Spring Boot （十四）：响应式编程以及 Spring Boot Webflux 快速入门

2022-11-20 09:43:16

1. 什么是响应式编程

在计算机中，响应式编程或反应式编程（英语：Reactive programming）是一种面向数据流和变化传播的编程范式。这意味着可以在编程语言中很方便地表达静态或动态的数据流，而相关的计算模型会自动将变化的值通过数据流进行传播。

例如，在命令式编程环境中，a=b+c 表示将表达式的结果赋给 a，而之后改变 b 或 c 的值不会影响 a 。但在响应式编程中，a 的值会随着 b 或 c 的更新而更新。

响应式编程是基于异步和事件驱动的非阻塞程序，只需要在程序内启动少量线程扩展，而不是水平通过集群扩展。

设想一个场景，从底层数据库驱动，经过持久层、服务层、MVC层中的model，到用户的前端界面的元素，全部都采用声明式的编程范式，从而搭建一条能够传递变化的管道，这样我们只要更新一下数据库中的数据，用户的界面上就相应的发生变化，从而无需前端轮询才能获取到最新的数据。

简单来讲，我们以前写的程序是阻塞式的，当一个请求任务过来时，线程会阻塞，等到这个任务完成后再返回出去。而响应式编程则是一个请求任务过来时，会有其他的线程去做处理，当任务执行结束后再异步的通知回去。

2. 为什么要使用响应式编程

在如今互联网时代的大背景下，Web应用通常要面对高并发、海量数据的挑战，性能从来都是必须要考量的核心因素。

阻塞便是性能杀手之一。

多数人不认为阻塞是一个比较大的问题，至少觉得除了网络I/O之外，读写文件和数据库还是很快的，许多人也一直在写阻塞的代码。

那么 I/O 操作具体有多慢？

2.1 CPU眼中的时间

以下内容来源 https://blog.csdn.net/get_set/article/details/79466402

CPU绝对称得上是“闪电侠”，因为它们做事都有自己的一套时钟。我们故事的主人公是一个主频为2.5GHz的CPU，如果它的世界也有“秒”的概念，并且它的时钟跳一下为一秒，那么在CPU（CPU的一个核心）眼中的时间概念是啥样的呢？

CPU先生所在的组是硬件部计算组。对它来说，与其一起紧密合作的几个小伙伴还能跟的上它的节奏：

CPU先生很利索，只需要一秒就可以完成一个指令，复杂的动作可能需要多个指令。
好在“贴身秘书”一级缓存反应比较快，能够秒懂CPU先生的意思。
来自“秘书组”的二级缓存虽然要十几秒才能“get”到CPU先生的点，但也不算太迟钝。
和内存组的合作已经习以为常了，跟内存请求的数据通常要4-5分钟才能找到（内存寻址），不过也还好啦，毕竟一级缓存那里能拿到80%想要的数据，其余的二级缓存也能搞定一大部分，不怎么耽误事儿。

CPU先生是典型的工作狂，任务多的时候，通宵达旦也毫无怨言，但是有什么事情让它等，那简直要他命了。恰恰一起共事的其他组（尤其是I/O组的磁盘和网卡）相对来说那效率是低的离谱啊：

关于I/O组的同事，CPU先生已经抱怨很久了，每次找SSD要东西，都要花费4-5天才能找到（寻址），等到数据传送过来，几周都过去了。机械磁盘更是过分地离谱，跟他要个数据，竟然要平均花费10个月才能找到，如果要读取1M的数据，竟然要20个月！这种员工怎么还不下岗？！
关于网卡，CPU先生知道它们也尽力了，毕竟万兆网络成本颇高。与机房内的其他小伙伴们用千兆网络互相沟通也算顺畅，给另一台机器的CPU朋友发送1K的书信，最快七八个小时就可以送过去了。但是1K的书信经过层层包裹，实际也写不了多少话。更要命的是，网卡们的沟通手续繁杂，每次网络沟通前的 “你好能听到我吗？——我能听到，你那边能听到我吗？——我也能听到你，那我们开始吧！” 这样的握手确认都要花掉很长的时间，不过不能当面沟通，也只能这样了。这还好，最恐怖的是与其他城市的小伙伴沟通，有时候传递消息要花费好几年呢！

由此可见，对于CPU先生来说，想要让工作充实起来实在不容易，不过多亏了内存组的小伙伴帮忙分批缓存往返于I/O组的数据，矛盾才有所缓解。

这个图只能明显看出涉及I/O的时间条，我们转换成对数刻度的图看一下：

这个图并不是直观的比例，横轴上每个刻度是一个数量级，可见I/O的速度与CPU和内存相比是要差几个数量级的。由此可见，对于大型高并发场景下的Web应用，缓存有多重要，更高的缓存命中率就意味着性能。

并行化：使用更多的线程和硬件资源；
异步化：基于现有的资源来提高执行效率。

3. 基础概念

在介绍主题之前先普及几个概念：

3.1 Backpressure（背压）

背压是一种常用策略，使得发布者拥有无限制的缓冲区存储元素，用于确保发布者发布元素太快时，不会去压制订阅者。

3.2 Reactive Streams（响应式流）

一般由以下组成：

发布者：发布元素到订阅者
订阅者：消费元素
订阅：在发布者中，订阅被创建时，将与订阅者共享
处理器：发布者与订阅者之间处理数据

3.3 Mono 和 Flux

Mono：实现发布者，并返回 0 或 1 个元素
Flux：实现发布者，并返回 N 个元素

4. Spring Webflux

Spring Boot Webflux 是基于 Reactor 实现的。Spring Boot 2.0 包括一个新的 spring-webflux 模块。该模块包含对响应式 HTTP 和 WebSocket 客户端的支持，以及对 REST，HTML 和 WebSocket 交互等程序的支持。一般来说，Spring MVC 用于同步处理，Spring Webflux 用于异步处理。

Spring Boot Webflux 有两种编程模型实现，一种类似 Spring MVC 注解方式，另一种是使用其功能性端点方式。

4.1 适用性

一图就很明确了，WebFlux 和 MVC 有交集。但是注意：

MVC 能满足场景的，就不需要更改为 WebFlux。
要注意容器的支持，可以看看下面内嵌容器的支持。
微服务体系结构，WebFlux 和 MVC 可以混合使用。尤其开发 IO 密集型服务的时候，选择 WebFlux 去实现。

4.2 内嵌容器

跟 Spring Boot 大框架一样启动应用，但 WebFlux 默认是通过 Netty 启动，并且自动设置了默认端口为 8080。另外还提供了对 Jetty、Undertow 等容器的支持。开发者自行在添加对应的容器 Starter 组件依赖，即可配置并使用对应内嵌容器实例。

但是要注意，必须是 Servlet 3.1+ 容器，如 Tomcat、Jetty；或者非 Servlet 容器，如 Netty 和 Undertow。

4.3 数据库

支持 reactive 编程的数据库只有 MongoDB , redis , Cassandra , Couchbase 。

4.4 快速上手

工程依赖

代码清单：spring-boot-webflux/pom.xml

<dependency>

    <groupId>org.springframework.boot</groupId>

    <artifactId>spring-boot-starter-webflux</artifactId>

</dependency>

Service 类

代码清单：spring-boot-webflux/src/main/java/com/springboot/springbootwebflux/service/impl/UserServiceImpl.java

@Service

public class UserServiceImpl implements UserSerivice {

    private static Map<Long, User> map = new HashMap<>();

    static {

        map.put(1L, new User(1L, "www.geekdigging.com", 18));

        map.put(2L, new User(2L, "极客挖掘机", 28));

    }

    @Override

    public Mono<User> getUserById(Long id) {

        return Mono.just(map.get(id));

    }

}

Controller 类

代码清单：spring-boot-webflux/src/main/java/com/springboot/springbootwebflux/controller/UserController.java

@RestController

public class UserController {

    @Autowired

    UserSerivice userSerivice;

    @GetMapping("/getUserById/{id}")

    public Mono<User> getUserById(@PathVariable Long id) {

        return userSerivice.getUserById(id);

    }

}

通过上面的示例可以发现，开发模式和之前 Spring MVC 的模式差别不是很大，只是在方法的返回值上有所区别。