我們知道，系統(tǒng)面對大流量、高并發(fā)的訪問請求時，就可能會出現(xiàn)一系列性能問題，導致服務喪失了即時的響應性。如何時刻確保系統(tǒng)具有應對請求壓力的能力，是架構設計的核心問題之一。

經(jīng)典的服務隔離、限流、降級以及熔斷等機制能夠在一定程度上確保系統(tǒng)的響應性。但這些機制更多的是從系統(tǒng)架構和應用部署的角度出發(fā)解決問題，而不是編程技術本身。今天我們要介紹的是構建系統(tǒng)響應性的一種嶄新的解決方案，這就是響應式編程（Reactive Programming）。

我們知道，傳統(tǒng)的編程模型采用的是同步阻塞式（Blocking）的請求響應過程，這是現(xiàn)有各種經(jīng)典解決方案所不得不面對的一種限制。 而響應式編程打破了這種限制，采用了異步非阻塞式（Non-Blocking）的編程模型，從而提高服務的響應能力。

這里提到了同步阻塞和異步非阻塞這兩個核心概念，正確理解這兩個概念是你掌握響應式編程的前提條件。所以接下來，我們就來看看響應式編程技術是如何基于它們誕生的。

為什么需要響應式編程？

如果你使用 Spring 框架開發(fā)過 Web 應用程序，那么你一定對下面這種開發(fā)方式非常熟悉：

public Order getRemoteOrderByOrderNumber(String orderNumber) {
      RestTemplate restTemplate = new RestTemplate();
      ResponseEntity<Order> result= restTemplate.exchange(
                    "http://orderservice/orders/{orderNumber}", HttpMethod.GET, null, Order.class, orderNumber);
      Order order= result.getBody();
      processOrder(order);
      return order;
}

這是一個查詢訂單（Order）信息的應用場景，我們使用了 Spring 中的 RestTemplate 模板工具類，通過該類所提供的 exchange() 方法對遠程 Web 服務所暴露的 HTTP 端點發(fā)起了請求。

這種實現(xiàn)方式在日常開發(fā)中非常有代表性， 基于 Spring Cloud 開發(fā)的微服務系統(tǒng)，本質(zhì)上，也是通過這種方式完成服務與服務之間的遠程調(diào)用。但是，這個方法實際上存在明顯的缺陷，因為處理過程是阻塞式的。

正是因為同步阻塞的存在才導致了異步非阻塞相關技術的誕生和發(fā)展，進而才有了今天要介紹的響應式編程技術。那么，究竟什么是阻塞式呢？

同步阻塞

我們首先來分析代碼中的線程模型，看看問題出在哪里。為了更好的分析整個調(diào)用過程，我們假設服務的提供者為服務 A，而服務的消費者為服務 B，那么這兩個服務的交互過程應該是這樣的。

服務 A 和服務 B 的交互過程圖

可以看到，當服務 B 向服務 A 發(fā)送 HTTP 請求時，線程 B，只在發(fā)起請求和響應結(jié)果的一小部分時間內(nèi)有效使用 CPU，而更多時間則是在阻塞式地等待來自服務 A 中線程的處理結(jié)果。顯然，整個過程的 CPU 利用效率是很低的，很多時間被浪費在了 I/O 阻塞上，無法執(zhí)行其他處理過程。

更進一步，我們繼續(xù)分析服務 A 中的處理過程。

如果我們采用典型的三層架構，那么沿著 Web 服務層->業(yè)務邏輯層->數(shù)據(jù)訪問層整個調(diào)用鏈路，每一步的操作過程都存在著前面描述的線程等待問題。也就是說，整個技術棧中的每一個環(huán)節(jié)都可能是同步阻塞的。

這樣的話，整個調(diào)用鏈路的資源利用率都會變低，導致請求的處理過程出現(xiàn)延遲，而喪失了我們想要的即時響應性。

Web 應用程序三層架構

異步非阻塞

為了解決同步阻塞問題，可以引入異步非阻塞的相關技術。異步非阻塞技術能夠通過多線程技術，將整個請求處理過程交由不同線程并行處理，提高了系統(tǒng)資源利用率。

在 Java 世界中，一般會采用回調(diào)（Callback）和 Future 這兩種機制，但這兩種機制都存在一定局限性：

回調(diào)的核心問題在于，處理過程會形成一種嵌套結(jié)構，給代碼的開發(fā)和調(diào)試帶來很大的挑戰(zhàn)。

Future 機制本質(zhì)上是一種多線程技術，大量線程之間的相互協(xié)作需要頻繁進行上下文切換，同樣會導致資源利用效率低下。

其實引入響應式編程技術，我們就可以很好地解決這種類型的問題。

響應式編程采用全新的響應式數(shù)據(jù)流（Stream），實現(xiàn)異步非阻塞式的網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)訪問機制，能夠減低不必要的線程等待時間。那么，所謂的響應式編程到底是什么樣子的呢？

什么是響應式編程？

響應式編程技術的核心是數(shù)據(jù)流，而數(shù)據(jù)流又是構建在傳統(tǒng)的事件驅(qū)動架構與發(fā)布訂閱模式之上。在講解響應式編程技術之前，我們先來看一下發(fā)布訂閱模式和事件處理相關的技術體系。

發(fā)布訂閱模式和事件處理

相信你應該對設計模式中經(jīng)典的觀察者模式不陌生。觀察者模式擁有一個主題（Subject）以及針對這個主題的一個依賴者列表，這些依賴者被稱為觀察者（Observer）。

而發(fā)布訂閱（Publish-Subscribe）模式可以認為是對觀察者模式的一種改進。在這種模式中，發(fā)布者和訂閱者相互之間可以沒有直接的依賴關系，而是通過發(fā)送事件到事件處理平臺上完成整合。

針對開頭提到的訂單查詢操作，我們可以基于發(fā)布訂閱模式重構流程。通過構建發(fā)布訂閱模式以及事件處理平臺，我們具備了傳播和處理異步事件的能力，從而為實現(xiàn)響應式編程提供了基礎。（圖 3）

發(fā)布 - 訂閱模式下的訂單信息獲取過程

再來看單個服務的內(nèi)部，在三層架構中整個調(diào)用鏈路同樣可以用發(fā)布訂閱模式來重構。這時，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一有變化就會通知到上游組件，而不是上游組件通過主動拉取的方式獲取數(shù)據(jù)。這樣做相當于，讓處于調(diào)用鏈路中的各個組件由同步調(diào)用轉(zhuǎn)化為了異步調(diào)用，圖中的虛線和箭頭方向表達了這層含義。

基于響應式實現(xiàn)方法的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)時序圖

數(shù)據(jù)流和響應式

顯然，上圖中異步事件傳播的思想可以擴展到整個系統(tǒng)。

你可以想象系統(tǒng)中會存在著很多類似 OderEvent 這樣的事件。每一種事件會被用戶的操作或者系統(tǒng)自身的行為觸發(fā)，并形成了事件的集合。我們可以把這個集合看成是一串串連起來的數(shù)據(jù)流，而系統(tǒng)的響應能力就體現(xiàn)在對這些數(shù)據(jù)流的即時響應過程上。

全流程數(shù)據(jù)流示意圖

對于技術實現(xiàn)過程而言，數(shù)據(jù)流是一個全流程的概念。也就是說，無論是底層數(shù)據(jù)庫、服務層、Web 服務層，或是在這個流程中所包含的任意中間層組件，整個數(shù)據(jù)傳遞鏈路都應該采用事件驅(qū)動的方式來運作。這樣，我們就可以不用傳統(tǒng)的同步調(diào)用的方式來處理數(shù)據(jù)，而是由處于全流程中的各層組件自行執(zhí)行事件，實現(xiàn)了全流程的異步非阻塞處理機制。這就是響應式編程的核心特點。

相較傳統(tǒng)開發(fā)普遍采用的“拉”模式，在響應式編程下，基于事件的觸發(fā)和訂閱機制，這就形成了一種類似“推”的工作方式。

推模式下的數(shù)據(jù)流處理方式示意圖

這種工作方式的優(yōu)勢就在于，生成事件和消費事件的過程是異步執(zhí)行的，所以線程的生命周期都很短，也就意味著資源之間的競爭關系較少，服務器的響應能力也就越高。這就是響應式編程的精髓，也是解決系統(tǒng)性能問題的關鍵所在。

講到這里，你可能會問，我們?nèi)绾蝸硎褂庙憫骄幊碳夹g來開發(fā)業(yè)務系統(tǒng)呢？不用擔心，到目前為止，業(yè)界已經(jīng)誕生了諸如 RxJava、Project Reactor、Akka 等一大批優(yōu)秀的響應式編程框架。

而在 Spring 5 中，也引入了 WebFlux、Reactive Spring Data 等新一代的編程組件來實現(xiàn)響應式 Web 服務和響應式數(shù)據(jù)訪問。這種框架和工具，可以很好的解決傳統(tǒng)同步阻塞式處理方式所存在的性能問題。

總結(jié)

今天我們系統(tǒng)分析了傳統(tǒng)服務調(diào)用存在的問題，從而引出響應式編程概念和實現(xiàn)方法。

從技術演進的過程和趨勢而言，響應式編程的出現(xiàn)有其必然性。

但是響應式編程也不是一種完全顛覆式的技術體系，而是在現(xiàn)有的異步調(diào)用、觀察者模式、發(fā)布訂閱模式等的基礎上發(fā)展起來的一種全新的編程模式，能夠給系統(tǒng)帶來即時響應性的優(yōu)點。