DynamicData: Изменяющиеся коллекции, шаблон проектирования MVVM и реактивные расширения

В феврале 2019 года состоялся релиз ReactiveUI 9  —  кроссплатформенного фреймворка для построения приложений с GUI на платформе Microsoft .NET. ReactiveUI  — это инструмент для тесной интеграции реактивных расширений с шаблоном проектирования MVVM. Знакомство с фреймворком можно начать с серии статей на Хабре или со вступительной страницы документации. Обновление ReactiveUI 9 включает в себя множество исправлений и улучшений, но, пожалуй, самое интересное и значимое изменение — тесная интеграция с фреймворком DynamicData, позволяющим работать с изменяющимися коллекциями в реактивном стиле. Попробуем разобраться, в каких случаях нам может пригодиться DynamicData и как устроен внутри этот мощный реактивный фреймворк!

Предпосылки

Для начала определим круг задач, решаемых DynamicData, и выясним, чем нас не устраивают стандартные инструменты для работы с изменяющимися наборами данных из пространства имён System.Collections.ObjectModel.

Шаблон MVVM, как известно, предполагает разделение ответственности между слоями модели, представления и модели представления приложения. Слой модели представлен доменными сущностями и сервисами, и ничего не знает про модель представления. Слой модели инкапсулирует в себе всю сложную логику приложения, а модель представления делегирует операции модели, предоставляя представлению доступ к информации о текущем состоянии приложения через наблюдаемые свойства, команды и коллекции. Стандартный инструмент для работы с изменяющимися свойствами — это интерфейс INotifyPropertyChanged, для работы с действиями пользователя — ICommand, а для работы с коллекциями — INotifyCollectionChanged и реализации ObservableCollection и ReadOnlyObservableCollection.



Реализация INotifyPropertyChanged и ICommand обычно остаётся на совести разработчика и применяемого MVVM фреймворка, а вот использование ObservableCollection накладывает на нас ряд ограничений! Например, мы не можем изменить коллекцию из фонового потока без Dispatcher.Invoke или схожего вызова, а это могло бы быть полезно в случае работы с массивами данных, которые синхронизирует с сервером некоторая фоновая операция. Необходимо заметить, что в идиоматичном MVVM слой модели не должен знать об используемой архитектуре GUI-приложения, и быть совместимым с моделью из MVC или MVP, и именно поэтому многочисленные Dispatcher.Invoke, позволяющие получить доступ к элементу управления пользовательского интерфейса из фонового потока, запущенного в доменном сервисе, нарушают принцип разделения ответственности между слоями приложения.

Конечно, в доменном сервисе можно было бы объявить event, а в качестве аргументов события передавать чанк с изменившимися данными. Затем подписаться на событие, завернуть вызов Dispatcher.Invoke в интерфейс, чтобы не зависеть от используемого GUI фреймворка, переместить Dispatcher.Invoke в модель представления и изменить ObservableCollection нужным образом, однако существует намного более простой и элегантный способ решения обозначенного круга задач без необходимости написания велосипеда. Приступим к изучению!

Реактивные расширения. Управляем потоками данных

Для полного понимания абстракций, вводимых DynamicData, и принципов работы с изменяющимися реактивными наборами данных, вспомним, что такое реактивное программирование и как его применять в контексте платформы Microsoft .NET и шаблона проектирования MVVM. Способ организации взаимодействия между компонентами программы может быть интерактивным и реактивным. При интерактивном взаимодействии функция-потребитель синхронно получает данные от функции-поставщика (pull-based подход, T, IEnumerable), а при реактивном взаимодействии функция-поставщик асинхронно поставляет данные функции-потребителю (push-based подход, Task, IObservable).



Реактивное программирование — это программирование с помощью асинхронных потоков данных, а реактивные расширения — частный случай его реализации, основанный на интерфейсах IObservable и IObserver из пространства имён System, определяющий ряд LINQ-подобных операций над интерфейсом IObservable, называемых LINQ over Observable. Реактивные расширения поддерживают .NET Standard и работают везде, где работает платформа Microsoft .NET.



Фреймворк ReactiveUI предлагает разработчикам прикладных приложений воспользоваться реактивной реализацией интерфейсов ICommand и INotifyPropertyChanged, предоставляя такие мощные инструменты, как ReactiveCommand<TIn, TOut> и WhenAnyValue. WhenAnyValue позволяет преобразовать свойство класса, реализующего INotifyPropertyChanged, в поток событий типа IObservable<T>, что упрощает реализацию зависимых свойств.

public class ExampleViewModel : ReactiveObject
{
  [Reactive] 
  // Атрибут ReactiveUI.Fody, занимается
  // аспектно-ориентированным внедрением
  // OnPropertyChanged в сеттер Name.
  public string Name { get; set; }
  
  public ExampleViewModel()
  {
    // Слушаем OnPropertyChanged("Name").
    this.WhenAnyValue(x => x.Name)
        // Работаем с IObservable<string>
        .Subscribe(Console.WriteLine);
  }
}

ReactiveCommand<TIn, TOut> позволяет работать с командой, как с событием типа IObservable<TOut>, которое публикуется всякий раз, когда команда завершает выполнение. Также у любой команды существует свойство ThrownExceptions типа IObservable<Exception>.

// ReactiveCommand<Unit, int>
var command = ReactiveCommand.Create(() => 42);
command
  // Работаем с IObservable<int>
  .Subscribe(Console.WriteLine);
  
command
  .ThrownExceptions
  // Работаем с IObservable<Exception>
  .Select(exception => exception.Message)
  // Работаем с IObservable<string>
  .Subscribe(Console.WriteLine);
  
command.Execute().Subscribe();
// Вывод: 42

Всё это время мы работали с IObservable<T>, как с событием, которое публикует новое значение типа T всякий раз, когда меняется состояние объекта, за которым ведётся наблюдение. Проще говоря, IObservable<T> — это поток событий, последовательность, растянутая во времени.

Разумеется, мы могли бы точно так же легко и непринуждённо работать с коллекциями — всякий раз, когда коллекция меняется, публиковать новую коллекцию с изменившимися элементами. В таком случае, публикуемое значение имело бы тип IEnumerable<T> или более специализированный, а само событие — тип IObservable<IEnumerable<T>>. Но, как правильно подметит критически мыслящий читатель, это чревато серьёзными проблемами с производительностью приложения, особенно, если в нашей коллекции не десяток элементов, а сотня, а то и несколько тысяч!

Введение в DynamicData

DynamicData  —  это библиотека, которая позволяет использовать всю мощь реактивных расширений при работе с коллекциями. Реактивные расширения из коробки не предоставляют оптимальных способов для работы с изменяющимися наборами данных, и задача DynamicData — исправить это. В большинстве прикладных приложений существует необходимость динамически обновлять коллекции — обычно, коллекция заполняется некоторыми элементами при запуске приложения, и далее асинхронно обновляется, синхронизируя информацию с сервером или базой данных. Современные приложения довольно сложны, и зачастую возникает необходимость создавать проекции коллекций —  фильтровать, трансформировать или сортировать элементы. DynamicData была разработана как раз чтобы избавиться от того невероятно сложного кода, который потребовался бы нам для управления динамически меняющимися наборами данных. Инструмент активно развивается и дорабатывается, и уже сейчас поддерживается более 60 операторов для работы с коллекциями.



DynamicData — это не альтернативная реализация ObservableCollection<T>. Архитектура DynamicData основана прежде всего на концепциях предметно-ориентированного программирования. Идеология использования основана на том, что вы управляете некоторым источником данных, коллекцией, к которой имеет доступ код, ответственный за синхронизацию и изменение данных. Далее, вы применяете ряд операторов к источнику, с помощью которых можно декларативно трансформировать данные, без необходимости вручную создавать и изменять другие коллекции. Фактически, с DynamicData вы разделяете операции чтения и записи, причём читать можете только реактивным способом — поэтому наследуемые коллекции всегда будут синхронизированы с источником.

Вместо классического IObservable<T>, DynamicData определяет операции над IObservable<IChangeSet<T>>> и IObservable<IChangeSet<TValue, TKey>>, где IChangeSet — чанк, содержащий информацию об изменении коллекции — тип изменения и элементы, которые были затронуты. Такой подход позволяет существенно улучшить производительность кода для работы с коллекциями, написанного в реактивном стиле. При этом, IObservable<IChangeSet<T>> всегда можно трансформировать в обычный IObservable<IEnumerable<T>>, если возникнет необходимость обработать все элементы коллекции сразу. Если звучит сложно — не пугайтесь, из примеров кода всё станет ясно и прозрачно!

Пример использования DynamicData

Давайте рассмотрим ряд примеров, чтобы лучше понять, как работает DynamicData, чем отличается от System.Reactive и какие задачи поможет решить рядовым разработчикам прикладного программного обеспечения с GUI. Начнём с комплексного примера, опубликованного автором DynamicData на GitHub. В примере источником данных является SourceCache<Trade, long>, содержащий коллекцию сделок. Задача —  показать только активные сделки, трансформировать модели в proxy-объекты, отсортировать коллекцию.

// Стандартная коллекция из System.Collections.ObjectModel,
// к которой будет привязан графический элемент управления.
ReadOnlyObservableCollection<TradeProxy> list;

// Изменяемый источник данных, содержащий модели сделок.
// Можем использовать Add, Remove, Insert и подобные методы.
var source = new SourceCache<Trade, long>(trade => trade.Id);

var cancellation = source
  // Трансформируем источник в наблюдаемый набор изменений.
  // Имеем тип IObservable<IChangeSet<Trade, long>>
  .Connect()
  // Дальше по цепочке пропустим только активные сделки.
  .Filter(trade => trade.Status == TradeStatus.Live) 
  // Трансформируем модели в прокси-объекты.
  // Имеем тип IObservable<IChangeSet<TrandeProxy, long>>
  .Transform(trade => new TradeProxy(trade))
  // Отсортируем объекты по времени.
  .Sort(SortExpressionComparer<TradeProxy>
    .Descending(trade => trade.Timestamp))
  // Обновляем GUI только из главного потока. 
  .ObserveOnDispatcher()
  // Привяжем список отсортированных прокси-объектов
  // к коллекции из System.Collections.ObjectModel.
  .Bind(out list) 
  // Убедимся, что по мере удаления элементов из
  // коллекции ресурсы будут освобождены.
  .DisposeMany()
  .Subscribe();

В примере выше, при изменении SourceCache, являющегося источником данных, ReadOnlyObservableCollection также соответствующим образом изменится. При этом, при удалении элементов из коллекции будет вызван метод Dispose, коллекция всегда будет обновляться только в GUI потоке и оставаться отсортированной и отфильтрованной. Круто, никаких Dispatcher.Invoke и сложного кода!

Источники данных SourceList и SourceCache

DynamicData предоставляет две специализированные коллекции, которые могут быть использованы в качестве изменяемого источника данных. Эти коллекции — типы SourceList и SourceCache<TObject, TKey>. Рекомендуется использовать SourceCache всегда, когда TObject имеет уникальный ключ, в противном случае использовать SourceList. Эти объекты предоставляют знакомый .NET разработчикам API для изменения данных — методы Add, Remove, Insert и подобные. Чтобы преобразовать источники данных в IObservable<IChangeSet<T>> или IObservable<IChangeSet<T, TKey>>, используйте оператор .Connect(). Например, если у вас есть сервис, обновляющий в фоне коллекцию элементов, вы с лёгкостью сможете синхронизировать список этих элементов с GUI, без Dispatcher.Invoke и архитектурных излишеств:

public class BackgroundService : IBackgroundService
{
  // Объявляем изменяемый список сделок.
  private readonly SourceList<Trade> _trades;
  
  // Выставляем наружу поток изменений коллекции.
  // Если ожидается, что будет более одного подписчика,
  // рекомендуется использовать оператор Publish() из Rx.
  public IObservable<IChangeSet<Trade>> Connect() => _trades.Connect();
  
  public BackgroundService()
  {
    _trades = new SourceList<Trade>();
    _trades.Add(new Trade());
    // Изменяем список как хотим!
    // Даже из фонового потока.
  }
}

DynamicData использует встроенные типы .NET для отображения данных во внешний мир. С помощью мощных операторов DynamicData мы можем преобразовать IObservable<IChangeSet<Trade>> в ReadOnlyObservableCollection нашей модели представления.

public class TradesViewModel : ReactiveObject
{ 
  private readonly ReadOnlyObservableCollection<TradeVm> _trades;
  public ReadOnlyObservableCollection<TradeVm> Trades => _trades;
  
  public TradesViewModel(IBackgroundService background)
  {
    // Подключимся к источнику, трансформируем элементы, привяжем
    // их к коллекции из System.Collections.ObjectModel.
    background.Connect()
      .Transform(x => new TradeVm(x))
      .ObserveOn(RxApp.MainThreadScheduler)
      .Bind(out _trades)
      .DisposeMany()
      .Subscribe();
  }
}

Кроме Transform, Filter и Sort, DynamicData включает в себя массу других операторов, поддерживает группировку, логические операции, разглаживание коллекции, применение аггрегирующих функций, исключение одинаковых элементов, подсчёт элементов и даже виртуализацию на уровне модели представления. Подробнее обо всех операторах можно почитать в README проекта на GitHub.

Однопоточные коллекции и отслеживание изменений

Помимо SourceList и SourceCache, библиотека DynamicData также включает в себя однопоточную реализацию изменяемой коллекции — ObservableCollectionExtended. Чтобы синхронизировать две коллекции в вашей модели представления, объявите одну из них как ObservableCollectionExtended, а другую — как ReadOnlyObservableCollection и воспользуйтесь оператором ToObservableChangeSet, который ведёт себя так же, как и Connect, но предназначен для работы с ObservableCollection.

// Объявим производную коллекцию.
ReadOnlyObservableCollection<TradeVm> _derived;

// Объявим и инициализиуем коллекцию-источник.
var source = new ObservableCollectionExtended<Trade>();
source.ToObservableChangeSet(trade => trade.Key)
  .Transform(trade => new TradeProxy(trade))
  .Filter(proxy => proxy.IsChecked)
  .Bind(out _derived)
  .Subscribe();

DynamicData также поддерживает отслеживание изменений в классах, реализующих интерфейс INotifyPropertyChanged. Например, если вы хотите получать уведомления об изменении коллекции всякий раз, когда свойство какого-либо элемента изменяется, используйте оператор AutoRefresh и передайте аргументом селектор нужного свойства. AutoRefesh и другие операторы DynamicData позволят легко и непринуждённо валидировать огромное количество форм и вложенных форм, отображаемых на экране!

// Тип IObservable<bool>
var isValid = databases
  .ToObservableChangeSet()
  // Подписываемся только на изменения свойства IsValid.
  .AutoRefresh(database => database.IsValid) 
  // Получаем доступ ко всем элементам коллекции одновременно.
  .ToCollection()
  // Проверяем, что все элементы валидны.
  .Select(x => x.All(y => y.IsValid));

// Если используется ReactiveUI, IObservable<bool>
// можно преобразовать в свойство ObservableAsProperty.
_isValid = isValid
  .ObserveOn(RxApp.MainThreadScheduler)
  .ToProperty(this, x => x.IsValid);

На основе функциональности DynamicData можно быстро создавать достаточно сложные интерфейсы  —  особенно это актуально для систем, отображающих большое количество данных в реальном времени, систем обмена мгновенными сообщениями, систем мониторинга.

Заключение

Реактивные расширения — мощный инструмент, позволяющий декларативно работать с данными и пользовательским интерфейсом, писать переносимый и поддерживаемый код, решать сложные задачи простым и элегантным способом. ReactiveUI позволяет разработчикам на платформе .NET тесно интегрировать реактивные расширения в свои проекты, использующие архитектуру MVVM, предоставляя реактивные реализации INotifyPropertyChanged и ICommand, а DynamicData заботится о синхронизации коллекций, реализуя INotifyCollectionChanged, расширяя возможности реактивных расширений и заботясь о производительности.

Библиотеки ReactiveUI и DynamicData совместимы с большинством популярных GUI фреймворков платформы .NET, включая Windows Presentation Foundation, Universal Windows Platform, Avalonia, Xamarin.Android, Xamarin Forms, Xamarin.iOS. Начать изучение DynamicData можно с соответствующей страницы документации ReactiveUI. Также обязательно ознакомьтесь с проектом DynamicData Snippets, содержащим примеры использования DynamicData на все случаи жизни.