2015/08/31

Reactive Programming 響應式程式設計方法

Reactive Programming 是以 data flow 以及傳遞資料改變這兩點為核心，提出的一種 programming paradigm，尤其在 GUI Programming 的領域中，簡易的 Reactive Programming Model，讓 Programmer 能用更直覺的方式，取得資料的串流，並能跟著時間的流動，改變整個畫面的呈現結果。

Imperative vs Reactive Programming

在程式中，如果寫下

b:=2;
c:=3;
a:=b+c
// a 為 5

這個 statement，這時候 a 的結果就會等於 b+c 的運算結果，也就是 5。

然而如果在後面 b 或 c 改變了自己的數值

b:=3;
// a 為 5 或 6?

程式並 "沒有" 再寫一次 a:=b+c，如果 a 還是一樣保持不變，還是等於 5，這就是 imerative programming。

但是如果 a 自動跟著 b 的數值改變，自動再次運算了 b+c，a 自動變成了 6，這就是 reactive programming。

Excel, Spreadsheet

Reactive Programming 乍看起來有點奇怪，這跟我們學習過的程式語言 C 或是 Java 根本都不一樣，變數不應該隨著另一個變數自動改變自己。

但其實有用過 Office Excel 或是其他 Spreadsheet 試算表軟體的使用者，就已經是在做 Reactive Programming了。

在下面的例子中，C1 設定為 A1 + B1 這兩個儲存格的總和，當 A1 的數值改變時，C1 也會自動改變結果。

Office Excel 是辦公室的試算軟體，換句話說，Reactive Programming 其實是比較人性化的程式設計方法，而 Imperative Programming 是為了避免程式設計師撰寫程式時出錯，而刻意將自己簡化的結果。

畢竟當我們撰寫程式時，寫下這樣的 statements 的時候，沒有一個人會直覺地認為 a 的結果會是 6，因為大腦線性運算的結果，只會記得 a 是 5。

b:=2;
c:=3;
a:=b+c
b:=3;

那為什麼又討論起 Reactive Programming 呢？這跟最近幾年流行起來的 Functional Programming 有關係。

Functional Reactive Programming

回到剛剛的 Excel 範例，其實 C1 儲存格隱藏著一個意義，就是 C1 := SUM(A1 + B1)，C1 永遠會等於後面這個 function 的運算結果。

在不支援 Reactive Programming 中，要實作出 Reactive 的功能，必須要用 Observer Design Pattern，程式中向原始資料，註冊 Observer，當原始資料異動時，就會呼叫 Observer 的 Lisener Function，主動進行對應的資料異動處理。

也許有人會想，Functional Programming 的基本原則，變數應該都是 immutable value，為什麼會有 Functional Reactive Programming 呢？

Functional Programming 將 Function 視為 first class citizens，而 Function Reactive Programming 並不是單純地將 Reactive 的概念用在變數上，而是將資料視為一個 time-varying values，依照時間變動的數值。

這個互動模式最常見於 GUI 的實作上，FRP 定義了兩種會跟著時間改變的資料：events 與 behaviors。

events 代表一個特定時間的數值，例如使用者在鍵盤上敲了一個鍵，就產生了一個 Event Char，並以 (t, 'a') 來表示這個 event。實際上的程式並不直接處理 event，而是處理 event stream，因為時間的連續性，讓鍵盤輸入資料也變成了一個無限的資料串流。
behaviors 代表跟著時間持續變動的數值，例如滑鼠游標的位置，因為滑鼠的位置是永遠存在的，而且永遠一直在改變，所以我們可隨著時間的流動，持續取得滑鼠的位置串流。

針對跟著時間流動產生的數值串流寫的程式，其實不需要 Functional Language 也可以撰寫，將 Functional 結合 Reactive Programming 的優勢在於，Functional Language 能夠直接 function 來進行運算，而這個 function 恰好可以表示有著無限資料的 stream，這可簡化大量的程式語法。