Definition

Reaktive Programmierung

von

Redaktion ComputerWeekly.de, TechTarget

Reaktive Programmierung ist ein Designparadigma, das sich auf asynchrone Programmierlogik stützt, um Echtzeit-Updates von ansonsten statischen Inhalten zu verarbeiten. Es bietet ein effizientes Mittel – die Verwendung von automatisierten Datenströmen – um Datenaktualisierungen von Inhalten zu verarbeiten, wenn ein Benutzer eine Anfrage stellt.

Datenströme, die in der reaktiven Programmierung verwendet werden, sind kohärente, zusammenhängende Sammlungen von digitalen Signalen, die kontinuierlich oder nahezu kontinuierlich erzeugt werden. Diese Datenströme werden von einer Quelle – zum Beispiel einem Bewegungssensor, einem Temperaturmesser oder einer Produktbestandsdatenbank – als Reaktion auf einen Auslöser gesendet. Dieser Auslöser kann einer der folgenden sein:

Ein Event wie softwaregenerierte Alarme, Tastenanschläge oder Signale von einem IoT-System (Internet of Things).
Ein Call, der eine Funktion ist, die eine Routine als Teil eines Workflows aufruft.
Eine Nachricht, das heißt eine Informationseinheit, die das System mit Informationen über den Status eines Vorgangs, eines Fehlers, einer Störung oder eines anderen Zustands an den Benutzer oder Systembetreiber zurücksendet.

Bei der reaktiven Programmierung wird Software erstellt, die auf Events reagiert, anstatt Eingaben vom Benutzer zu verlangen. Ein Event ist ein Signal, dass etwas passiert ist. Es ist allgemein anerkannt, dass Events Echtzeit-Signale sind, das heißt sie werden zeitgleich mit dem Zustand, den sie signalisieren, erzeugt und müssen auch in Echtzeit verarbeitet werden. Diese Events lassen sich am besten als Streams (Datenströme) visualisieren, die durch mehrere Verarbeitungselemente fließen, unterwegs angehalten und verarbeitet werden oder sich gabeln und parallele Verarbeitungsaktivitäten erzeugen. In den meisten Fällen ist diese Verarbeitung zeitkritisch, was bedeutet, dass die Anwendungen einen anderen Programmierstil erfordern, wodurch reaktive Programmierung entstanden ist.

Die reaktive Programmierung und die damit verbundenen reaktiven Systeme bestehen aus einer Kombination von Observer- und Handler-Funktionen. Ersterer erkennt wichtige Zustände oder Änderungen und generiert Nachrichten, um zu signalisieren, dass sie eingetreten sind, und letzterer geht mit diesen Nachrichten entsprechend um. Die Annahme bei der reaktiven Programmierung ist, dass es keine Kontrolle über die Anzahl oder den Zeitpunkt der Events gibt, daher muss die Software belastbar und hoch skalierbar sein, um variable Lasten zu bewältigen.

Frühe Anwendungen der reaktiven Programmierung für Geschäftsanwendungen beschränkten sich weitgehend auf Dinge wie die Überwachung des Zustands von Netzwerken, Servern oder Software und die Signalisierung von Datenbankzuständen wie zum Beispiel Lagerbeständen. Dieser Schwerpunkt ändert sich mit dem Aufkommen des Internets der Dinge, Smart Buildings und Smart Cities sowie Public Cloud Computing. Das Internet der Dinge hat das reaktive Modell in der Gebäudeverwaltung, der industriellen Prozesssteuerung und sogar der Heimautomatisierung wichtig gemacht. Die Cloud hat sowohl einen Stil der Komponentisierung von Software eingeführt – funktionales Computing und Microservices – als auch eine Bewegung, viele reaktive Anwendungen aufgrund ihrer Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit in die Cloud zu verlagern.

Wie funktioniert reaktive Programmierung?

Bei der reaktiven Programmierung dreht sich alles um Streams, das heißt zeitlich geordnete Sequenzen von zusammenhängenden Event-Meldungen. Ein gegebener Stream beginnt in der Regel mit einem Observer (Beobachter), der entweder ein Codesegment innerhalb einer Anwendung sein kann, das auf eine Bedingung in Bezug auf die Anwendung achtet, oder ein Gerät wie ein IoT-Sensor, der ein Event erzeugt. Ein Stream wird manchmal als Pfeil – von links nach rechts – dargestellt, der mit dem Observer-Prozess beginnt und durch einen oder mehrere Handler fließt, bis er vollständig verarbeitet ist, in einem Fehlerstatus endet oder sich in abgeleitete Streams gabelt. Bei der reaktiven Programmierung geht es darum, diese Observer und Handler zu erstellen und den Stream je nach Bedarf mit Threads zu versehen.

Geräte-generierte Streams sind leicht zu verstehen. Aber Streams, die von durch Software eingefügten Observern erzeugt werden, sind komplizierter. Normalerweise arbeiten diese Elemente entweder mit dem fertigen Prozess einer Anwendung oder sie laufen periodisch, um ein Datenbankelement zu überwachen. Wenn dieses Softwareelement eine Bedingung erkennt, erzeugt es ein Event im Stream.

Ein Event Stream wird entweder von den Handlern selbst gesteuert, wo die Arbeit an einen bestimmten nächsten Prozess weitergeleitet wird, oder von einem Message Bus, wie zum Beispiel einem Enterprise Service Bus (ESB) oder einer Nachrichtenwarteschlange, die die Nachricht an bestimmte Bus Listener weiterleitet. Der Nachrichtenverarbeitungsprozess bestimmt, ob eine Nachricht an mehrere Handler oder an einen einzelnen Handler gesendet wird, und er ist normalerweise auch für den Lastausgleich zwischen mehreren parallelen Handlern oder für die Bereitstellung von Ersatz-Handlern im Falle eines Fehlers verantwortlich.

Jeder Handler muss entweder die Nachricht weiterleiten, feststellen, dass der Stream-Prozess beendet ist und die Nachricht löschen, oder einen Fehler erzeugen. Der Handler kann entscheiden, ob er eine Nachricht an mehrere Streams gabelt (fork) oder einen neuen Stream oder mehrere Streams erzeugt. Diese Fork-Bedingungen werden oft verwendet, um Aufgaben in der Nachrichtenverarbeitung zu trennen. Eine Nachricht kann sowohl eine lokale Antwort zum Öffnen eines Gate als auch eine Nachricht an ein Transaktionsverarbeitungssystem erzeugen.

In The Reactive Principle, dem Nachfolger von The Reactive Manifesto, definieren Jonas Bonér et al. die acht Prinzipien, die eine Anwendung verkörpern muss, um als reaktiv zu gelten:

Reaktionsschnell bleiben. Reagieren Sie immer zeitnah und rechtzeitig.
Unsicherheit akzeptieren. Bauen Sie Zuverlässigkeit trotz unzuverlässiger Grundlagen auf.
Fehler akzeptieren. Rechnen Sie damit, dass etwas schief geht, und bauen Sie Widerstandsfähigkeit auf.
Autonomie sichern. Entwickeln Sie Komponenten, die unabhängig voneinander agieren und zusammenarbeiten.
Maßgeschneiderte Konsistenz. Individualisieren Sie die Konsistenz pro Komponente, um ein Gleichgewicht zwischen Verfügbarkeit und Leistung herzustellen.
Zeit entkoppeln. Verarbeiten Sie asynchron, um Koordination und Wartezeiten zu vermeiden.
Raum entkoppeln. Schaffen Sie Flexibilität, indem Sie das Netzwerk einbeziehen.
Dynamik handhaben. Passen Sie sich kontinuierlich an wechselnde Anforderungen und Ressourcen an.

Acht Prinzipien reaktiver Programmierung — Abbildung 1: Die acht Prinzipien reaktiver Programmierung.

Vorteile und Herausforderungen der reaktiven Programmierung

Die primären Vorteile reaktiver Programmiertechniken sind ihre Fähigkeit,:

eine bessere Kontrolle über die mit der Verarbeitung von Events verbundenen Reaktionszeiten zu bieten;
Konsistenz im Softwaredesign für Echtzeitsysteme zu ermöglichen, um Entwicklungs- und Wartungskosten und -aufwand zu reduzieren
Lastausgleich und Ausfallsicherheit zu unterstützen, um die Qualität der Erfahrung zu verbessern; und
das Konzept eines Streams oder Ereignisflusses explizit zu machen und so die Verwaltung von Rechenelementen und Verarbeitungsressourcen insgesamt zu verbessern, indem sie visueller gemacht werden.

Diese Vorteile bringen Herausforderungen mit sich, darunter:

Das Hinzufügen von Observer-Prozessen zu aktueller Software kann schwierig oder unmöglich sein, abhängig von der Verfügbarkeit von Quellcode und den Programmierkenntnissen der Mitarbeiter.
Reaktives Design ist eine große Umstellung für Entwickler, und die Bemühungen werden eine Lernkurve aufweisen, während der mehr Validierung und Überwachung von Design und Kodierung erforderlich ist.
Reaktive Systeme können durch eine übermäßige Anzahl von Prozessen, die mit dem Stream verbunden sind, leicht Verzögerungen anhäufen.