阐述 `Reactive Programming` (`RxJS`) 中 `Operators` 的 `Lift` 机制和 `Hot/Cold Observables` 的区别。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

观众朋友们，大家好！我是今天的主讲人，很高兴能和大家一起聊聊响应式编程（Reactive Programming）中两个非常重要的概念：Operators 的 Lift 机制和 Hot/Cold Observables 的区别。准备好了吗？ Let’s dive in!

第一部分： Operators 的 Lift 机制 – 响应式变形金刚的秘密武器

想象一下，你的数据流就像一条河流，而 RxJS 的 Operators 就像变形金刚，可以改变这条河流的形态，让它变成你想要的样子。但是，这些变形金刚是怎么运作的呢？这就要归功于 Lift 机制了。

1. 什么是 Operator？

首先，我们要明确什么是 Operator。简单来说，Operator 就是一个函数，它接收一个 Observable 作为输入，然后返回一个新的 Observable。比如 map、filter、reduce 等等，它们都是 Operator。

// 一个简单的 map Operator
import { of } from 'rxjs';
import { map } from 'rxjs/operators';

const numbers$ = of(1, 2, 3, 4, 5); // 创建一个 Observable，发出数字 1 到 5

const squaredNumbers$ = numbers$.pipe(
  map(x => x * x) // 使用 map Operator 将每个数字平方
);

squaredNumbers$.subscribe(value => console.log(value)); // 输出：1, 4, 9, 16, 25

在这个例子中，map(x => x * x) 就是一个 Operator。它接收 numbers$ 这个 Observable，然后返回一个新的 Observable squaredNumbers$，这个新的 Observable 发出的值是原 Observable 发出值的平方。

2. Lift 机制：Operator 的幕后英雄

Lift 机制是 RxJS 中实现 Operator 链接的关键。它就像一个工厂，负责创建新的 Observable 实例，并将它们连接在一起，形成一个处理链条。

Lift 的核心思想:

当你在一个 Observable 上应用一个 Operator 时，RxJS 并不会直接修改原始的 Observable。而是会创建一个新的 Observable，并将原始 Observable 作为新 Observable 的一个 "源"。这个新的 Observable 知道如何将原始 Observable 发出的值进行转换，然后将转换后的值发出。

代码示例：深入 Lift 的内部

为了更好地理解 Lift 机制，我们可以模拟一下 RxJS 内部是如何实现的。让我们创建一个简单的 MyMapOperator 和 MyObservable 类。

class MyObservable<T> {
  constructor(private _subscribe: (observer: MyObserver<T>) => void) {}

  subscribe(observer: MyObserver<T>): void {
    this._subscribe(observer);
  }

  pipe(...operators: ((source: MyObservable<T>) => MyObservable<any>)[]): MyObservable<any> {
    let source: MyObservable<any> = this;
    for (const operator of operators) {
      source = operator(source);
    }
    return source;
  }

  lift<R>(operator: MyOperator<T, R>): MyObservable<R> {
    const observable = new MyObservable<R>(subscriber => {
      const sub = operator.call(subscriber, this);
      return sub;
    });
    return observable;
  }
}

interface MyObserver<T> {
  next: (value: T) => void;
  error: (err: any) => void;
  complete: () => void;
}

interface MyOperator<T, R> {
  call(subscriber: MyObserver<R>, source: MyObservable<T>): any;
}

class MyMapOperator<T, R> implements MyOperator<T, R> {
  constructor(private project: (value: T) => R) {}

  call(subscriber: MyObserver<R>, source: MyObservable<T>): any {
    const mapSubscriber = new MyMapSubscriber(subscriber, this.project);
    source.subscribe(mapSubscriber);
    return mapSubscriber;
  }
}

class MyMapSubscriber<T, R> implements MyObserver<T> {
  constructor(private destination: MyObserver<R>, private project: (value: T) => R) {}

  next(value: T): void {
    try {
      const result = this.project(value);
      this.destination.next(result);
    } catch (err) {
      this.destination.error(err);
    }
  }

  error(err: any): void {
    this.destination.error(err);
  }

  complete(): void {
    this.destination.complete();
  }
}

function myMap<T, R>(project: (value: T) => R): (source: MyObservable<T>) => MyObservable<R> {
  return (source: MyObservable<T>) => {
    const operator = new MyMapOperator(project);
    return source.lift(operator);
  };
}

// 使用示例
const myOf = <T>(...args: T[]) => {
  return new MyObservable<T>(subscriber => {
    for (const arg of args) {
      subscriber.next(arg);
    }
    subscriber.complete();
  });
};

const numbers$ = myOf(1, 2, 3, 4, 5);

const squaredNumbers$ = numbers$.pipe(myMap(x => x * x));

squaredNumbers$.subscribe({
  next: value => console.log(value),
  error: err => console.error(err),
  complete: () => console.log('Completed')
});

这段代码模拟了 RxJS 中 map Operator 的 Lift 过程。关键点如下：

MyObservable.lift(): 这个方法创建了一个新的 MyObservable 实例，并将 MyOperator 实例传递给它。
MyMapOperator.call(): 这个方法创建了一个 MyMapSubscriber 实例，并将原始 Observable 订阅到这个 Subscriber 上。
MyMapSubscriber.next(): 这个方法接收原始 Observable 发出的值，使用 project 函数进行转换，然后将转换后的值传递给下游的 Observer。

通过 Lift 机制，RxJS 可以将多个 Operator 链接在一起，形成一个复杂的处理链条。每个 Operator 只需要关注自己的转换逻辑，而不需要关心如何与其他 Operator 交互。

3. Lift 的优势

链式调用: Lift 机制使得 Operator 可以链式调用，代码更加简洁易读。
延迟执行: Operator 的执行是延迟的，只有当 Observable 被订阅时才会开始执行。
可组合性: Lift 机制使得 Operator 可以很容易地组合在一起，形成更复杂的处理逻辑。
优化: Lift 允许 RxJS 在内部进行优化，例如合并相邻的 operators，减少不必要的中间 Observable 的创建。

总结：Lift 机制是 RxJS 的核心

Lift 机制是 RxJS 中实现 Operator 链接的关键。它使得 Operator 可以链式调用、延迟执行、可组合，并且允许内部优化。理解 Lift 机制可以帮助我们更好地理解 RxJS 的内部运作机制，从而更好地使用 RxJS。

第二部分： Hot vs Cold Observables – 响应式世界的温度计

现在我们来聊聊 Hot 和 Cold Observables。它们就像响应式世界的温度计，决定了 Observable 的行为。

1. Cold Observables：私有订制，现做现卖

Cold Observable 就像一家私人订制的小店，每次有人订阅它，它都会从头开始生产一份新的数据。也就是说，每个订阅者都会收到一份独立的数据流。

特点：

数据源是 "冷的": 数据源是在订阅时才创建的。
每个订阅者都收到一份独立的数据流: 每个订阅者都会从头开始接收数据。
副作用是可预测的: 由于每个订阅者都收到一份独立的数据流，因此副作用是可预测的。

代码示例：Cold Observable

import { interval } from 'rxjs';

// interval 是一个 Cold Observable
const interval$ = interval(1000); // 每隔 1 秒发出一个数字

// 第一个订阅者
interval$.subscribe(value => console.log('Subscriber 1:', value));

// 等待 3 秒
setTimeout(() => {
  // 第二个订阅者
  interval$.subscribe(value => console.log('Subscriber 2:', value));
}, 3000);

在这个例子中，interval(1000) 创建了一个 Cold Observable。当第一个订阅者订阅时，它会从 0 开始发出数字。当第二个订阅者在 3 秒后订阅时，它也会从 0 开始发出数字。也就是说，每个订阅者都收到了一份独立的数据流。

常见的 Cold Observables:

interval
timer
from (当参数是数组或字符串时)
ajax (大多数情况下)

2. Hot Observables：共享资源，广播推送

Hot Observable 就像一个广播电台，它只有一个数据源，并将数据广播给所有的订阅者。也就是说，所有的订阅者共享同一个数据流。

特点：

数据源是 "热的": 数据源是在 Observable 创建时就存在的。
所有订阅者共享同一个数据流: 所有订阅者接收到的数据是相同的。
副作用是共享的: 由于所有订阅者共享同一个数据流，因此副作用也是共享的。

代码示例：Hot Observable

import { Subject } from 'rxjs';

// Subject 是一个 Hot Observable
const subject = new Subject<number>();

// 第一个订阅者
subject.subscribe(value => console.log('Subscriber 1:', value));

// 第二个订阅者
subject.subscribe(value => console.log('Subscriber 2:', value));

// 发出数据
subject.next(1);
subject.next(2);
subject.next(3);

在这个例子中，Subject 是一个 Hot Observable。当我们使用 subject.next() 发出数据时，所有订阅者都会收到相同的数据。

常见的 Hot Observables:

Subject
BehaviorSubject
ReplaySubject
WebSocket
DOM 事件 (例如 click 事件)

3. 将 Cold Observable 转换为 Hot Observable

有时候，我们需要将一个 Cold Observable 转换为 Hot Observable，以便实现数据的共享。 RxJS 提供了多种方法来实现这一点，例如 share、publish、multicast 等等。

使用 share 操作符

import { interval } from 'rxjs';
import { share } from 'rxjs/operators';

const interval$ = interval(1000); // Cold Observable

const sharedInterval$ = interval$.pipe(share()); // 转换为 Hot Observable

// 第一个订阅者
sharedInterval$.subscribe(value => console.log('Subscriber 1:', value));

// 等待 3 秒
setTimeout(() => {
  // 第二个订阅者
  sharedInterval$.subscribe(value => console.log('Subscriber 2:', value));
}, 3000);

在这个例子中，我们使用 share() 操作符将 interval$ 这个 Cold Observable 转换为 sharedInterval$ 这个 Hot Observable。这样，所有的订阅者都会共享同一个数据流。第二个订阅者会从当前计数开始接收数据，而不是从 0 开始。

4. Hot vs Cold: 一个表格总结

为了更好地理解 Hot 和 Cold Observables 的区别，我们用一个表格来总结一下：

特性	Cold Observable	Hot Observable
数据源	订阅时创建	创建 Observable 时已存在
数据流	每个订阅者独立的数据流	所有订阅者共享同一个数据流
副作用	每个订阅者独立的副作用	所有订阅者共享同一个副作用
适用场景	需要为每个订阅者提供独立数据流的场景	需要共享数据流的场景，例如事件流、WebSocket 等
例子	`interval`, `timer`, `from` (数组/字符串), `ajax`	`Subject`, `BehaviorSubject`, `ReplaySubject`, DOM 事件

5. 选择 Hot 还是 Cold？

选择 Hot 还是 Cold Observable 取决于你的具体需求。

如果每个订阅者需要独立的数据流，例如从服务器获取数据，或者执行一些副作用操作，那么应该使用 Cold Observable。
如果需要共享数据流，例如处理用户交互事件，或者连接到 WebSocket 服务器，那么应该使用 Hot Observable。

总结：理解 Hot 和 Cold 的重要性

理解 Hot 和 Cold Observables 的区别对于编写正确的 RxJS 代码至关重要。错误地使用 Hot 或 Cold Observable 可能会导致意想不到的行为，例如数据丢失、重复执行副作用等等。因此，在选择 Observable 类型时，一定要仔细考虑你的具体需求。

第三部分：案例分析

现在让我们通过一些实际的案例来更好地理解 Lift 机制和 Hot/Cold Observables 的区别。

案例 1：实时搜索

假设我们要实现一个实时搜索功能，用户在输入框中输入关键字，然后我们根据关键字从服务器获取搜索结果，并将结果显示在页面上。

import { fromEvent } from 'rxjs';
import { map, debounceTime, distinctUntilChanged, switchMap } from 'rxjs/operators';
import { ajax } from 'rxjs/ajax';

const searchInput = document.getElementById('search-input');

// 将输入框的 keyup 事件转换为 Observable
const keyup$ = fromEvent(searchInput, 'keyup');

const results$ = keyup$.pipe(
  map((event: any) => event.target.value), // 获取输入框的值
  debounceTime(300), // 延迟 300 毫秒，防止频繁请求
  distinctUntilChanged(), // 只有当输入框的值发生变化时才发出请求
  switchMap(keyword =>
    ajax.getJSON(`https://api.example.com/search?q=${keyword}`) // 使用 ajax 获取搜索结果
  )
);

results$.subscribe(results => {
  // 将搜索结果显示在页面上
  console.log(results);
});

在这个例子中，fromEvent 创建了一个 Cold Observable，它代表输入框的 keyup 事件流。当用户在输入框中输入关键字时，keyup$ 会发出一个新的值。然后，我们使用 map、debounceTime、distinctUntilChanged 和 switchMap 等 Operator 对数据流进行转换。

map: 将 keyup 事件转换为输入框的值。
debounceTime: 延迟 300 毫秒，防止频繁请求。
distinctUntilChanged: 只有当输入框的值发生变化时才发出请求。
switchMap: 取消之前的请求，只保留最新的请求。

ajax.getJSON 创建了一个 Cold Observable，它代表一个 HTTP 请求。每次 switchMap 接收到一个新的关键字时，它会创建一个新的 HTTP 请求，并取消之前的请求。这样可以保证我们只获取最新的搜索结果。

案例 2：共享 WebSocket 连接

假设我们要连接到一个 WebSocket 服务器，并接收服务器发送的数据。我们希望所有的组件共享同一个 WebSocket 连接。

import { webSocket } from 'rxjs/webSocket';
import { Subject } from 'rxjs';

const socketSubject = new Subject();
const socket$ = webSocket('ws://example.com/socket');

socket$.subscribe(
  msg => socketSubject.next(msg),
  err => console.error(err),
  () => console.warn('complete')
);

// 组件 1
socketSubject.subscribe(message => {
  console.log('Component 1 received:', message);
});

// 组件 2
socketSubject.subscribe(message => {
  console.log('Component 2 received:', message);
});

在这个例子中，webSocket 创建了一个 Cold Observable，它代表一个 WebSocket 连接。但是，我们不直接订阅 webSocket$，而是使用 Subject 创建一个 Hot Observable，并将 webSocket$ 发出的数据传递给 Subject。这样，所有的组件都可以通过订阅 Subject 来共享同一个 WebSocket 连接。

总结

通过以上案例，我们可以看到 Lift 机制和 Hot/Cold Observables 在实际开发中的应用。理解这些概念可以帮助我们编写更加高效、可维护的 RxJS 代码。

尾声

好了，今天的讲座就到这里。希望大家通过今天的学习，对 RxJS 的 Lift 机制和 Hot/Cold Observables 有了更深入的理解。记住，掌握这些概念是成为 RxJS 高手的必经之路。感谢大家的参与！祝大家编程愉快！

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