一张图看懂Rxjava的原理
- 2019 年 10 月 24 日
- 笔记
前言
Rxjava是NetFlix出品的Java框架， 官方描述为 a library for composing asynchronous and event-based programs using observable sequences for the Java VM，翻译过来就是“使用可观察序列组成的一个异步地、基于事件的响应式编程框架”。一个典型的使用示范如下：
Observable.create(new ObservableOnSubscribe<String>() { @Override public void subscribe(ObservableEmitter<String> emitter) throws Exception { String s = "1234"; //执行耗时任务 emitter.onNext(s); } }).map(new Function<String, Integer>() { @Override public Integer apply(String s) throws Exception { return Integer.parseInt(s); } }).subscribeOn(Schedulers.io()) .observeOn(AndroidSchedulers.mainThread()) .subscribe(); 本文要讲的主要内容是Rxjava的核心思路，利用一张图并结合源码分析Rxjava的实现原理，至于使用以及其比较深入的内容，比如不常用的操作符，背压等，读者可以自行学习。另外提一句，本文采用的Rxjava版本是2.2.3，Rxjava最新版本是3.x.x，感兴趣的可以自行阅读，但相信其最核心的原理是不会变化的。
正题
先放出本文最重要的图：
Rxjava的核心思路被总结在了图中，下面我们分析这张图。
流式构建和事件传递
在讲之前，先提一点，在Rxjava中，有Observable和Observer这两个核心的概念，但是它们在发生订阅时，跟普通的观察者模式写法不太一样，因为常识来讲，应该是观察者去订阅(subscribe)被观察者，但是Rxjava为了其基于事件的流式编程，只能反着来，observable去订阅observer，所以在rxjava中，subscribe可以理解“注入”观察者。
首先我们看上面的图片，先简单解释一下：图中方形的框代表的是Observable，因为它代表节点，所以用Ni表示，圆形框代表的是观察者Observer，用Oi标识，后面加括号的意思是Oi持有其下游Observer的引用，左侧代表上游，右侧代表下游。图片里有三条有方向的彩色粗线，代表三个不同的流，这三个流是我们为了分析问题而抽象出来的的，代表从构建到订阅整个事件的流向，按照时间顺序从上到下依次流过，它们的含义分别是：
- 从左往右的构建流：用来构建整个事件序列，这个流表征了整个链路的构建过程，相当于构造方法。
- 从右往左的订阅流：当最终订阅(subscribe方法)这个行为发生的时候，每个节点从右向左依次执行订阅行为。
- 从左往右的观察者回调流：当事件发生以后，会通过这个流依次通知给各个观察者。
我们依次分析这三条流：
构建流
在使用Rxjava时，其流式构建流程是很大的特色，避免了传统回调的繁琐。怎么实现的呢？使用过Rxjava的读者应该都知道，Rxjava的每一步构建过程api都是相同的，这是因为每一步的函数返回结果都是一个Observable，Observable提供了Rxjava所有的功能。那么Obsevable在Rxjava中到底扮演一个什么角色呢？事实上，其官方定义就已经告诉我们答案了，前言里官方定义中有这样一段：“using Observable sequences”，所以说，Obsevable就是构建流的组件，我们可以看成一个个节点，这些节点串起来组成整个链路。Observable这个类实现了一个接口:ObservableSource,这个接口只有一个方法:subscribe(observer)，也就是说，所有的Obsevable节点都具有订阅这个功能，这个功能很重要，是订阅流的关键，待会会讲。总结以下：
在我们编写Rxjava代码时，每一步操作都会生成一个新的Observable节点(没错，包括ObserveOn和SubscribeOn线程变换操作)，并将新生成的Observable返回，知道最后一步执行subscribe方法
无论是构建的第一步 create方法，还是observeOn,subscribeOn变换线程方法，还是各种操作符比如map,flatMap等，都会生成对应的Observable，每个Observble中要实现一个最重要的方法,subscribeActual()，这个方法是该Obserble真正执行订阅的时候调用的方法。我们举个栗子，拿ObservableSubscribeOn瞧瞧：
public final class ObservableSubscribeOn<T> extends AbstractObservableWithUpstream<T, T> { final Scheduler scheduler; public ObservableSubscribeOn(ObservableSource<T> source, Scheduler scheduler) { super(source); this.scheduler = scheduler; } @Override public void subscribeActual(final Observer<? super T> observer) { final SubscribeOnObserver<T> parent = new SubscribeOnObserver<T>(observer); observer.onSubscribe(parent); parent.setDisposable(scheduler.scheduleDirect(new SubscribeTask(parent))); } //xxx省略 }其中其父类继承Observable，所以它本身就是一个Observble。
因此，整个过程有点像builder模式，不同之处是它是生成了新的节点，而builder模式返回的自身。如果你读过okHttp的源码，okHttp中拦截器跟这里有些相似，okHttp中会构建多个Chain节点，然后用相应的Intercepter去处理Chain。
我们理解了编写Rxjava代码的过程其实就是构建一个一个Observable节点的过程，接下来我们看第二条流。
订阅流
构建过程只是通过构造函数将一些配置传给了各个节点，实际还没有执行任何代码，只有最后一步才真正的执行订阅行为。我们看subscribe方法的源码(简化)：
public final void subscribe(Observer<? super T> observer) { try { observer = RxJavaPlugins.onSubscribe(this, observer); subscribeActual(observer); } catch (NullPointerException e) { // NOPMD throw e; } catch (Throwable e) { RxJavaPlugins.onError(e); throw npe; } }这里提一点，大家看源码时遇到RxJavaPlugins时直接略过看里面的代码就好了，它是hook用的，不影响主要流程。所以上面代码其实只有一行有用：
subscribeActual(observer);
也就是说，每个节点在执行subscribe时，其实就是在调用该节点的subscribeActual方法，这个方法是抽象的，每个节点的实现都不一样。
我们回到主线来，当调用subscribe方法时，应该是构建的链路中最后一个节点调用subscribe方法，我们以图中我们的调用顺序为例:最后一个节点是N5，N5节点是最后一个flatmap操作符方法产生的，我们看这个节点的源码：
public final class ObservableFlatMap<T, U> extends AbstractObservableWithUpstream<T, U> { final Function<? super T, ? extends ObservableSource<? extends U>> mapper; final boolean delayErrors; final int maxConcurrency; final int bufferSize; public ObservableFlatMap(ObservableSource<T> source, Function<? super T, ? extends ObservableSource<? extends U>> mapper, boolean delayErrors, int maxConcurrency, int bufferSize) { super(source); this.mapper = mapper; this.delayErrors = delayErrors; this.maxConcurrency = maxConcurrency; this.bufferSize = bufferSize; } @Override public void subscribeActual(Observer<? super U> t) { if (ObservableScalarXMap.tryScalarXMapSubscribe(source, t, mapper)) { return; } source.subscribe(new MergeObserver<T, U>(t, mapper, delayErrors, maxConcurrency, bufferSize)); } static final class MergeObserver<T, U> extends AtomicInteger implements Disposable, Observer<T> { final Observer<? super U> downstream; final Function<? super T, ? extends ObservableSource<? extends U>> mapper; } 刚才我们分析了，N5节点是Observable节点，其subscribe方法最后调用的是subscribeActual方法，我们看上面代码中它的这个方法：前面的判断语句跳过，第二行：
source.subscribe(new MergeObserver<T, U>(t, mapper, delayErrors, maxConcurrency, bufferSize));
这行代码需要注意两点：
- 生成了一个新的Observer，请注意其构造函数中第一个参数t，保存到了downstream这个“下游”变量中，这个t从哪儿传进来的呢？对于N5节点来说，这个t就是我们代码中最后一步编写的Observer，比如我们常用的网络请求返回后的回调。也就是说，这个新生成的Observer包含了它的“下游”观察者的引用，在图片中对应最右边的圆形框O1(observer)。
- 执行订阅行为，这里的source是该节点构造函数传入的source，通过源码得知其实就是N5节点的上一个节点N4，因此，这里的订阅行为本质上是让当前节点的上一个节点订阅当前节点新生成的Observer。
到这里，我们分析了最后一个节点执行subscribe方法的过程，事实上，每个节点的执行流程都是类似的(subscribeOn节点有些特殊，等会线程调度会将)，也就是说，N5会调用N4的subscribe方法，而在N4的subscribe方法中，又去调用了N3的subscribe….一直到N0会调用source的subscribe方法。总结下来就是：
从最后一个N5节点的订阅行为开始，依次执行前面各个节点真正的订阅方法。在每个节点的订阅方法中，都会生成一个新的Observer，这个Observer会包含“下游”的Observer，这样当每个节点都执行完订阅(subscribeActual)后，也就生成了一串Observer，它们通过downstream,upstream引用连接。
以上就是订阅流的发生过程，简单讲就是下游节点调用上游节点的subscribeActual方法，从而形成了一个调用链。
观察者回调流
当订阅流执行到最后，也就是第一个节点N0时，我们看发生了什么，首先看看N0节点怎么建立的：
public static <T> Observable<T> create(ObservableOnSubscribe<T> source) { ObjectHelper.requireNonNull(source, "source is null"); return RxJavaPlugins.onAssembly(new ObservableCreate<T>(source)); }生成了ObservableCreate实例，我们看这个类（简化）:
public final class ObservableCreate<T> extends Observable<T> { final ObservableOnSubscribe<T> source; public ObservableCreate(ObservableOnSubscribe<T> source) { this.source = source; } @Override protected void subscribeActual(Observer<? super T> observer) { CreateEmitter<T> parent = new CreateEmitter<T>(observer); observer.onSubscribe(parent); source.subscribe(parent); } }所以订阅流的最终会掉到上面的subscrbeActual方法，它其实还是和其他节点一样，最主要的还是执行了
source.subscribe(parent)
这行代码，那么这个节点的source是什么呢？它就是我们事件的源头啊！
Observable.create(new ObservableOnSubscribe<String>() { @Override public void subscribe(ObservableEmitter<String> emitter) throws Exception { String s = "1234"; //执行耗时任务 emitter.onNext(s); } })上面代码直接拿的开头的例子，这个source是一个ObservableOnSubscribe，看它的subscribe方法里，这里很重要，这个函数里面其实是订阅流和观察者流的转折点，也就是流在这儿“转向了”。这里，这个事件源没有像节点那样，调用上一个节点的订阅方法，而是调用了其参数的emitter的onNext方法，这个emitter对应N0节点的什么呢？看代码知道，时CreateEmitter这个类，我们看这个类里面
static final class CreateEmitter<T> extends AtomicReference<Disposable> implements ObservableEmitter<T>, Disposable { final Observer<? super T> observer; CreateEmitter(Observer<? super T> observer) { this.observer = observer; } @Override public void onNext(T t) { if (!isDisposed()) { observer.onNext(t); } } //省略 }看它的onNext方法，执行的是
observer.onNext(t)
observer是谁？构造函数传进来的，也就是N0节点subscribeActual方法中的observer，这个observer是谁呢？仔细回想一下，前面订阅流的时候不就是一次订阅上一个节点生成的Observer吗，所以这个observer就是前一个节点N1生成的Observer，我们看N1节点，是一个Map，对应的Observable节点里的Observer源码如下:
static final class MapObserver<T, U> extends BasicFuseableObserver<T, U> { final Function<? super T, ? extends U> mapper; MapObserver(Observer<? super U> actual, Function<? super T, ? extends U> mapper) { super(actual); this.mapper = mapper; } @Override public void onNext(T t) { if (done) { return; } if (sourceMode != NONE) { downstream.onNext(null); return; } U v; try { v = ObjectHelper.requireNonNull(mapper.apply(t), "The mapper function returned a null value."); } catch (Throwable ex) { fail(ex); return; } downstream.onNext(v); //省略后续 名为MapObserver，看它的onNext方法，忽略前面两个判断语句，核心就两句，一个是mapper.apply(t)，另一个就是downstream.onNext(v)。也就是说，这个mapObserver干了两件事，一个是把上个节点返回的数据进行一次map变换，另一个就是将map后的结果传递给下游，下游是什么呢？看了订阅流的读者自然知道，就是N2节点的Observer，对应图中O4,依次类推，我们知道了，事件发生以后，通过各个节点的Observer事件源被层层处理并传递给下游，一直到最后一个观察者执行完毕，整个事件处理完成。
至此，我们三个流分析完毕，接下来，我们开始分析线程调度是怎么实现的。
线程调度
观察仔细的读者可能已经看到了，图中N2节点左侧的所有节点和右侧的节点颜色不同，我为什么要这样画呢？其实里面的玄机就是线程调度，接下来我们分别看subscribeOn和observeOn的线程切换玄机吧。
SubscribeOn
在订阅流发生的的时候，大多数节点都是直接调用上一个节点的subscribe方法，实现虽有差别，但大同小异。唯一有个最大的不同就是subscribeOn这个节点，我们看源码：
public final class ObservableSubscribeOn<T> extends AbstractObservableWithUpstream<T, T> { final Scheduler scheduler; public ObservableSubscribeOn(ObservableSource<T> source, Scheduler scheduler) { super(source); this.scheduler = scheduler; } @Override public void subscribeActual(final Observer<? super T> observer) { final SubscribeOnObserver<T> parent = new SubscribeOnObserver<T>(observer); observer.onSubscribe(parent); parent.setDisposable(scheduler.scheduleDirect(new SubscribeTask(parent))); }普通的节点执行时，大多只是简单的执行source.subscribe(observer)，但是这个不一样。先看第二行，它调用了观察者的onSubscribe方法，熟悉Rxjava的人知道，我们在自定义Observer的时候，里面有这个回调，其发生时机就在此刻。我们接着看最后一行,忽略parent.setDisposable这个逻辑，我们直接看参数里面的东西。
scheduler.scheduleDirect(new SubscribeTask(parent))
看看干了什么：
@NonNull public Disposable scheduleDirect(@NonNull Runnable run) { return scheduleDirect(run, 0L, TimeUnit.NANOSECONDS); }继续：
@NonNull public Disposable scheduleDirect(@NonNull Runnable run, long delay, @NonNull TimeUnit unit) { final Worker w = createWorker(); final Runnable decoratedRun = RxJavaPlugins.onSchedule(run); DisposeTask task = new DisposeTask(decoratedRun, w); w.schedule(task, delay, unit); return task; }创建了一个worker，一个runnable，然后将二者封装到一个DisposeTask中，最后用worker执行这个task，那么这个worker是什么呢？
@NonNull public abstract Worker createWorker();createworker是一个抽象方法，所以需要去找Scheduler的子类，我们回想一下rxjava的使用，如果在子线程中执行，我们一般设置调度器为Schedulers.io(),我们看这个子类的实现:
在IOSchedluer类中:
@Override public Disposable schedule(@NonNull Runnable action, long delayTime, @NonNull TimeUnit unit) { if (tasks.isDisposed()) { // don't schedule, we are unsubscribed return EmptyDisposable.INSTANCE; } return threadWorker.scheduleActual(action, delayTime, unit, tasks); }继续:
@NonNull public ScheduledRunnable scheduleActual(final Runnable run, long delayTime, @NonNull TimeUnit unit, @Nullable DisposableContainer parent) { Runnable decoratedRun = RxJavaPlugins.onSchedule(run); ScheduledRunnable sr = new ScheduledRunnable(decoratedRun, parent); if (parent != null) { if (!parent.add(sr)) { return sr; } } Future<?> f; try { if (delayTime <= 0) { f = executor.submit((Callable<Object>)sr); } else { f = executor.schedule((Callable<Object>)sr, delayTime, unit); } sr.setFuture(f); } catch (RejectedExecutionException ex) { if (parent != null) { parent.remove(sr); } RxJavaPlugins.onError(ex); } return sr; }这里的executor就是一个ExecutorService，熟悉线程池的读者应该知道，这里的submit方法，就是将callable丢到线程池中去执行任务了。
我们回到主线
scheduler.scheduleDirect(new SubscribeTask(parent))
对于io线程的调度器来说，上面的代码就是将new SubscribeTask(parent)丢到线程池中执行，我们看参数里面的SubscribeTask：
final class SubscribeTask implements Runnable { private final SubscribeOnObserver<T> parent; SubscribeTask(SubscribeOnObserver<T> parent) { this.parent = parent; } @Override public void run() { source.subscribe(parent); } }看run方法：source.subscribe(parent)，这里的parent跟普通节点一样，仍然是本节点生成的新的Observer，对于本节点来说，是一个SubscribeOnObserver。因此，我们就知道了，对于subscribeOn这个节点，它跟普通的节点不同之处在于：
SubscribeOn节点在订阅的时候，将它的上游节点的订阅行为，以runnable的形式扔给了一个线程池(对于IO调度器来说)，也就是说，当订阅流流到SubscribeOn节点时，线程发生了切换，之后流向的节点都在切换后的线程中执行。
分析到这里，我们就知道了subscribeOn的线程切换原理了，原来是在订阅流中塞了一个线程变化操作。我们再看图中的颜色问题，为什么这个节点上游的节点都是红色的呢？因为当订阅流流过这个节点后，后面的节点只是单纯的传递给上游节点而已，无论是普通的操作符，还是ObserveOn节点，都是简单的传递给上游，没有做线程切换(注意，ObserveOn是在观察者流中做的线程切换，待会会讲)。
我们再思考一个问题，如果上游还有别的subscribeOn，会发生什么？
我们假设N1节点的map修改程subscribeOn(AndroidScheduler.Main)，也就是说，切换到主线程。我们还是从N2节点开始分析，刚才说到最后会执行到SubscribeTask里的Run方法，注意此时source.subscribe(parent)发生在子线程中，接下来，回调用N1节点的subscribe，N1节点回调用scheduler.scheduleDirect(new SubscribeTask(parent))，方法，此时，因为线程调度器是主线程的，我们看它的代码：
private static final class MainHolder { static final Scheduler DEFAULT = new HandlerScheduler(new Handler(Looper.getMainLooper()), false); }看看这个HandlerScheduler的方法:
@Override public Disposable scheduleDirect(Runnable run, long delay, TimeUnit unit) { run = RxJavaPlugins.onSchedule(run); ScheduledRunnable scheduled = new ScheduledRunnable(handler, run); handler.postDelayed(scheduled, unit.toMillis(delay)); return scheduled; }熟悉Android Handler机制的读者应该很清楚，这里会把N1节点上游的操作，通过Handler机制，扔给主线程操作，虽然这一步是在N2节点的子线程中执行的，但是它之前的事件仍然会在主线程中执行。因此我们有以下结论：
subscribeOn节点影响它前面的节点的线程，如果前面还有多个subscribeOn节点，最终只有第一个，也就是最上游的那个节点生效
接下来我们分析observeOn
ObserveOn
前面的subscribeOn线程切换是在订阅流中发生的，接下来的ObserveOn比较简单，它发生在第三条流-观察者回调流中，我们看ObserveOn节点的源码:
static final class ObserveOnObserver<T> extends BasicIntQueueDisposable<T> implements Observer<T>, Runnable { //简化 @Override public void onNext(T t) { if (done) { return; } if (sourceMode != QueueDisposable.ASYNC) { queue.offer(t); } schedule(); } }在前面的观察者流分析时，我们知道，观察者流是通过onNext()方法传递的，我们看最后一行，schedule()，线程切换，所以这个ObserveOn节点其实没干啥事，就是切换线程了，而且是在onNext回调中切换的。我们进到这个方法：
void schedule() { if (getAndIncrement() == 0) { worker.schedule(this); } }worker是这个节点订阅时指定的 scheduler.createWorker()， 以主线程观察为例:
public Disposable schedule(Runnable run, long delay, TimeUnit unit) { run = RxJavaPlugins.onSchedule(run); ScheduledRunnable scheduled = new ScheduledRunnable(handler, run); Message message = Message.obtain(handler, scheduled); message.obj = this; // Used as token for batch disposal of this worker's runnables. if (async) { message.setAsynchronous(true); } handler.sendMessageDelayed(message, unit.toMillis(delay)); // Re-check disposed state for removing in case we were racing a call to dispose(). if (disposed) { handler.removeCallbacks(scheduled); return Disposables.disposed(); } return scheduled; }同样，通过Handler机制，将runnable扔给主线程执行,runnable是谁呢，是this，this就是这个ObserveOnObserver,我们看它的run方法：
@Override public void run() { if (outputFused) { drainFused(); } else { drainNormal(); } }继续看drainNormal
void drainNorml() { //简化 final Observer<? super T> a = downstream; T v; v = q.poll(); a.onNext(v); }抓重点，还是把上游的处理结果扔给下游。也就是说observeOn会将它下游的onNext操作扔给它切换的线程中，因此ObserveOn影响的是它的下游，所以我们途中observeOn后面的颜色都是蓝的。
同样我们思考，如果有多个observeOn会发生什么？很简单，思路同subscribeOn，每个ObserveOn只会影响它下游一直到下一个obseveOn节点的线程，也就是分段的。
总结
到此为止我们就讲完了全部内容，包括三条流的原理和线程切换的原理，至于Rxjava的其他功能和原理，限于篇幅，本文不会讲解，感兴趣的读者自行阅读源码。本文主要为读者提供了理解Rxjava的思路，真正要去理解它，还是要多看源码。
在我看来，Rxjava有点像观察者模式和责任链模式的结合变种，普通的观察者模式一般是被观察者通知多个观察者，而Rxjava则是被观察者通知第一个Obsever,接下来Observer依次通知其他节点的Observer，将观察者模式进行了一种类似链式的变换，每个节点又会执行它不同的“职责”，非常巧妙，事件在Observable链条上进行传递，事件结果通过Observer链条进行回调，这或许就是Rxjava的精髓所在.
