RAC核心元素與訊號流

發表於2016-06-25

ReactiveCocoa是一個函式響應式程式設計框架,它能讓我們脫離Cocoa API的束縛,給我們提供另外一套編碼的思路與可能性,它能在巨集觀層面上提升程式碼易讀性與穩定性,讓程式設計師寫出富有詩意的程式碼,因此備受業內推崇。本文略過RAC基本概念與基礎使用,著重介紹RAC資料流方面的內容,剖析RAC核心元素與RAC Operation在資料流中扮演的角色,並從資料流的角度切入,介紹RACComand與RACChannel。


RAC核心元素與管線

在繪製UI時,我們常希望能夠直接獲取所需資料,但大多數情況下,資料需要經過多個步驟處理後才可使用,好比UI使用到的資料是經過流水線加工後最後一端產出的成品。眾所周知,流水線是由多個片段管線組成,上端管線處理後的已加工品成為下端管線的待加工品,每段管線都有對應的管線工人來完成加工工作,直至成品完成。RAC為我們提供了構建資料流水線的能力,通過組合不同的加工管線來匯出我們想要的資料。想要構建好RAC的資料流水線,我們需要先了解流水線中的組成元素-RAC管線。RAC管線的運作實質上就是RAC中一個訊號被訂閱的完整過程。下面我們來分析下RAC中一個完整的訂閱過程,並通過對它的剖析來了解RAC中的核心元素。

RAC核心是Signal,對應的類為RACSignal。它其實是一個訊號源,Signal會給它的訂閱者(Subscriber)傳送一連串的事件,一個Signal可比作流水線中的一段管線,負責決定管線傳輸什麼樣的資料。Subscriber是Signal的訂閱者,我們將Subscriber比作管線上的工人,它在拿到資料後對其進行加工處理。資料經過加工後要麼進入下一條管線繼續處理,要麼直接當做成品使用。通過RAC管線這個比方,我們來詳細瞭解下RAC中Signal的完整訂閱過程:

  • 管線的設計-createSingal:

    這裡RAC通過類簇的方式,使用RACSignal 的createSignal 方法建立了一個RACDynamicSignal物件(RACSignal的子類), 同時傳入對應的didSubscribeBlock 引數。這個block裡,我們定義了該Signal將按何種方式、傳送何種訊號值。如文中的pipeline signal在順序發出了 1、 2、 3 三個資料後,發出結束訊號 (1),並且安排好訊號終止訂閱時的收尾工作 (2),這個過程好比是我們預先設計好一段管線,設定好管線啟動後按照何種邏輯,傳送出何種資料。但管線傳送出待加工資料後需要有工人對其進行加工處理,於是RAC引入了Subscriber。
  • 管線工人 - Subscriber:

    Subscriber我們一般稱之為訂閱者,它負責處理Signal傳出的資料。Subscriber初始化的時候會傳入nextBlock、 errorBlock、completeBlock,正是這三個block用於處理不同型別的資料訊號(或是將處理後的資料拋往下一段管線,或是當做成品送給使用方)。Subscriber好比是管線上的工人,負責加工管線上傳遞過來的各種訊號值,不過一旦Subscriber接收到error訊號或complete訊號,Subscriber會通過相關的RACDisposal主動取消這次訂閱,停止管線的運作。那麼管線有了,管線上的裝配工人有了,如何啟動管線?
  • 啟動管線 - subscribe:

    通過RACDynamicSignal中的subscribe方法,pipeline signal(RACSignal)開始被worker(RACSubscriber)訂閱。在subscribe方法中, pipeline會去執行createSignal時傳入didSubscribeBlock,執行的過程按之前管線設定的一樣,worker將接受到3個資料值與一個complete訊號,並使用subscriber中的nextBlock與completeBlock對訊號值分別進行處理。管線啟動後,會返回一個RACDisposable物件。外部可以通過[RACDisposable dispose]方法隨時停止這段管線的工作。一旦管線停止,subscriber worker將不再處理管線傳送過來的任何型別的資料。詳細的剖析可以參看http://tech.meituan.com/RACSignalSubscription.html。

以上三個步驟構成了一個普通訊號的訂閱流程。但往往在使用RAC時,我們看不到後兩者,這是因為RAC將Subscriber的初始化以及[signal subscribe: subcriber]統一封裝到[signal subscribeNext: error: completed:]方法中了,如下圖所示。這種封裝成功遮蔽掉了Subscriber這個概念,進一步簡化訊號的訂閱邏輯,使其更加便於使用。(PS:流水線worker永遠都在默默付出!!)

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code

可以發現,按照上面的訂閱流程,訊號只有被訂閱時才會送出訊號值,這種訊號我們稱之為冷訊號(cold signal)。既然有冷訊號的概念,就肯定有與之對應的熱訊號(hot signal)。冷訊號好比只有給管線分配工人後,管線才會開啟。而熱訊號就是在管線建立之後,不管是否有配套的工人,管線都會開始運作,可以隨時根據外部條件送出資料。送出資料時,如果管線上有工人,資料被工人加工處理,如果沒有工人,資料將被拋棄。以下我們仍然從訊號的訂閱步驟對比冷熱訊號:(熱訊號對應的類RACSubject)

  • 建立訊號。與冷訊號不同,RACSubject在被建立後將維護一個訂閱者陣列(subscribers),用於隨時儲存加入進來的Subscriber。此外不同於RACDynamicSignal,RACSubject在建立時並不去設定好要輸出資料,而是通過實現協議,允許外部直接使用[RACSubject sendNext:]隨時輸出資料。
  • 建立訂閱者。該建立過程與冷訊號完成相同,都是提前準備好Subscriber對應的nextBlock、errorBlock、completedBlock。
  • 訂閱。RACSubject(hotSignal)與RACDynamicSignal(coldSignal)內部都有繼承於父類RACSignal的subscribe方法,但實現卻完全不同。RACDynamicSignal的subscribe會去執行createSignal時準備好的didSubscribedBlock,同時將subscriber傳給didSubscribedBlock,讓subscriber按照設定好的方式處理相應的資料值。 而熱訊號RACSubject僅僅只是將subscriber加入到訂閱者陣列中,其它啥事不幹。
  • 熱訊號沒有提前規劃訂閱時訊號的輸出,因而它需要由外部來控制訊號何時輸出何種資料值,於是RACSubject實現了協議,向外提供了[RACSubject sendNext:]、[RACSubject sendError:]、[RACSubject sendComplete:]方法。以sendNext舉例,每當使用 [RACSubject sendNext] 時,RACSubject就會遍歷一遍自己的subcribers陣列,並呼叫各陣列元素(subscriber)準備好的sendNextBlock (1)。

以上是冷熱訊號在執行層面上的異同。有時為了減少副作用或著其它某種原因,我們需要將冷訊號轉成熱訊號,讓它擁有熱訊號的特性。 這時候我們可以用到[RACDynamicSignal multicast: RACSubject] ,這個方法究其原理也是利用到了RACSubject可隨時sendNext的這一特性。具體冷熱訊號的轉換可參見:http://tech.meituan.com/talk-about-reactivecocoas-cold-signal-and-hot-signal-part-3.html 。此外,RACSubject有個子類RACReplaySubject。相較於RACSubject,RACReplaySubject能夠將之前訊號發出的資料使用valuesReceived陣列儲存起來, 當訊號被下一個Subscriber訂閱時,它能夠將之前儲存的資料值按順序傳送給新的Subscriber。

這一節大概介紹了RACDynamicSignal、 RACSubject、 RACSubscriber、 RACDisposal在訂閱過程中扮演的角色, 事實上排程器RACSchedule也是RAC中非常重要的基礎元素。RAC對它的定義是”schedule: control when and where the work the product”,它對GCD做了一層很薄的包裝。它能夠:1.讓RACSignal送出的訊號值線上程中華麗地穿梭。2.延遲或週期執行block中的內容。 3.可以新增同步、非同步任務。同時能夠靈活取消非同步新增的未執行任務。RACSchedule的使用會在下文提到。

RAC訊號流

RAC流水線是由多段管線組合而成,上節介紹了單條RAC管線的運作,這一節主要介紹:1.RAC管線間的銜接 — RAC Operation。2.RAC訊號流的構建。

RAC Operation 作為訊號值的中轉站,它會返回一個新訊號N。如下圖所示,RAC Operation對原訊號O傳出的值進行加工,並將處理好的數值作為新訊號N的輸出,這個過程好比將原管線資料加工後拋往一段新的管線,一條RAC流水線就是由各種各樣的RAC Operation組合而成。RAC 提供了許多RACSignal Operation方便我們使用 ,其中[RACSignal bind:]操作是訊號變換的核心。因此在剖析RAC Operation的時候,我們主要針對bind以及其衍生出來的flattenMap、 map、flatten進行介紹。隨後將RAC流水線應用於一個具體業務需求,詳細瞭解整段RAC訊號流的構建。

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RAC Operation

首先我們來解讀bind極其衍生出來的幾個Operation:

  • bind函式會返回一個新的訊號N。整體思路是對原訊號O進行訂閱,每當訊號O產生一個值就生成一箇中間訊號M,並馬上訂閱M, 之後將訊號M的輸出作為新訊號N的輸出。管線圖如下:

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    flattenMap/bind

    具體來看原始碼(為方便理解,去掉了原始碼中RACDisposable, @synchronized, @autoreleasepool相關程式碼)。當新訊號N被外部訂閱時,會進入訊號N 的didSubscribeBlock( 1處),之後訂閱原訊號O (2),當原訊號O有值輸出後就用bind函式傳入的bindBlock將其變換成中間訊號M (3), 並馬上對其進行訂閱(4),最後將中間訊號M的輸出作為新訊號N的輸出 (5), 如上圖所示。

    看完程式碼,我們再回到bind的管線圖。每當original signal送出一個紅球訊號後,bind方法內部就會生成一個對應的middle signal。第一個middle signal送出的是綠球,第二個middle signal送出的是紫球,第三個middle signal送出是藍球。由於在bind操作中,中間訊號的輸出將直接作為新訊號的輸出,因此我們可以看到圖中的new signal輸出的就是綠球、紫球、籃球等,它相當於是所有middle signal輸出值的集合。

  • flattenMap:在RAC的使用中,flattenMap這個操作較為常見。事實上flattenMap是對bind的包裝,為bind提供bindBlock。因此flattenMap與bind操作實質上是一樣的(管線圖可直接參考bind),都是將原訊號傳出的值map成中間訊號,同時馬上去訂閱這個中間訊號,之後將中間訊號的輸出作為新訊號的輸出。不過flattenMap在bindBlock中加入一些安全檢查 (1),因此推薦還是更多的使用flattenMap而非bind。

  • map :map操作可將原訊號輸出的資料通過自定義的方法轉換成所想要的資料, 同時將變化後的資料作為新訊號的輸出。它實際呼叫了flattenMap, 只不過中間訊號是直接將mapBlock處理的值返回 (1)。程式碼與管線圖如下。此外,我們常用的filter內部也是使用了flattenMap。與map相同,它也是將filter後的結果使用中間訊號進行包裝並對其進行訂閱,之後將中間訊號的輸出作為新訊號的輸出,以此來達到輸出filter結果的目的。

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map
  • flatten: 該操作主要作用於訊號的訊號。原訊號O作為訊號的訊號,在被訂閱時輸出的資料必然也是個訊號(signalValue),這往往不是我們想要的。當我們執行[O flatten]操作時,因為flatten內部呼叫了flattenMap (1),flattenMap裡對應的中間訊號就是原訊號O輸出signalValue (2)。按照之前分析的經驗,在flattenMap操作中新訊號N輸出的結果就是各中間訊號M輸出的集合。因此在flatten操作中新訊號N被訂閱時輸出的值就是原訊號O的各個子訊號輸出值的集合。這好比將多管線匯聚成單管線,將原訊號壓平(flatten),如下圖所示。

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    flatten

    程式碼如下:

  • switchToLatest:與flatten相同,其主要目的也是用於”壓平”訊號的訊號。但與flatten不同的是,flatten是在多管線匯聚後,將原訊號O的各子訊號輸出作為新訊號N的輸出,但switchToLatest僅僅只是將O輸出的最新訊號L的輸出作為N的輸出。用管線圖表示如下:

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    swichToLatest

    看下程式碼,當O送出訊號A後,新訊號N會馬上訂閱訊號A ,但這裡用了[A takeUntile O] (1) 。這裡的意思就是如果之後原始訊號O又送出子訊號B,那麼之前新訊號N對於中間訊號A的訂閱也就停止了, 如果O又送出子訊號C, 那麼N又會停止對B的訂閱。也就是說訊號N訂閱的永遠都是O派送出來的最新訊號。

另外作為鋪墊,這裡再提兩個操作:

  • scanWithStart : 該操作可將上次reduceBlock處理後輸出的結果作為引數,傳入當次reduceBlock操作,往往用於訊號輸出值的聚合處理。scanWithStart內部仍然用到了核心操作bind。它會在bindBlock中對value進行操作,同時將上次操作得到的結果running作為引數帶入 (1),一旦本次reduceBlock執行完,就將結果儲存在running中,以便下次處理時使用,最後再將本次得出的結果用訊號包裝後,傳遞出去 (2)。

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    scanWithStart.png

    程式碼如下:

  • throttle:這個操作接收一個時間間隔interval作為引數,如果Signal發出的next事件之後interval時間內不再發出next事件,那麼它返回的Signal會將這個next事件發出。也就是說,這個方法會將傳送比較頻繁的next事件捨棄,只保留一段“靜默”時間之前的那個next事件。這個操作常用於處理輸入框等訊號(使用者打字很快),因為它只保留使用者最後輸入的文字並返回一個新的Signal,將最後的文字作為next事件引數發出。管線流圖表示如下:

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    throttle

前面從程式碼層面具體剖析了幾個RAC Operation。接著我們藉著一個特定的需求,試著將這些RAC管線拼湊成一條RAC資料流。假定一個搜尋業務如下:使用者在searchBar中輸入文字,當停止輸入超過0.3秒,認為seachBar中的內容為使用者的意向搜尋關鍵字searchKey,將searchKey作為引數執行搜尋操作。搜尋內容可能是多樣的,也許包括搜單聊訊息、群聊訊息、公眾號訊息、聯絡人等,而這些資訊搜尋的方式也有不同,有些從本地獲取,有些是去伺服器查詢,因此返回的速度快慢不一。我們不能等到資料全部獲取成功時才顯示搜尋結果頁面,而應該只要有部分資料返回時就將其拋到主執行緒渲染顯示。在這個需求中,從資料輸入到最後搜尋資料的顯示可以具象成一條資料流,資料流中各處對於資料的操作都可以使用上面提到的RAC Operation來完成,通過組合Operation完成以下RAC資料流圖:

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searchService

從資料流圖來看,RAC有點像的太極,太極生兩儀,兩儀生四象,四象生八卦,八卦生萬物。我們可以用它的百變性來契合產品的業務需求。按照上面的資料流圖,我們可以輕易地寫出對應的RAC程式碼:

可以看到,使用RAC構建資料流後,宣告式的程式碼顯得優雅且清晰易讀,看似複雜的業務需求在RAC的組織下,一兩句程式碼就得以輕鬆搞定。反觀,如果使用常規方法,估計一個throttle對應的操作就會讓邏輯程式碼散落各處,另一個scanWithStart的對應操作也應該會加入不少中間變數,這些無疑都會大大提升了程式碼的維護成本。資料流的設計也會讓編碼者感覺自己更像是程式碼的設計者,而並非程式碼的搬運工,讓人樂此不疲^_^。

以上為本節內容,這節內容我們首先從原始碼層級剖析了幾個RAC Operation,相信通過介紹這幾個Operation相應的 訊號銜接細節後,閱讀其它的Operation應該不再是什麼難事。之後使用RAC資料流處理了一個具體的業務需求。事實上,RAC提供了非常豐富的操作,通過這些操作的組合,我們基本可以處理日常的業務邏輯。當然,需求是多樣且奇特的,或許在特定情況下無法找到現成的RAC Operation,因此如果有需要,我們也可以直接擴充RACSignal操作或新增自定義UIKit的RAC擴充,從而讓我們的程式碼 “more funtional, more elegant”。可以毫不誇張的說,阻礙RAC發揮的瓶頸只有想象力,當我們接到需求後,仔細推敲資料的走向並設計好相關資料的操作,只要RAC資料流圖繪製出來,剩下的程式碼工作也就信手拈來。介紹完RAC資料流後,我們再從資料流的角度看看RAC中的另外兩個常用元素RACCommand與RACChannel。

RACCommand

RACCommand是RAC很重要的組成部分,通常用來表示某個action的執行。RACCommand提供excutingSignals、 excuting、 error等一連串公開的訊號,方便外界對action執行過程與執行結果進行觀察。executionSignals是signal of signals,如果外部直接訂閱executionSignals,得到的輸出是當前執行的訊號,而不是執行訊號輸出的資料,所以一般會配合flatten或switchToLatest使用。 errors,RACCommand的錯誤不是通過sendError來實現的,而是通過errors屬性傳遞出來的。 executing,表示該command當前是否正在執行。它常用於監聽按鈕點選、網路請求等。

使用時,我們通常會去生成一個RACCommand物件,並傳入一個返回signal物件的block。每次RACCommand execute 執行操作時,都會通過傳入的這個signal block生成一個執行訊號E (1),並將該訊號新增到RACCommand內部訊號陣列activeExecutionSignals中 (2),同時將訊號E由冷訊號轉成熱訊號(3),最後訂閱該熱訊號(4)並將其返回(5)。

以上是RACCommand執行過程,而RACCommand又是如何對執行過程進行監控的呢?

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RACCommand

如上圖所示,RACCommand內部維護了一個activeExecutionSignals陣列。上面提到,每當[RACCommand excute:]後,就會將一個執行訊號新增到activeExecutionSignals陣列中。RACCommand裡設定了兩個對activeExecutionSignals的觀察訊號。第一個觀察訊號用於監控RACCommand是否正在執行,可以參考上圖下端的資料流。activeExecutionSignals是內部執行訊號的合集,一旦activeExecutionSignals內部元素髮生變化,就會根據執行訊號的數量判斷RACCommand當前是否正在執行 (1)。

第二個觀察訊號用於監控RACCommand當前正在執行的訊號與訊號產生的error,可以參考上圖上端資料流。每當activeExecutionSignals有新的執行訊號新增進陣列,newActiveExecutionSignals就會有相應的訊號輸出(訊號newActiveExecutionSignals輸出的是訊號,因此newActiveExecutionSignals是訊號的訊號)。由於newActiveExecutionSignals之後需要轉成executionSignals、error訊號,並分別被外界訂閱,為避免產生多餘的副作用,這裡使用publish將activeExecutionSignals對應的觀察訊號由冷訊號轉成了熱訊號(1)。之後executionSignals將newActiveExecutionSignals的輸出值拋送到主執行緒上 (2)。當我們去訂閱executionSignals訊號時,拿到的就是當前正在執行的訊號。要是我們關心的是當前執行訊號的輸出值,我們得使用 [executionSignals flatten]方法(參考上節的flatten操作)將executionSignals”壓平”後,才可以獲取到所有當前執行訊號的輸出值。

因此,RACCommand主要是對成員變數activeExecutionSignals陣列的變化進行觀察, 並將觀察結果轉變成外部感興趣的訊號,從而使得RACCommand的執行過程與結果可被外部監控。往往我們將RACCommand與UI響應配合使用,比如在button被點選後,去執行一個網路請求的command。我們可以通過command.excuting訊號輸出的訊號值決定是否彈出小菊花,可以通過command.excutingSignals訊號獲取當前正在執行的訊號,並得到執行結果,也可以從command.error訊號中拿到我們需要提示給使用者的錯誤資訊,使用起來十分方便。

RACChannel

RACChannel可能相對來說比較陌生,但它也可以在訊號流中扮演重要的角色。它提供雙向繫結功能,一個RACChannel的兩端配有RACChannelTerminal,分別是leadingT、 followingT。我們可以將leadingT 與 followingT想象成一根水管的兩頭,只要任何一端輸入訊號值,另外一端都會有相同的訊號值輸出。有了這個概念下我們再來看看RACChannelTerminal。首先

可以發現RACChannelTerminal因為繼承了RACSignal, 因此它具有訊號的特性,可以被訂閱。比如:在RACChannel中 [leadingT subscribeNext:],這裡leadingT扮演的就是signal的角色,當它被訂閱時輸出的就是followingT送出的值。同時RACChannelTerminal又實現了RACSubscriber的協議。這樣就意味著它又能夠像訂閱者一樣呼叫sendNext: sendError: sendComplete方法。 如果followingT被訂閱了,那麼一旦leadingT sendNext:value,訊號值value就會穿過leadingT與followingT,被followingT的訂閱者捕獲到。正是由於RACChannelTerminal擁有這種既可被訂閱,又可主動輸出訊號值的屬性,當它被放到RACChannel兩端時,就可讓兩端訊號相互影響。
往往我們很少直接使用RACChannel,最常用到的就是RACChannelTo,下面我們來詳細瞭解下:

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RACChannel

藉著上面的RACChannelTo的資料流圖,我們拿RAC提供的示例程式碼舉例。RACChannelTo巨集實際生成了一個RACKVOChannel,RACKVOChannel內部是將其一端的leadingT與相關keypath上的integerProperty繫結,並將其另外一端followingT(對應示例程式碼中的integerChannelT)暴露出來。當我們拿到integerChannelT後,使用[integerChannelT sendNext:@“5”] (1), 訊號值就會傳到RACKVOChannel的另一端,影響integerProperty(參考圖中紅色管線)。同時當integerChannelT被訂閱時,只要另一端integerProperty因變化產生了對應訊號值A,那麼integerChannelT就會將訊號值A傳遞給它的訂閱者(參考圖中藍色管線)。

事實上,RAC為很多類提供了RACChannel相關的擴充,如

  • [NSUserDefaults rac_channelTerminalForKey:]
  • [UIDatePicker rac_newDateChannelWithNilValue:]
  • [UISegmentedControl rac_newSelectedSegmentIndexChannelWithNilValue:]
  • [UISlider rac_newValueChannelWithNilValue:]
  • [UITextField rac_newTextChannel:]

這些函式都會返回一個對應的RACChannelTerminal。有了這個RACChannelTerminal,一方面我們可以通過它去觀察對應控制元件核心心變數的變化情況,並作出響應。另一方面我們也可通過這個RACChannelTerminal直接去改變這個控制元件裡的核心變數。比如我們可以使用[UITextField rac_newTextChannel:]返回的RACChannelTerminal用以下方式實現控制元件與viewModel中資料的雙向繫結。

整體而言,RACChannelTerminal用起來十分順手,如果契合業務使用,RACChannel能夠提供非常大的價值。


總結

本文從原始碼層面剖析了RAC訊號的訂閱過程,瞭解了RAC核心元素在其中扮演的角色。之後著重介紹了RAC資料流構建與它的使用價值。本文沒有對所有的RAC Operation進行覆蓋性的介紹,而是挑出了幾個重要的Opration,藉助原始碼與資料流圖介紹其內部運作細節,希望能從底層闡述構建原理,幫助大家更好的理解使用RAC。就如一句老話所說”開車不需要知道離合器是怎麼工作的,但如果知道離合器原理,那麼車子可以開得更平穩”。

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