大数跨境
0
0

如何避免写重复代码:善用抽象和组合

如何避免写重复代码:善用抽象和组合 阿里云云栖号
2023-06-09
0

作 者 | 何品(虎鸣)

来 源 | 大淘宝技术团队


导语:通过抽象和组合,我们可以编写出更加简洁、易于理解和稳定的代码。类似于金字塔的建筑过程,我们总是可以在一层抽象之上再叠加一层,从而达到自己的目的。但是在日常的开发工作中,我们如何进行实践呢?本文将以笔者在Akka项目中的一段社区贡献作为引子分享笔者的一点心得。


01 场景


通常,为了简化我们对数据流的处理,我们可能会使用Java8中首次引入的Stream、或者是Kotlin、Scala等编程语言中提供的更加丰富的集合库,亦或者使用反应式流的相关三方库来简化工作。虽然这些类库已经提供了丰富的操作符,但是我们依然会在工作中遇到一些未提供合适操作符的场景。比如:


  • 在直播场景下,需要对某些类型的消息进行缓冲和聚合,一段时间内的多个点赞合并为1个点赞,并且在处理了N个消息的时候进行整体发送,保障整体的扩散量级维持在一个平稳的水平。

  • 在IOT场景中,接收来自终端设备上报的数据,并返回当前的数据和前值,或者最近3个值,从而计算其中的变化趋势。此时我们可能会使用反应式流库中提供的:zipWithNext、zipWithPrevious、zipWithPreviousAndNext,或者是sliding。

  • 在建立一个聊天室的时候,如果用户输入bye,则让用户断开连接,离开聊天室,那么这个时候我们可能会使用takeWhile。

  • 假设我们有一组SQL,我们需要按照顺序执行,并合并他们的结果,并在处理完成后关闭对应的数据库连接,这时我们可能会用mapWithResource,using(资源安全)。

  • 当处理文件、写入数据库等使用资源的时候,我们需要打开一个文件或获取一个数据库连接,将数据写入,然后在处理完成后关闭对应的资源,这时我们可能会使用foldResource(资源安全)。

  • 假设需要对数据进行分批,每3个元素一批,进行打包,这个时候我们可能会使用 batch(3)。

  • 假设我们需要将元素和每个元素的下标结合在一起,这个时候我们可能需要使用 zipWithIndex。

  • 假设我们需要缓存元素,并在指定条件满足前一直缓存,我们可能需要 bufferUntil(predicate)、bufferWhile(predicate)。

  • 假设我们需要缓存元素,直到数据变更,把相同项合并在一起,我们可能需要 bufferUtilChanged。

  • 假设我们需要对所有的元素进行去重,或者去掉连续的重复元素,我们可能会需要用到distinct、distinctUntilChanged。

  • 假设我们只需要返回前N个元素,我们可能需要使用limit(N)、take(N),或者按照条件takeWhile、takeUntil。

  • 假设我们需要跳过前N个元素,我们可能需要使用skip(N)、drop(N),或者按照条件dropWhile、dropUntil。

  • ……


我们可以看到,上面这些操作符,每个都拥有具体的语义,虽然看起来只是一个简单的方法,但是如果需要我们完全自主实现,也有不小的难度,比如zipWithNext、zipWithPrevious、zipWithPreviousAndNext在Reactor-core目前的发行版本中就没有直接提供,而和资源相关的,Reactor-core中则只有一个using。


下面我们思考一下如何实现这些操作符。


02 分析


作为程序员,第一件事情,肯定就是Ctrl+C ,第二件事就是Ctrl+V,第三件事就是Commit&Push。然而,事情并没有这么简单。


难点有:


  • 反应式流操作符需要完整实现反应式流的规范、并通过默认的测试套件的验证。

  • 操作符需要尽可能的抽象和可组合。

  • 无论是单线程还是并发场景下都拥有正确的行为和语义、并有完整单元测试覆盖。

  • 操作符的实现需要尽可能的具备最高效的性能。



比如,以zipWithIndex举例,在Reactor-core中有FluxIndexFuseable(370行代码)和 FluxIndex(296行代码)两个实现。而且清晰的处理了各种情况。而其他操作符也有类似:release 3.4.23


  • FluxBuffer—— 575行代码

  • FluxBufferPredicate—— 464 行代码

  • FluxDistinct—— 609行代码

  • FluxDistinctFuseable—— 70行代码

  • FluxDistinctUntilChanged—— 337 行代码

  • FluxUsing—— 583 行代码


如果要实现一个zipWithNext自定义操作符 ,应该也有接近的工作量。这样的工作强度,个人认为无论是在代码审查还是后期的维护都是一个大问题。


为此,我认为需要一个新的抽象,来对上面的这些操作进行进一步的抽象。然后再这个之上,通过使用和组合其他的操作,从而更简单的实现自定义操作符。


03 解法


所有上面的这些都可以抽象为:


  • 带有状态,且线程安全;

  • 状态可变,且根据状态的不同,对输入应用不同的操作,产生不同的值;

  • 可以提前结束、或者对不满足条件的值进行选择性丢弃;

  • 有完整的生命周期;

  • 在结束时可以根据内部状态而产生可选的值,而不会丢失内部状态。



经过分析,这里可以表达为 : 状态 + 输入 -(应用行为)-> 新的状态 + 输出,这样再加上onCraete、onComplete生命周期函数,就可以完整表达。而提前结束等行为,则可以通过组合takeWhile实现。我们将方法命名为:statefulMap,声明如下:


public <S, InOut> statefulMap(
    java.util.function.Supplier<S> create,
    java.util.function.BiFunction<S, In, Pair<S, Out>> f,
    java.util.function.Function<SOptional<Out>> onComplete){...}


让我们看一下如何通过这个方法来实现zipWithIndex。


3.1 实现zipWithIndex (indexed)

Source.from(Arrays.asList("A""B""C""D"))


    .statefulMap(
        () -> 0L,
        (index, element) -> Pair.create(index + 1, Pair.create(element, index)),
        indexOnComplete -> Optional.empty())


    .runForeach(System.out::println, system);
// prints
// Pair(A,0)
// Pair(B,1)
// Pair(C,2)
// Pair(D,3)


也可以实现zipWithNext、zipWithPreviousAndNext。然后下面我们再看看如何实现较为复杂的bufferUntilChanged。


3.2 实现bufferUntilChanged

Source.from(Arrays.asList("A""B""B""C""C""C""D"))


    .statefulMap(
        () -> (List<String>) new LinkedList<String>(),
        (buffer, element) -> {
          if (buffer.size() > 0 && (!buffer.get(0).equals(element))) {
            return Pair.create(
                new LinkedList<>(Collections.singletonList(element)),
                Collections.unmodifiableList(buffer));
          } else {
            buffer.add(element);
            return Pair.create(buffer, Collections.<String>emptyList());
          }
        },
        Optional::ofNullable)
    .filterNot(List::isEmpty)

    .runForeach(System.out::println, system);
// prints
// [A]
// [B, B]
// [C, C, C]
// [D]


3.3 实现distinctUntilChanged

Source.from(Arrays.asList("A""B""B""C""C""C""D"))


    .statefulMap(
        Optional::<String>empty,
        (lastElement, element) -> {
          if (lastElement.isPresent() && lastElement.get().equals(element)) {
            return Pair.create(lastElement, Optional.<String>empty());
          } else {
            return Pair.create(Optional.of(element), Optional.of(element));
          }
        },
        listOnComplete -> Optional.empty())
    .via(Flow.flattenOptional())


    .runForeach(System.out::println, system);
// prints
// A
// B
// C
// D


3.4 实现buffer

Source.fromJavaStream(() -> IntStream.rangeClosed(110))


    .statefulMap(
        () -> new ArrayList<Integer>(3),
        (list, element) -> {
          list.add(element);
          if (list.size() == 3) {
            return Pair.create(new ArrayList<Integer>(3), Collections.unmodifiableList(list));
          } else {
            return Pair.create(list, Collections.<Integer>emptyList());
          }
        },
        listOnComplete -> Optional.ofNullable(listOnComplete))
    .filterNot(List::isEmpty)


    .runForeach(System.out::println, system);
// prints
List(123)
List(456)
List(789)
List(10)


04 更复杂的例子:处理资源


在前面看了如何实现zipWithIndex 、bufferUntilChanged之后,让我们进一步看看如何优雅和安全地处理资源。在任何的编程语言和框架中,资源的处理都是非常基础但是又很棘手的事项。在Java 7中首次引入了try-with-resources语法,对资源处理进行了一定程度的简化,而在反应式流中,我们又应该如何的操作呢?这里我们可以分为两种情况:


1)针对流中的每个元素都创建一个新的资源,使用这个资源,关闭这个资源。


2)针对整个流创建一个资源,并在处理流中的每个元素时使用这个资源,并在流的生命周期结束后,关闭这个资源。



因为资源通常开销较大且需要妥善管理,所以在开发过程中,我们更容易遇到的是第二种情况,即资源的创建和销毁和流的生命周期进行了绑定。反应式流中的资源管理,还有更多的细节需要考虑:


  • 资源的初始化和关闭需要支持并发安全;反应式流可以被多次物化,被多个下游订阅者订阅和处理,并且以任意的顺序进行取消订阅,需要在各种情况下(上游完成、下游取消、处理异常等)等情况下妥善的创建和销毁资源。

  • 在流生命周期的各个阶段安全地创建和销毁资源,比如:即使在创建资源或者销毁资源的时触发了异常,也不会对同一个资源关闭多次。

  • 支持异步从而提高资源使用的效率。

  • 感知流的生命周期,支持在关闭资源时提供可选的值给到下游以标识流的结束,比如处理文件时,使用一个特殊的标识符标识文件的结尾。



综合上面的这些诉求,对应的代码就会变得很复杂,大家可以用一点时间思考:如果是自己独立实现类似的操作需要做出那些努力呢?在现实的开发过程中,我们遇到的诉求很多时候并非一起提出,而时随着迭代接踵而至,那么如果当初的代码编写的不是很易于扩展,拥有良好的测试,则可能按下葫芦浮起瓢。



比如在reactor-core中就有如下的using操作符:


  public static <T, D> Mono<T> using(
    Callable<? extends D> resourceSupplier,
    Function<? super D, ? extends Mono<? extends T>> sourceSupplier,
    Consumer<? super D> resourceCleanup) {...}


  • resourceSupplier针对每个订阅者,创建一个资源。

  • sourceSupplier结合创建的资源,产生对应的元素。

  • resourceCleanup取消订阅或者流完成时,清理对应的资源。


在reactor-core中,对应的底层实现为MonoUsing共360行代码,而要实现我们想要的逻辑,我们还需要和另一个流进行合并,即这里的using类似于unfoldResource。那么有没有可能使用更加简单的方案来进行实现呢?答案是肯定的,和前面的几个操作符一样,我们可以使用statefulMap来实现mapWithResource,思维过程如下:


  • using/mapWithResource的生命周期管理和statefulMap的create和 onComplete方法对应,针对资源,onComplete方法可以被命名为更加贴切的release/close/cleanUp。

  • 在流中使用的资源,我们可以认为是一个状态,只不过这个状态在流的整个生命周期中不再变化,一直是create方法中返回的Resource。

  • 在关闭资源时,我们可以通过返回一个Optional<Out>来返回一个可选的值。

  • 对并发资源的异步处理,则可以通过返回一个CompletionStage<Out>而非Out来实现,在using方法中,我们返回的是一个Mono<T>。


经过上面的思维过程,我们不难得出这个流上的方法的声明可以为:


public <R, In, Out> mapWithResource(
  Supplier<? extends R> create,
  BiFunction<? super R, ? super In, ? extends Out> function,
  Function<? super R, ? extends Optional<? extends Out> close) {...}


  • resourceSupplier针对每个订阅者/每次物化,创建一个资源。

  • function使用create中创建的资源处理流中的每个元素。

  • close在流关闭的同时关闭资源,并再向下游提供一个可选的值。


具体的的实现这里留空,感兴趣的小伙伴可以结合前面的例子进行实现。下面我们看一下如何使用这个mapWithResource方法,从而加深大家的理解。


4.1 使用mapWithResource


假设我们有一组SQL需要进行处理,我们需要从数据库中的多个表中查询对应的结果,并将最终结果进行合并和输出到控制台。在mapWithResource的帮助下,我们可以极大的简化我们的代码:


Source.from(
            Arrays.asList(
                "SELECT * FROM shop ORDER BY article-0000 order by gmtModified desc limit 100;",
                "SELECT * FROM shop ORDER BY article-0001 order by gmtModified desc limit 100;"))
        .mapWithResource(
            () -> dbDriver.create(url, userName, password),
            (connection, query) -> db.doQuery(connection, query).toList(),
            connection -> {
              connection.close();
              return Optional.empty();
            })
        .mapConcat(elems -> elems)
        .runForeach(System.out::println, system);


在上面的例子中:我们有一组预先定义好的SQL,分别从多个表中读取最新的100条数据,通过使用mapWithResource ,我们优雅地为每个流创建了db相关的连接,并进行对应的查询操作,并合并查询结果,在流处理完成后,关闭对应的资源。上面的代码通过复用我们前面编写的mapWithResource将复杂资源和生命周期管理进行了简化,作为对比,大家可以思考一下如果我们不使用已有抽象所需要付出的努力。


05 总结


在上面的例子中,我们通过statefulMap以及和其他的操作符相互组合,实现了很多和状态、生命周期相关的操作符,而代码量则大大减少。基于一个经过考验的操作符来编写自定义操作符,也能进一步降低出错的概率,以及代码审查的难度,而相关的操作符都是通过一个底层的statefulMap来实现。


映射到我们的工作中则是尽可能地抽象、提炼,对系统的核心模型、核心功能进行打磨,从而每个应用都有一个精巧的内核,并和其他的应用构成丰富的生态,而非上来就复制粘贴重复造轮子。


虽然有时我们可能没有足够的时间来进一步抽象,而是业务先行。但是我依然建议,在后续的实践中,进行不断回顾和提炼,在保障系统稳定可靠、在有测试手段保障的情况下,进行逐步的重构,使得系统更加容易理解、维护和稳固。


笔者相信:磨刀不误砍柴工,在设计、方案review、测试和不断重构、精炼的过程中所花费的时间,一定会在将来多倍的回报。



↓立即免费试用云产品 开启云上实践之旅!

【声明】内容源于网络
0
0
阿里云云栖号
云栖官方内容平台,汇聚云栖365优质内容。
内容 3553
粉丝 0
阿里云云栖号 云栖官方内容平台,汇聚云栖365优质内容。
总阅读366
粉丝0
内容3.6k