作的等待时间会浪费 CPU。
5. 另外， Android 还有一个专用的 AndroidSchedulers.mainThread()，它指定的操作将在 Android 主线程运行。
有了Scheduler，我们可以使用subscribeOn()和observeOn()两个方法来对线程控制。 subscribeOn()用于指定subscribe()所发生的线程，即Observable.OnSubscribe被激活时所处的线程（事件产生的线程。）observeOn()用于执行Subscriber所运行的线程（事件消费的线程）。
举一个很常见的例子（后台取数据，主线程展示）：

int drawableRes = ...;
ImageView imageView = ...;
Observable.create(new OnSubscribe<Drawable>() {
    @Override
    public void call(Subscriber<? super Drawable> subscriber) {
        Drawable drawable = getTheme().getDrawable(drawableRes));
        subscriber.onNext(drawable);
        subscriber.onCompleted();
    }
})
.subscribeOn(Schedulers.io()) // 指定 subscribe() 发生在 IO 线程
.observeOn(AndroidSchedulers.mainThread()) // 指定 Subscriber 的回调发生在主线程
.subscribe(new Observer<Drawable>() {
    @Override
    public void onNext(Drawable drawable) {
        imageView.setImageDrawable(drawable);
    }
    @Override
    public void onCompleted() {
    }
    @Override
    public void onError(Throwable e) {
        Toast.makeText(activity, "Error!", Toast.LENGTH_SHORT).show();
    }
});

变换

Rxjava提供了对事件序列进行变换的支持，这是它的核心功能之一。所谓变换，就是将事件序列中的对象或整个序列进行加工处理，转换成不同的事件或时间序列

API

map()

首先看一个map()的例子：

Observable.just("images/logo.png") // 输入类型 String
    .map(new Func1<String, Bitmap>() {
        @Override
        public Bitmap call(String filePath) { // 参数类型 String
            return getBitmapFromPath(filePath); // 返回类型 Bitmap
        }
    })
    .subscribe(new Action1<Bitmap>() {
        @Override
        public void call(Bitmap bitmap) { // 参数类型 Bitmap
            showBitmap(bitmap);
        }
    });

Func1 类似于Action1。也是Rxjava的接口，用于包装含有一个参数的方法。它们的区别是：Func1包装的是有返回值的方法，而Actionx是没有返回值的。
map()方法将参数中的String对象转换成一个Bitmap对象后返回，而经过map()方法后，事件的参数类型也由string转为了Bitmap。因此它是对事件对象的转换。

flatmap()

先从一个例子来看这个问题,假设有一个数据结构『学生』，现在需要打印出一组学生的名字。实现方式很简单：：

Student[] students = ...;
Subscriber<String> subscriber = new Subscriber<String>() {
    @Override
    public void onNext(String name) {
        Log.d(tag, name);
    }
    ...
};
Observable.from(students)
    .map(new Func1<Student, String>() {
        @Override
        public String call(Student student) {
            return student.getName();
        }
    })
    .subscribe(subscriber);

再假设：如果要打印出每个学生所需要修的所有课程的名称呢？（需求的区别在于，每个学生只有一个名字，但却有多个课程。）

Student[] students = ...;
Subscriber<Course> subscriber = new Subscriber<Course>() {
    @Override
    public void onNext(Course course) {
        Log.d(tag, course.getName());
    }
    ...
};
Observable.from(students)
    .flatMap(new Func1<Student, Observable<Course>>() {
        @Override
        public Observable<Course> call(Student student) {
            return Observable.from(student.getCourses());
        }
    })
    .subscribe(subscriber);

flatMap()和map()有一个共同点：将传入的参数转化后返回另一个对象，不同之处在于：flatMap()返回的是个Observable对象，并且Observable对象并不是被直接发送到Subscriber的回调方法中。
flatMap()原理如下：
1. 使用传入的事件对象创建一个Observable对象。
2. 并不发送这个Observable对象，而是将它激活，于是它开始发送事件。
3. 每一个创建的Observable发送的事件，都被汇入同一个Observable，而这个Observable负责将这些事件统一交给Subscribe的回调方法。
下图是flatmap的示意图：
throttleFirst(): 在每次事件触发后的一定时间间隔内丢弃新的事件。常用作去抖动过滤，例如按钮的点击监听器： RxView.clickEvents(button) // RxBinding 代码，后面的文章有解释 .throttleFirst(500, TimeUnit.MILLISECONDS) // 设置防抖间隔为 500ms .subscribe(subscriber);

变换的原理lift()

变换虽然功能不同，但实质上都是针对事件序列的处理和再发送，在Rxjava内部，它们基于同一个基础的变换方法list(Operator)：

// 注意：这不是 lift() 的源码，而是将源码中与性能、兼容性、扩展性有关的代码剔除后的核心代码。
// 如果需要看源码，可以去 RxJava 的 GitHub 仓库下载。
public <R> Observable<R> lift(Operator<? extends R, ? super T> operator) {
    return Observable.create(new OnSubscribe<R>() {
        @Override
        public void call(Subscriber subscriber) {
            Subscriber newSubscriber = operator.call(subscriber);
            newSubscriber.onStart();
            onSubscribe.call(newSubscriber);
        }
    });
}

这段代码生成了一个新的Observable并返回，大家看这里call中的实现和上面讲过的Observable.subscribe()一样。其实是不一样的，不一样的地方在于onSubscribe.call(subscriber)中的onSubscribe所指代的对象不同。
subscribe() 中这句话的 onSubscribe 指的是 Observable 中的 onSubscribe 对象，这个没有问题，但是 lift() 之后的情况就复杂了点。
当含有 lift() 时：
1. lift()创建了一个Observable后，加上之前的原始Observable，已经有两个Observable。
2. 同样的，新Observable里的新OnSubscribe加上之前的原始Observable中的原始OnSubscribe,也有两个Onsubscribe
3. 当用户调用经过lift()后的Observable的Subscribe()时，使用的时lift()所返回的新的Observable，于是它所触发的onSubscribe.call(subscriber),使用的也是新Observable中的新Onsubscribe,即lift()中生成的那个Onsubscribe。
4. 而这个新 OnSubscribe 的 call() 方法中的 onSubscribe ，就是指的原始 Observable 中的原始 OnSubscribe ，在这个 call() 方法里，新 OnSubscribe 利用 operator.call(subscriber) 生成了一个新的 Subscriber（Operator 就是在这里，通过自己的 call() 方法将新 Subscriber 和原始 Subscriber 进行关联，并插入自己的『变换』代码以实现变换），然后利用这个新 Subscriber 向原始 Observable 进行订阅。
lift()过程，有点像一种代理机制，通过事件拦截和处理时限事件序列的变换。
精简的说：在 Observable 执行了 lift(Operator) 方法之后，会返回一个新的 Observable，这个新的 Observable 会像一个代理一样，负责接收原始的 Observable 发出的事件，并在处理后发送给 Subscriber。
如下所示是lift工作流程：

compose:对Observable整体的变换

除了 lift() 之外， Observable 还有一个变换方法叫做 compose(Transformer)。它和 lift() 的区别在于， lift() 是针对事件项和事件序列的，而 compose() 是针对 Observable 自身进行变换。

public class LiftAllTransformer implements Observable.Transformer<Integer, String> {
    @Override
    public Observable<String> call(Observable<Integer> observable) {
        return observable
            .lift1()
            .lift2()
            .lift3()
            .lift4();
    }
}
...
Transformer liftAll = new LiftAllTransformer();
observable1.compose(liftAll).subscribe(subscriber1);
observable2.compose(liftAll).subscribe(subscriber2);
observable3.compose(liftAll).subscribe(subscriber3);
observable4.compose(liftAll).subscribe(subscriber4);

使用compose()方法，Observable可以利用传入的Transformer对象的call方法直接对自身进行处理。

线程控制：Scheduler (二)

Scheduler 的 API (二)

前面提到，利用subscribeOn() 结合 observeOn() 来实现线程控制，让事件的产生和消费发生在不同的线程。那么能不能多次切换线程呢？
observeOn()可以多次调用实现线程的切换，但是subscribeOn()却只能被调用一次。

Scheduler 的原理（二）

subscribeOn() 和 observeOn() 的内部实现，也是用的 lift()。
subscribeOn() 原理图如下：
observeOn() 原理图：
从图中可以看出，subscribeOn() 和 observeOn() 都做了线程切换的工作（图中的 “schedule…” 部位）。不同的是， subscribeOn() 的线程切换发生在 OnSubscribe 中，即在它通知上一级 OnSubscribe 时，这时事件还没有开始发送，因此 subscribeOn() 的线程控制可以从事件发出的开端就造成影响；而 observeOn() 的线程切换则发生在它内建的 Subscriber 中，即发生在它即将给下一级 Subscriber 发送事件时，因此 observeOn() 控制的是它后面的线程。
用一张图来解释多个subscribeOn() 和 observeOn()混合使用时，线程调度情况：
图中共有 5 处含有对事件的操作。由图中可以看出，①和②两处受第一个 subscribeOn() 影响，运行在红色线程；③和④处受第一个 observeOn() 的影响，运行在绿色线程；⑤处受第二个 onserveOn() 影响，运行在紫色线程；而第二个 subscribeOn() ，由于在通知过程中线程就被第一个 subscribeOn() 截断，因此对整个流程并没有任何影响。这里也就回答了前面的问题：当使用了多个 subscribeOn() 的时候，只有第一个 subscribeOn() 起作用。

延伸：doOnSubscribe()

前面讲到过Subscriber.onStart()方法是在发送事件之前执行，可以用作流程开始前的初始化，不过由于它不能指定自己工作的线程，因此如果需要在主线程执行的代码（比如弹一个进度框），那么就会有可能出错。
而与 Subscriber.onStart() 相对应的，有一个方法 Observable.doOnSubscribe() 。它和 Subscriber.onStart() 同样是在 subscribe() 调用后而且在事件发送前执行，但区别在于它可以指定线程。默认情况下， doOnSubscribe() 执行在 subscribe() 发生的线程；而如果在 doOnSubscribe() 之后有 subscribeOn() 的话，它将执行在离它最近的 subscribeOn() 所指定的线程。比如：

Observable.create(onSubscribe)
    .subscribeOn(Schedulers.io())
    .doOnSubscribe(new Action0() {
        @Override
        public void call() {
            progressBar.setVisibility(View.VISIBLE); // 需要在主线程执行
        }
    })
    .subscribeOn(AndroidSchedulers.mainThread()) // 指定主线程
    .observeOn(AndroidSchedulers.mainThread())
    .subscribe(subscriber);

总结

上面我基本是从大神的文章中记录过来的，总结来说主要有两点：

异步：两个比较核心的方法subscribeOn和observeOn这两个方法都传入一个Scheduler对象，subscribeOn指定发射事件的线程，observeOn指定消费事件的线程。
强大的操作方法：转换操作符，如map(),flatMap(),filter(),merge(),concat(),lift(),compose()等操作符可以将事件序列中的对象或整个序列进行加工处理，转换成不同的事件或事件序列，然后再发射出去！

参考资料

本文是参考给 Android 开发者的 RxJava 详解，不过它是结合1.x来写的，2.x的rxjava变化还是不小的。但是万变不离其宗，它的核心思想和原理是不会变的。

背景

简介

github地址

Rxjava 是什么

API介绍和原理简析

Rxjava的观察者模式

基本实现

创建observer

创建Observable

其他用法

Subscribe（订阅）

线程控制———scheduler

变换

API

map()

flatmap()

变换的原理lift()

compose:对Observable整体的变换

线程控制：Scheduler (二)

Scheduler 的 API (二)

Scheduler 的原理（二）

延伸：doOnSubscribe()

总结

参考资料