Spring的IOC原理詳情

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1 IOC的理論背景

我們都知道，在采用面向對象方法設計的軟件系統中，它的底層實現都是由N個對象組成的，所有的對象通過彼此的合作，最終實現系統的業務邏輯。

如果我們打開機械式手表的後蓋，就會看到與上面類似的情形，各個齒輪分別帶動時針、分針和秒針順時針旋轉，從而在表盤上產生正確的時間。

圖中描述的就是這樣的一個齒輪組，它擁有多個獨立的齒輪，這些齒輪相互嚙合在一起，協同工作，共同完成某項任務。我們可以看到，在這樣的齒輪組中，如果有一個齒輪出瞭問題，就可能會影響到整個齒輪組的正常運轉。

齒輪組中齒輪之間的嚙合關系,與軟件系統中對象之間的耦合關系非常相似。對象之間的耦合關系是無法避免的，也是必要的，這是協同工作的基礎。
現在，伴隨著工業級應用的規模越來越龐大，對象之間的依賴關系也越來越復雜，經常會出現對象之間的多重依賴性關系，因此，架構師和設計師對於系統的分析和設計，將面臨更大的挑戰。

對象之間耦合度過高的系統，必然會出現牽一發而動全身的情形。

耦合關系不僅會出現在對象與對象之間，也會出現在軟件系統的各模塊之間，以及軟件系統和硬件系統之間。
如何降低系統之間、模塊之間和對象之間的耦合度，是軟件工程永遠追求的目標之一。

為瞭解決對象之間的耦合度過高的問題，軟件專傢Michael Mattson提出瞭IOC理論，用來實現對象之間的“解耦”，目前這個理論已經被成功地應用到實踐當中，很多的J2EE項目均采用瞭IOC框架產品Spring。

2 什麼是控制反轉(IoC)

IOC是Inversion of Control的縮寫，多數書籍翻譯成“控制反轉”，還有些書籍翻譯成為“控制反向”或者“控制倒置”。

1996年，Michael Mattson在一篇有關探討面向對象框架的文章中，首先提出瞭IOC 這個概念。

簡單來說就是把復雜系統分解成相互合作的對象，這些對象類通過封裝以後，內部實現對外部是透明的，從而降低瞭解決問題的復雜度，而且可以靈活地被重用和擴展。

IOC理論提出的觀點大體是這樣的：借助於“第三方”實現具有依賴關系的對象之間的解耦，

如下圖：

由於引進瞭中間位置的“第三方”，也就是IOC容器，使得A、B、C、D這4個對象沒有瞭耦合關系，齒輪之間的傳動全部依靠“第三方”瞭，全部對象的控制權全部上繳給“第三方”IOC容器，所以，IOC容器成瞭整個系統的關鍵核心，它起到瞭一種類似“粘合劑”的作用，把系統中的所有對象粘合在一起發揮作用，如果沒有這個“粘合劑”，對象與對象之間會彼此失去聯系，這就是有人把IOC容器比喻成“粘合劑”的由來。

我們再來做個試驗：把上圖中間的IOC容器拿掉，然後再來看看這套系統：

我們現在看到的畫面，就是我們要實現整個系統所需要完成的全部內容。這時候，A、B、C、D這4個對象之間已經沒有瞭耦合關系，彼此毫無聯系，這樣的話，當你在實現A的時候，根本無須再去考慮B、C和D瞭，對象之間的依賴關系已經降低到瞭最低程度。所以，如果真能實現IOC容器，對於系統開發而言，這將是一件多麼美好的事情，參與開發的每一成員隻要實現自己的類就可以瞭，跟別人沒有任何關系！

軟件系統在沒有引入IOC容器之前，如圖1所示，對象A依賴於對象B，那麼對象A在初始化或者運行到某一點的時候，自己必須主動去創建對象B或者使用已經創建的對象B。無論是創建還是使用對象B，控制權都在自己手上。
  軟件系統在引入IOC容器之後，這種情形就完全改變瞭，如圖3所示，由於IOC容器的加入，對象A與對象B之間失去瞭直接聯系，所以，當對象A運行到需要對象B的時候，IOC容器會主動創建一個對象B註入到對象A需要的地方。

通過前後的對比，我們不難看出來：對象A獲得依賴對象B的過程,由主動行為變為瞭被動行為，控制權顛倒過來瞭，這就是“控制反轉”這個名稱的由來。

3 IOC的別名：依賴註入(DI)

2004年，Martin Fowler探討瞭同一個問題，既然IOC是控制反轉，那麼到底是“哪些方面的控制被反轉瞭呢？”
經過詳細地分析和論證後，他得出瞭答案：“獲得依賴對象的過程被反轉瞭”。控制被反轉之後，獲得依賴對象的過程由自身管理變為瞭由IOC容器主動註入。於是，他給“控制反轉”取瞭一個更合適的名字叫做“依賴註入（Dependency Injection）”。他的這個答案，實際上給出瞭實現IOC的方法：註入。

所謂依賴註入，就是由IOC容器在運行期間，動態地將某種依賴關系註入到對象之中。

所以，依賴註入(DI)和控制反轉(IOC)是從不同的角度的描述的同一件事情，就是指通過引入IOC容器，利用依賴關系註入的方式，實現對象之間的解耦。

我們舉一個生活中的例子，來幫助理解依賴註入的過程。大傢對USB接口和USB設備應該都很熟悉吧，USB為我們使用電腦提供瞭很大的方便，現在有很多的外部設備都支持USB接口。

現在，我們利用電腦主機和USB接口來實現一個任務：從外部USB設備讀取一個文件。
電腦主機讀取文件的時候，它一點也不會關心USB接口上連接的是什麼外部設備，而且它確實也無須知道。它的任務就是讀取USB接口，掛接的外部設備隻要符合USB接口標準即可。

所以，如果我給電腦主機連接上一個U盤，那麼主機就從U盤上讀取文件；如果我給電腦主機連接上一個外置硬盤，那麼電腦主機就從外置硬盤上讀取文件。

掛接外部設備的權力由我作主，即控制權歸我，至於USB接口掛接的是什麼設備，電腦主機是決定不瞭，它隻能被動的接受。
電腦主機需要外部設備的時候，根本不用它告訴我，我就會主動幫它掛上它想要的外部設備，你看我的服務是多麼的到位。這就是我們生活中常見的一個依賴註入的例子。在這個過程中，我就起到瞭IOC容器的作用。

通過這個例子,依賴註入的思路已經非常清楚：當電腦主機讀取文件的時候，我就把它所要依賴的外部設備，幫他掛接上。整個外部設備註入的過程和一個被依賴的對象在系統運行時被註入另外一個對象內部的過程完全一樣。
我們把依賴註入應用到軟件系統中，再來描述一下這個過程：

對象A依賴於對象B,當對象 A需要用到對象B的時候，IOC容器就會立即創建一個對象B送給對象A。IOC容器就是一個對象制造工廠，你需要什麼，它會給你送去，你直接使用就行瞭，而再也不用去關心你所用的東西是如何制成的，也不用關心最後是怎麼被銷毀的，這一切全部由IOC容器包辦。
在傳統的實現中，由程序內部代碼來控制組件之間的關系。我們經常使用new關鍵字來實現兩個組件之間關系的組合，這種實現方式會造成組件之間耦合。IOC很好地解決瞭該問題，它將實現組件間關系從程序內部提到外部容器，也就是說由容器在運行期將組件間的某種依賴關系動態註入組件中。

4 IOC為我們帶來瞭什麼好處

我們還是從USB的例子說起，使用USB外部設備比使用內置硬盤，到底帶來什麼好處？

  • 第一、USB設備作為電腦主機的外部設備，在插入主機之前，與電腦主機沒有任何的關系，隻有被我們連接在一起之後，兩者才發生聯系，具有相關性。所以，無論兩者中的任何一方出現什麼的問題，都不會影響另一方的運行。這種特性體現在軟件工程中，就是可維護性比較好，非常便於進行單元測試，便於調試程序和診斷故障。代碼中的每一個Class都可以單獨測試，彼此之間互不影響，隻要保證自身的功能無誤即可，這就是組件之間低耦合或者無耦合帶來的好處。
  • 第二、USB設備和電腦主機的之間無關性，還帶來瞭另外一個好處，生產USB設備的廠商和生產電腦主機的廠商完全可以是互不相幹的人，各幹各事，他們之間唯一需要遵守的就是USB接口標準。這種特性體現在軟件開發過程中，好處可是太大瞭。每個開發團隊的成員都隻需要關心實現自身的業務邏輯，完全不用去關心其它的人工作進展，因為你的任務跟別人沒有任何關系，你的任務可以單獨測試，你的任務也不用依賴於別人的組件，再也不用扯不清責任瞭。所以，在一個大中型項目中，團隊成員分工明確、責任明晰，很容易將一個大的任務劃分為細小的任務，開發效率和產品質量必將得到大幅度的提高。
  • 第三、同一個USB外部設備可以插接到任何支持USB的設備，可以插接到電腦主機，也可以插接到DV機，USB外部設備可以被反復利用。在軟件工程中，這種特性就是可復用性好，我們可以把具有普遍性的常用組件獨立出來，反復利用到項目中的其它部分，或者是其它項目，當然這也是面向對象的基本特征。顯然，IOC不僅更好地貫徹瞭這個原則，提高瞭模塊的可復用性。符合接口標準的實現，都可以插接到支持此標準的模塊中。
  • 第四、同USB外部設備一樣，模塊具有熱插拔特性。IOC生成對象的方式轉為外置方式，也就是把對象生成放在配置文件裡進行定義，這樣，當我們更換一個實現子類將會變得很簡單，隻要修改配置文件就可以瞭，完全具有熱插撥的特性。

以上幾點好處，難道還不足以打動我們，讓我們在項目開發過程中使用IOC框架嗎？

5 IOC容器的技術剖析

IOC中最基本的技術就是“反射(Reflection)”編程，目前.Net C#、Java和PHP5等語言均支持，其中PHP5的技術書籍中，有時候也被翻譯成“映射”。有關反射的概念和用法，大傢應該都很清楚，通俗來講就是根據給出的類名（字符串方式）來動態地生成對象。

這種編程方式可以讓對象在生成時才決定到底是哪一種對象。反射的應用是很廣泛的，很多的成熟的框架，比如象Java中的Hibernate、Spring框架，.Net中 NHibernate、Spring.Net框架都是把“反射”做為最基本的技術手段。
反射技術其實很早就出現瞭，但一直被忽略，沒有被進一步的利用。當時的反射編程方式相對於正常的對象生成方式要慢至少得10倍。現在的反射技術經過改良優化，已經非常成熟，反射方式生成對象和通常對象生成方式，速度已經相差不大瞭，大約為1-2倍的差距。

我們可以把IOC容器的工作模式看做是工廠模式的升華，可以把IOC容器看作是一個工廠，這個工廠裡要生產的對象都在配置文件中給出定義，然後利用編程語言的的反射編程，根據配置文件中給出的類名生成相應的對象。從實現來看，IOC是把以前在工廠方法裡寫死的對象生成代碼，改變為由配置文件來定義，也就是把工廠和對象生成這兩者獨立分隔開來，目的就是提高靈活性和可維護性。

6 IOC容器的一些產品

Sun ONE技術體系下的IOC容器有：

  輕量級的有Spring、Guice、Pico Container、Avalon、HiveMind；
  重量級的有EJB；
  不輕不重的有JBoss，Jdon等等。
Spring框架作為Java開發中最流行的框架之一，大中小項目中都有使用，非常成熟，應用廣泛，EJB在關鍵性的工業級項目中也被使用，比如某些電信業務。
.Net技術體系下的IOC容器有：Spring.Net、Castle等等。
Spring.Net是從Java的Spring移植過來的IOC容器，Castle的IOC容器就是Windsor部分。它們均是輕量級的框架，比較成熟，其中Spring.Net已經被逐漸應用於各種項目中。

7 使用IOC框架應該註意什麼

使用IOC框架產品能夠給我們的開發過程帶來很大的好處，但是也要充分認識引入IOC框架的缺點，做到心中有數，杜絕濫用框架。

  • 第一、軟件系統中由於引入瞭第三方IOC容器，生成對象的步驟變得有些復雜，本來是兩者之間的事情，又憑空多出一道手續，所以，我們在剛開始使用IOC框架的時候，會感覺系統變得不太直觀。所以，引入瞭一個全新的框架，就會增加團隊成員學習和認識的培訓成本，並且在以後的運行維護中，還得讓新加入者具備同樣的知識體系。
  • 第二、由於IOC容器生成對象是通過反射方式，在運行效率上有一定的損耗。如果你要追求運行效率的話，就必須對此進行權衡。
  • 第三、具體到IOC框架產品(比如：Spring)來講，需要進行大量的配制工作，比較繁瑣，對於一些小的項目而言，客觀上也可能加大一些工作成本。
  • 第四、IOC框架產品本身的成熟度需要進行評估，如果引入一個不成熟的IOC框架產品，那麼會影響到整個項目，所以這也是一個隱性的風險。

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