控制反转(IoC)与依赖注入(DI)

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前言

最近在学习Spring框架,它的核心就是IoC容器。要掌握Spring框架,就必须要理解控制反转的思想以及依赖注入的实现方式。下面,我们将围绕下面几个问题来探讨控制反转与依赖注入的关系以及在Spring中如何应用。

  • 什么是控制反转?
  • 什么是依赖注入?
  • 它们之间有什么关系?
  • 如何在Spring框架中应用依赖注入?

控制反转

在讨论控制反转之前,我们先来看看软件系统中耦合的对象。

图1:软件系统中耦合的对象

从图中可以看到,软件中的对象就像齿轮一样,协同工作,但是互相耦合,一个零件不能正常工作,整个系统就崩溃了。这是一个强耦合的系统。齿轮组中齿轮之间的啮合关系,与软件系统中对象之间的耦合关系非常相似。对象之间的耦合关系是无法避免的,也是必要的,这是协同工作的基础。现在,伴随着工业级应用的规模越来越庞大,对象之间的依赖关系也越来越复杂,经常会出现对象之间的多重依赖性关系,因此,架构师和设计师对于系统的分析和设计,将面临更大的挑战。对象之间耦合度过高的系统,必然会出现牵一发而动全身的情形。

为了解决对象间耦合度过高的问题,软件专家Michael Mattson提出了IoC理论,用来实现对象之间的“解耦”。

控制反转(Inversion of Control)是一种是面向对象编程中的一种设计原则,用来减低计算机代码之间的耦合度。其基本思想是:借助于“第三方”实现具有依赖关系的对象之间的解耦。

图2:IoC解耦过程

由于引进了中间位置的“第三方”,也就是IOC容器,使得A、B、C、D这4个对象没有了耦合关系,齿轮之间的传动全部依靠“第三方”了,全部对象的控制权全部上缴给“第三方”IOC容器,所以,IOC容器成了整个系统的关键核心,它起到了一种类似“粘合剂”的作用,把系统中的所有对象粘合在一起发挥作用,如果没有这个“粘合剂”,对象与对象之间会彼此失去联系,这就是有人把IOC容器比喻成“粘合剂”的由来。
我们再来看看,控制反转(IOC)到底为什么要起这么个名字?我们来对比一下:

  1. 软件系统在没有引入IOC容器之前,如图1所示,对象A依赖于对象B,那么对象A在初始化或者运行到某一点的时候,自己必须主动去创建对象B或者使用已经创建的对象B。无论是创建还是使用对象B,控制权都在自己手上。

  2. 软件系统在引入IOC容器之后,这种情形就完全改变了,如图2所示,由于IOC容器的加入,对象A与对象B之间失去了直接联系,所以,当对象A运行到需要对象B的时候,IOC容器会主动创建一个对象B注入到对象A需要的地方。
    通过前后的对比,我们不难看出来:对象A获得依赖对象B的过程,由主动行为变为了被动行为,控制权颠倒过来了,这就是“控制反转”这个名称的由来。

控制反转不只是软件工程的理论,在生活中我们也有用到这种思想。再举一个现实生活的例子:
海尔公司作为一个电器制商需要把自己的商品分销到全国各地,但是发现,不同的分销渠道有不同的玩法,于是派出了各种销售代表玩不同的玩法,随着渠道越来越多,发现,每增加一个渠道就要新增一批人和一个新的流程,严重耦合并依赖各渠道商的玩法。实在受不了了,于是制定业务标准,开发分销信息化系统,只有符合这个标准的渠道商才能成为海尔的分销商。让各个渠道商反过来依赖自己标准。反转了控制,倒置了依赖。

我们把海尔和分销商当作软件对象,分销信息化系统当作IOC容器,可以发现,在没有IOC容器之前,分销商就像图1中的齿轮一样,增加一个齿轮就要增加多种依赖在其他齿轮上,势必导致系统越来越复杂。开发分销系统之后,所有分销商只依赖分销系统,就像图2显示那样,可以很方便的增加和删除齿轮上去。

依赖注入

依赖注入就是将实例变量传入到一个对象中去(Dependency injection means giving an object its instance variables)。

什么是依赖

如果在 Class A 中,有 Class B 的实例,则称 Class A 对 Class B 有一个依赖。例如下面类 Human 中用到一个 Father 对象,我们就说类 Human 对类 Father 有一个依赖。

public class Human {
    ...
    Father father;
    ...
    public Human() {
        father = new Father();
    }
}

仔细看这段代码我们会发现存在一些问题:

  1. 如果现在要改变 father 生成方式,如需要用new Father(String name)初始化 father,需要修改 Human 代码;
  2. 如果想测试不同 Father 对象对 Human 的影响很困难,因为 father 的初始化被写死在了 Human 的构造函数中;
  3. 如果new Father()过程非常缓慢,单测时我们希望用已经初始化好的 father 对象 Mock 掉这个过程也很困难。
依赖注入

上面将依赖在构造函数中直接初始化是一种 Hard init 方式,弊端在于两个类不够独立,不方便测试。我们还有另外一种 Init 方式,如下:

public class Human {
    ...
    Father father;
    ...
    public Human(Father father) {
        this.father = father;
    }
}

上面代码中,我们将 father 对象作为构造函数的一个参数传入。在调用 Human 的构造方法之前外部就已经初始化好了 Father 对象。像这种非自己主动初始化依赖,而通过外部来传入依赖的方式,我们就称为依赖注入。
现在我们发现上面 1 中存在的两个问题都很好解决了,简单的说依赖注入主要有两个好处:

  1. 解耦,将依赖之间解耦。
  2. 因为已经解耦,所以方便做单元测试,尤其是 Mock 测试。
控制反转和依赖注入的关系

我们已经分别解释了控制反转和依赖注入的概念。有些人会把控制反转和依赖注入等同,但实际上它们有着本质上的不同。

  • 控制反转是一种思想
  • 依赖注入是一种设计模式

IoC框架使用依赖注入作为实现控制反转的方式,但是控制反转还有其他的实现方式,例如说ServiceLocator,所以不能将控制反转和依赖注入等同。

Spring中的依赖注入

上面我们提到,依赖注入是实现控制反转的一种方式。下面我们结合Spring的IoC容器,简单描述一下这个过程。

class MovieLister...
    private MovieFinder finder;
    public void setFinder(MovieFinder finder) {
        this.finder = finder;
    }

class ColonMovieFinder...
    public void setFilename(String filename) {
        this.filename = filename;
    }

我们先定义两个类,可以看到都使用了依赖注入的方式,通过外部传入依赖,而不是自己创建依赖。那么问题来了,谁把依赖传给他们,也就是说谁负责创建finder,并且把finder传给MovieLister。答案是Spring的IoC容器。

要使用IoC容器,首先要进行配置。这里我们使用xml的配置,也可以通过代码注解方式配置。下面是spring.xml的内容

<beans>
    <bean id="MovieLister" class="spring.MovieLister">
        <property name="finder">
            <ref local="MovieFinder"/>
        </property>
    </bean>
    <bean id="MovieFinder" class="spring.ColonMovieFinder">
        <property name="filename">
            <value>movies1.txt</value>
        </property>
    </bean>
</beans>

在Spring中,每个bean代表一个对象的实例,默认是单例模式,即在程序的生命周期内,所有的对象都只有一个实例,进行重复使用。通过配置bean,IoC容器在启动的时候会根据配置生成bean实例。具体的配置语法参考Spring文档。这里只要知道IoC容器会根据配置创建MovieFinder,在运行的时候把MovieFinder赋值给MovieLister的finder属性,完成依赖注入的过程。

下面给出测试代码

public void testWithSpring() throws Exception {
    ApplicationContext ctx = new FileSystemXmlApplicationContext("spring.xml");//1
    MovieLister lister = (MovieLister) ctx.getBean("MovieLister");//2
    Movie[] movies = lister.moviesDirectedBy("Sergio Leone");
    assertEquals("Once Upon a Time in the West", movies[0].getTitle());
}

1. 根据配置生成ApplicationContext,即IoC容器。
2. 从容器中获取MovieLister的实例。

总结

1. 控制反转是一种在软件工程中解耦合的思想,调用类只依赖接口,而不依赖具体的实现类,减少了耦合。控制权交给了容器,在运行的时候才由容器决定将具体的实现动态的“注入”到调用类的对象中。

2. 依赖注入是一种设计模式,可以作为控制反转的一种实现方式。依赖注入就是将实例变量传入到一个对象中去(Dependency injection means giving an object its instance variables)。

3. 通过IoC框架,类A依赖类B的强耦合关系可以在运行时通过容器建立,也就是说把创建B实例的工作移交给容器,类A只管使用就可以。

下面的是参考自知乎。

要了解控制反转( Inversion of Control ), 我觉得有必要先了解软件设计的一个重要思想:依赖倒置原则(Dependency Inversion Principle )。

什么是依赖倒置原则?假设我们设计一辆汽车:先设计轮子,然后根据轮子大小设计底盘,接着根据底盘设计车身,最后根据车身设计好整个汽车。这里就出现了一个“依赖”关系:汽车依赖车身,车身依赖底盘,底盘依赖轮子。

image

这样的设计看起来没问题,但是可维护性却很低。假设设计完工之后,上司却突然说根据市场需求的变动,要我们把车子的轮子设计都改大一码。这下我们就蛋疼了:因为我们是根据轮子的尺寸设计的底盘,轮子的尺寸一改,底盘的设计就得修改;同样因为我们是根据底盘设计的车身,那么车身也得改,同理汽车设计也得改——整个设计几乎都得改!

我们现在换一种思路。我们先设计汽车的大概样子,然后根据汽车的样子来设计车身,根据车身来设计底盘,最后根据底盘来设计轮子。这时候,依赖关系就倒置过来了:轮子依赖底盘, 底盘依赖车身, 车身依赖汽车。

image

这时候,上司再说要改动轮子的设计,我们就只需要改动轮子的设计,而不需要动底盘,车身,汽车的设计了。

这就是依赖倒置原则——把原本的高层建筑依赖底层建筑“倒置”过来,变成底层建筑依赖高层建筑。高层建筑决定需要什么,底层去实现这样的需求,但是高层并不用管底层是怎么实现的。这样就不会出现前面的“牵一发动全身”的情况。

**控制反转(Inversion of Control) **就是依赖倒置原则的一种代码设计的思路。具体采用的方法就是所谓的依赖注入(Dependency Injection)。其实这些概念初次接触都会感到云里雾里的。说穿了,这几种概念的关系大概如下:

image

为了理解这几个概念,我们还是用上面汽车的例子。只不过这次换成代码。我们先定义四个Class,车,车身,底盘,轮胎。然后初始化这辆车,最后跑这辆车。代码结构如下:

image

这样,就相当于上面第一个例子,上层建筑依赖下层建筑——每一个类的构造函数都直接调用了底层代码的构造函数。假设我们需要改动一下轮胎(Tire)类,把它的尺寸变成动态的,而不是一直都是30。我们需要这样改:

image

由于我们修改了轮胎的定义,为了让整个程序正常运行,我们需要做以下改动:

image

由此我们可以看到,仅仅是为了修改轮胎的构造函数,这种设计却需要修改整个上层所有类的构造函数!在软件工程中,这样的设计几乎是不可维护的——在实际工程项目中,有的类可能会是几千个类的底层,如果每次修改这个类,我们都要修改所有以它作为依赖的类,那软件的维护成本就太高了。

所以我们需要进行控制反转(IoC),及上层控制下层,而不是下层控制着上层。我们用依赖注入(Dependency Injection)这种方式来实现控制反转。所谓依赖注入,就是把底层类作为参数传入上层类,实现上层类对下层类的“控制”。这里我们用构造方法传递的依赖注入方式重新写车类的定义:

image

这里我们再把轮胎尺寸变成动态的,同样为了让整个系统顺利运行,我们需要做如下修改:

image

看到没?这里我只需要修改轮胎类就行了,不用修改其他任何上层类。这显然是更容易维护的代码。不仅如此,在实际的工程中,这种设计模式还有利于不同组的协同合作和单元测试:比如开发这四个类的分别是四个不同的组,那么只要定义好了接口,四个不同的组可以同时进行开发而不相互受限制;而对于单元测试,如果我们要写Car类的单元测试,就只需要Mock一下Framework类传入Car就行了,而不用把Framework, Bottom, Tire全部new一遍再来构造Car。

这里我们是采用的构造函数传入的方式进行的依赖注入。其实还有另外两种方法:Setter传递和接口传递。这里就不多讲了,核心思路都是一样的,都是为了实现控制反转。

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看到这里你应该能理解什么控制反转和依赖注入了。那什么是控制反转容器(IoC Container)呢?其实上面的例子中,对车类进行初始化的那段代码发生的地方,就是控制反转容器。

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显然你也应该观察到了,因为采用了依赖注入,在初始化的过程中就不可避免的会写大量的new。这里IoC容器就解决了这个问题。这个容器可以自动对你的代码进行初始化,你只需要维护一个Configuration(可以是xml可以是一段代码),而不用每次初始化一辆车都要亲手去写那一大段初始化的代码。这是引入IoC Container的第一个好处。

IoC Container的第二个好处是:我们在创建实例的时候不需要了解其中的细节。在上面的例子中,我们自己手动创建一个车instance时候,是从底层往上层new的:

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这个过程中,我们需要了解整个Car/Framework/Bottom/Tire类构造函数是怎么定义的,才能一步一步new/注入。

而IoC Container在进行这个工作的时候是反过来的,它先从最上层开始往下找依赖关系,到达最底层之后再往上一步一步new(有点像深度优先遍历):

image

这里IoC Container可以直接隐藏具体的创建实例的细节,在我们来看它就像一个工厂:

image

我们就像是工厂的客户。我们只需要向工厂请求一个Car实例,然后它就给我们按照Config创建了一个Car实例。我们完全不用管这个Car实例是怎么一步一步被创建出来。

实际项目中,有的Service Class可能是十年前写的,有几百个类作为它的底层。假设我们新写的一个API需要实例化这个Service,我们总不可能回头去搞清楚这几百个类的构造函数吧?IoC Container的这个特性就很完美的解决了这类问题——因为这个架构要求你在写class的时候需要写相应的Config文件,所以你要初始化很久以前的Service类的时候,前人都已经写好了Config文件,你直接在需要用的地方注入这个Service就可以了。这大大增加了项目的可维护性且降低了开发难度。

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