Spring的IOC原理詳情

1 IOC的理論背景

我們都知道，在採用物件導向方法設計的軟體系統中，它的底層實現都是由N個物件組成的，所有的物件通過彼此的合作，最終實現系統的業務邏輯。

如果我們開啟機械式手錶的後蓋，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，從而在錶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，這些齒輪相互齧合在一起，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，如果有一個齒輪出了問題，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齧合關係,與軟體系統中物件之間的耦合關係非常相似。物件之間的耦合關係是無法避免的，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，物件之間的依賴關係也越來越複雜，經常會出現物件之間的多重依賴性關係，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。

物件之間耦合度過高的系統，必然會出現牽一髮而動全身的情形。

耦合關係不僅會出現在物件與物件之間，也會出現在軟體系統的各模組之間，以及軟體系統和硬體系統之間。
如何降低系統之間、模組之間和物件之間的耦合度，是軟體工程永遠追求的目標之一。

為了解決物件之間的耦合度過高的問題，軟體專家Michael Mattson提出了IOC理論，用來實現物件之間的“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專案均採用了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在一篇有關探討物件導向框架的文章中，首先提出了IOC 這個概念。

簡單來說就是把複雜系統分解成相互合作的物件，這些物件類通過封裝以後，內部實現對外部是透明的，從而降低了解決問題的複雜度，而且可以靈活地被重用和擴充套件。

IOC理論提出的觀點大體是這樣的：藉助於“第三方”實現具有依賴關係的物件之間的解耦，

如下圖：

由於引進了中間位置的“第三方”，也就是IOC容器，使得A、B、C、D這4個物件沒有了耦合關係，齒輪之間的傳動全部依靠“第三方”了，全部物件的控制權全部上繳給“第三方”IOC容器，所以，IOC容器成了整個系統的關鍵核心，它起到了一種類似“粘合劑”的作用，把系統中的所有物件粘合在一起發揮作用，如果沒有這個“粘合劑”，物件與物件之間會彼此失去聯絡，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個物件之間已經沒有了耦合關係，彼此毫無聯絡，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了，物件之間的依賴關係已經降低到了最低程度。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只要實現自己的類就可以了，跟別人沒有任何關係！

軟體系統在沒有引入IOC容器之前，如圖1所示，物件A依賴於物件B，那麼物件A在初始化或者執行到某一點的時候，自己必須主動去建立物件B或者使用已經建立的物件B。無論是建立還是使用物件B，控制權都在自己手上。
  軟體系統在引入IOC容器之後，這種情形就完全改變了，如圖3所示，由於IOC容器的加入，物件A與物件B之間失去了直接聯絡，所以，當物件A執行到需要物件B的時候，IOC容器會主動建立一個物件B注入到物件A需要的地方。

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

3 IOC的別名：依賴注入(DI)

2004年，Martin Fowler探討了同一個問題，既然IOC是控制反轉，那麼到底是“哪些方面的控制被反轉了呢？”
經過詳細地分析和論證後，他得出了答案：“獲得依賴物件的過程被反轉了”。控制被反轉之後，獲得依賴物件的過程由自身管理變為了由IOC容器主動注入。於是，他給“控制反轉”取了一個更合適的名字叫做“依賴注入（Dependency Injection）”。他的這個答案，實際上給出了實現IOC的方法：注入。

所謂依賴注入，就是由IOC容器在執行期間，動態地將某種依賴關係注入到物件之中。

所以，依賴注入(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，利用依賴關係注入的方式，實現物件之間的解耦。

我們舉一個生活中的例子，來幫助理解依賴注入的過程。大家對USB介面和USB裝置應該都很熟悉吧，USB為我們使用電腦提供了很大的方便，現在有很多的外部裝置都支援USB介面。

現在，我們利用電腦主機和USB介面來實現一個任務：從外部USB裝置讀取一個檔案。
電腦主機讀取檔案的時候，它一點也不會關心USB介面上連線的是什麼外部裝置，而且它確實也無須知道。它的任務就是讀取USB介面，掛接的外部裝置只要符合USB介面標準即可。

所以，如果我給電腦主機連線上一個U盤，那麼主機就從U盤上讀取檔案；如果我給電腦主機連線上一個外接硬碟，那麼電腦主機就從外接硬碟上讀取檔案。

掛接外部裝置的權力由我作主，即控制權歸我，至於USB介面掛接的是什麼裝置，電腦主機是決定不了，它只能被動的接受。
電腦主機需要外部裝置的時候，根本不用它告訴我，我就會主動幫它掛上它想要的外部裝置，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注入的例子。在這個過程中，我就起到了IOC容器的作用。

通過這個例子,依賴注入的思路已經非常清楚：當電腦主機讀取檔案的時候，我就把它所要依賴的外部裝置，幫他掛接上。整個外部裝置注入的過程和一個被依賴的物件在系統執行時被注入另外一個物件內部的過程完全一樣。
我們把依賴注入應用到軟體系統中，再來描述一下這個過程：

物件A依賴於物件B,當物件 A需要用到物件B的時候，IOC容器就會立即建立一個物件B送給物件A。IOC容器就是一個物件製造工廠，你需要什麼，它會給你送去，你直接使用就行了，而再也不用去關心你所用的東西是如何製成的，也不用關心最後是怎麼被銷燬的，這一切全部由IOC容器包辦。
在傳統的實現中，由程式內部程式碼來控制元件之間的關係。我們經常使用new關鍵字來實現兩個元件之間關係的組合，這種實現方式會造成元件之間耦合。IOC很好地解決了該問題，它將實現元件間關係從程式內部提到外部容器，也就是說由容器在執行期將元件間的某種依賴關係動態注入元件中。

4 IOC為我們帶來了什麼好處

我們還是從USB的例子說起，使用USB外部裝置比使用內建硬碟，到底帶來什麼好處？

• 第一、USB裝置作為電腦主機的外部裝置，在插入主機之前，與電腦主機沒有任何的關係，只有被我們連線在一起之後，兩者才發生聯絡，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執行。這種特性體現在軟體工程中，就是可維護性比較好，非常便於進行單元測試，便於偵錯程式和診斷故障。程式碼中的每一個Class都可以單獨測試，彼此之間互不影響，只要保證自身的功能無誤即可，這就是元件之間低耦合或者無耦合帶來的好處。
• 第二、USB裝置和電腦主機的之間無關性，還帶來了另外一個好處，生產USB裝置的廠商和生產電腦主機的廠商完全可以是互不相干的人，各幹各事，他們之間唯一需要遵守的就是USB介面標準。這種特性體現在軟體開發過程中，好處可是太大了。每個開發團隊的成員都只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係，你的任務可以單獨測試，你的任務也不用依賴於別人的元件，再也不用扯不清責任了。所以，在一個大中型專案中，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外部裝置可以插接到任何支援USB的裝置，可以插接到電腦主機，也可以插接到DV機，USB外部裝置可以被反覆利用。在軟體工程中，這種特性就是可複用性好，我們可以把具有普遍性的常用元件獨立出來，反覆利用到專案中的其它部分，或者是其它專案，當然這也是物件導向的基本特徵。顯然，IOC不僅更好地貫徹了這個原則，提高了模組的可複用性。符合介面標準的實現，都可以插接到支援此標準的模組中。
• 第四、同USB外部裝置一樣，模組具有熱插拔特性。IOC生成物件的方式轉為外接方式，也就是把物件生成放在組態檔裡進行定義，這樣，當我們更換一個實現子類將會變得很簡單，只要修改組態檔就可以了，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，讓我們在專案開發過程中使用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)”程式設計，目前.Net C#、Java和PHP5等語言均支援，其中PHP5的技術書籍中，有時候也被翻譯成“對映”。有關反射的概念和用法，大家應該都很清楚，通俗來講就是根據給出的類名（字串方式）來動態地生成物件。

這種程式設計方式可以讓物件在生成時才決定到底是哪一種物件。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了，但一直被忽略，沒有被進一步的利用。當時的反射程式設計方式相對於正常的物件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，反射方式生成物件和通常物件生成方式，速度已經相差不大了，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昇華，可以把IOC容器看作是一個工廠，這個工廠裡要生產的物件都在組態檔中給出定義，然後利用程式語言的的反射程式設計，根據組態檔中給出的類名生成相應的物件。從實現來看，IOC是把以前在工廠方法裡寫死的物件生成程式碼，改變為由組態檔來定義，也就是把工廠和物件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，大中小專案中都有使用，非常成熟，應用廣泛，EJB在關鍵性的工業級專案中也被使用，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專案中。

7 使用IOC框架應該注意什麼

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、軟體系統中由於引入了第三方IOC容器，生成物件的步驟變得有些複雜，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，引入了一個全新的框架，就會增加團隊成員學習和認識的培訓成本，並且在以後的執行維護中，還得讓新加入者具備同樣的知識體系。
• 第二、由於IOC容器生成物件是通過反射方式，在執行效率上有一定的損耗。如果你要追求執行效率的話，就必須對此進行權衡。
• 第三、具體到IOC框架產品(比如：Spring)來講，需要進行大量的配製工作，比較繁瑣，對於一些小的專案而言，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，那麼會影響到整個專案，所以這也是一個隱性的風險。

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