手寫IOC實現過程

張天賜的部落格發表於2020-08-08

一.手寫ioc前基礎知識

1.什麼是IOC（Inversion of Control 控制反轉）？

IoC不是一種技術，只是一種思想，一個重要的物件導向程式設計的法則，它能指導我們如何設計出鬆耦合、更優良的程式。傳統應用程式都是由我們在類內部主動建立依賴物件，從而導致類與類之間高耦合，難於測試；有了IoC容器後，把建立和查詢依賴物件的控制權交給了容器，由容器進行注入組合物件，所以物件與物件之間是鬆散耦合，這樣也方便測試，利於功能複用，更重要的是使得程式的整個體系結構變得非常靈活。

其實IoC對程式設計帶來的最大改變不是從程式碼上，而是從思想上，發生了“主從換位”的變化。應用程式原本是老大，要獲取什麼資源都是主動出擊，但是在IoC/DI思想中，應用程式就變成被動的了，被動的等待IoC容器來建立並注入它所需要的資源了。

IoC很好的體現了物件導向設計法則之一—— 好萊塢法則：“別找我們，我們找你”；即由IoC容器幫物件找相應的依賴物件並注入，而不是由物件主動去找。

2.什麼是DI(Dependency Injection 依賴注入)?

DI—Dependency Injection，即“依賴注入”：是元件之間依賴關係由容器在執行期決定，形象的說，即由容器動態的將某個依賴關係注入到元件之中。依賴注入的目的並非為軟體系統帶來更多功能，而是為了提升元件重用的頻率，併為系統搭建一個靈活、可擴充套件的平臺。通過依賴注入機制，我們只需要通過簡單的配置，而無需任何程式碼就可指定目標需要的資源，完成自身的業務邏輯，而不需要關心具體的資源來自何處，由誰實現。

3.IOC和DI什麼關係？

IoC和DI由什麼關係呢？其實它們是同一個概念的不同角度描述，由於控制反轉概念比較含糊（可能只是理解為容器控制物件這一個層面，很難讓人想到誰來維護物件關係），所以2004年大師級人物Martin Fowler又給出了一個新的名字：“依賴注入”，相對IoC 而言，依賴注入”明確描述了“被注入物件依賴IoC容器配置依賴物件”。

4.什麼是依賴？

傳統應用程式設計中所說的依賴一般指“類之間的關係”，那先讓我們複習一下類之間的關係：

泛化：表示類與類之間的繼承關係、介面與介面之間的繼承關係；

實現：表示類對介面的實現；

依賴：當類與類之間有使用關係時就屬於依賴關係，不同於關聯關係，依賴不具有“擁有關係”，而是一種“相識關係”，只在某個特定地方（比如某個方法體內）才有關係。

關聯：表示類與類或類與介面之間的依賴關係，表現為“擁有關係”；具體到程式碼可以用例項變數來表示；

聚合：屬於是關聯的特殊情況，體現部分-整體關係，是一種弱擁有關係；整體和部分可以有不一樣的生命週期；是一種弱關聯；

組合：屬於是關聯的特殊情況，也體現了體現部分-整體關係，是一種強“擁有關係”；整體與部分有相同的生命週期，是一種強關聯；

Spring IoC容器的依賴有兩層含義：Bean依賴容器和容器注入Bean的依賴資源：

Bean依賴容器：也就是說Bean要依賴於容器，這裡的依賴是指容器負責建立Bean並管理Bean的生命週期，正是由於由容器來控制建立Bean並注入依賴，也就是控制權被反轉了，這也正是IoC名字的由來，此處的有依賴是指Bean和容器之間的依賴關係。

容器注入Bean的依賴資源：容器負責注入Bean的依賴資源，依賴資源可以是Bean、外部檔案、常量資料等，在Java中都反映為物件，並且由容器負責組裝Bean之間的依賴關係，此處的依賴是指Bean之間的依賴關係，可以認為是傳統類與類之間的“關聯”、“聚合”、“組合”關係。

5.依賴注入的好處？

動態替換Bean依賴物件，程式更靈活：替換Bean依賴物件，無需修改原始檔：應用依賴注入後，由於可以採用配置檔案方式實現，從而能隨時動態的替換Bean的依賴物件，無需修改java原始檔；

更好實踐面向介面程式設計，程式碼更清晰：在Bean中只需指定依賴物件的介面，介面定義依賴物件完成的功能，通過容器注入依賴實現；

更好實踐優先使用物件組合，而不是類繼承：因為IoC容器採用注入依賴，也就是組合物件，從而更好的實踐物件組合。

採用物件組合，Bean的功能可能由幾個依賴Bean的功能組合而成，其Bean本身可能只提供少許功能或根本無任何功能，全部委託給依賴Bean，物件組合具有動態性，能更方便的替換掉依賴Bean，從而改變Bean功能；
而如果採用類繼承，Bean沒有依賴Bean，而是採用繼承方式新增新功能，，而且功能是在編譯時就確定了，不具有動態性，而且採用類繼承導致Bean與子Bean之間高度耦合，難以複用。

增加Bean可複用性：依賴於物件組合，Bean更可複用且複用更簡單；

降低Bean之間耦合：由於我們完全採用面向介面程式設計，在程式碼中沒有直接引用Bean依賴實現，全部引用介面，而且不會出現顯示的建立依賴物件程式碼，而且這些依賴是由容器來注入，很容易替換依賴實現類，從而降低Bean與依賴之間耦合；

程式碼結構更清晰：要應用依賴注入，程式碼結構要按照規約方式進行書寫，從而更好的應用一些最佳實踐，因此程式碼結構更清晰。

從以上我們可以看出，其實依賴注入只是一種裝配物件的手段，設計的類結構才是基礎，如果設計的類結構不支援依賴注入，Spring IoC容器也注入不了任何東西，從而從根本上說“如何設計好類結構才是關鍵，依賴注入只是一種裝配物件手段”。

二. 手寫IOC

標記配置分為集中式管理和分散式管理，即xml檔案方式和註解方式配置後設資料資訊，手寫ioc我採用註解配置後設資料方式來實現ioc的大致執行過程。

1.定義後設資料配置資訊

@Component/@Controller/@Repository@Service

掃描什麼樣的class裝載到ioc容器中進行管理。

@Autowired

什麼樣的物件進行依賴注入。

/**
 * @Classname Component
 * @Description
 * @Date 2020/8/6 14:54
 * @Created by zhangtianci
 */
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Component {
}

/**
 * @Classname Controller
 * @Description TODO
 * @Date 2020/8/6 14:56
 * @Created by zhangtianci
 */
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Controller {
}

/**
 * @Classname Repository
 * @Description TODO
 * @Date 2020/8/6 14:58
 * @Created by zhangtianci
 */
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Repository {
}

/**
 * @Classname Service
 * @Description TODO
 * @Date 2020/8/6 14:57
 * @Created by zhangtianci
 */
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Service {
}

/**
 * @Classname Autowired
 * @Description 自動注入註解
 * @Date 2020/8/6 14:28
 * @Created by zhangtianci
 */
@Target(ElementType.FIELD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Autowired {
    String value() default "";
}

2.實現ioc容器

核心功能：載入被配置標記的class檔案，交給ioc容器管理。

package org.simplespring.core;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.simplespring.core.annotation.Component;
import org.simplespring.core.annotation.Controller;
import org.simplespring.core.annotation.Repository;
import org.simplespring.core.annotation.Service;
import org.simplespring.util.ClassUtil;
import org.simplespring.util.ValidationUtil;

import java.lang.annotation.Annotation;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

/**
 * @Classname BeanContainer
 * @Description bean容器
 * <p>
 * BeanContainer應該是單例的 採用內部列舉的方式實現。
 *
 * 應該擁有的例項方法:
 * 1.boolean isLoad() 是否載入
 * 2.int getSize()    獲取bean個數
 * 3.loadBeans(String packageName) 根據包名載入所有被配置標記的class檔案/
 * 4.獲取/刪除/增加bean及提供一些便利的方法
 *
 * @Date 2020/8/6 14:41
 * @Created by zhangtianci
 */
@Slf4j
public class BeanContainer {
    /**
     * 存放所有被配置標記（xml/註解）的class，並new出一個例項物件bean
     * 存放在一個map中
     */
    private final Map<Class<?>, Object> beanMap = new ConcurrentHashMap<>();

    /**
     * 載入bean的註解列表
     */
    private static final List<Class<? extends Annotation>> BEAN_ANNOTATION
            = Arrays.asList(Component.class, Controller.class, Service.class, Repository.class);

    /**
     * 是否已經載入過bean
     */
    private boolean loaded = false;

    /**
     * 獲取bean容器
     *
     * @return
     */
    public static BeanContainer getInstance() {
        return ContainerHolder.HOLDER.instance;
    }

    private enum ContainerHolder {
        HOLDER;

        private BeanContainer instance;

        ContainerHolder() {
            instance = new BeanContainer();
        }
    }

    /**
     * 是否已經載入過bean
     */
    public boolean isLoad(){
        return loaded;
    }

    /**
     * 獲取容器中bean的個數
     */

    public int getSize(){
        return beanMap.size();
    }

    /**
     * 載入指定路徑下的所有class檔案
     * 並將所有被配置標記（xml/註解）的class物件和new出一個例項物件放入容器
     */
    public synchronized void loadBeans(String packageName){
        //判斷容器是否已經載入過
        if (loaded){
            log.warn("Container has loaded!");
            return;
        }
        // 匯出所有的class物件
        Set<Class<?>> classSet = ClassUtil.extractPackageClass(packageName);
        //為空直接return
        if (ValidationUtil.isEmpty(classSet)) {
            log.warn("extract nothing from packageName" + packageName);
            return;
        }

        classSet.stream().forEach(clazz -> {
            for (Class<? extends Annotation> annotationClazz : BEAN_ANNOTATION) {
                if (clazz.isAnnotationPresent(annotationClazz)){
                    //將目標類本身作為鍵，目標類的例項作為值，放入到beanMap中
                    beanMap.put(clazz, ClassUtil.newInstance(clazz, true));
                }
            }

        });

        loaded = true;
    }


    /**
     * 新增一個class物件及其Bean例項
     *
     * @param clazz Class物件
     * @param bean  Bean例項
     * @return 原有的Bean例項, 沒有則返回null
     */
    public Object addBean(Class<?> clazz, Object bean) {
        return beanMap.put(clazz, bean);
    }

    /**
     * 移除一個IOC容器管理的物件
     *
     * @param clazz Class物件
     * @return 刪除的Bean例項, 沒有則返回null
     */
    public Object removeBean(Class<?> clazz) {
        return beanMap.remove(clazz);
    }

    /**
     * 根據Class物件獲取Bean例項
     *
     * @param clazz Class物件
     * @return Bean例項
     */
    public Object getBean(Class<?> clazz) {
        return beanMap.get(clazz);
    }
    /**
     * 獲取容器管理的所有Class物件集合
     *
     * @return Class集合
     */
    public Set<Class<?>> getClasses(){
        return beanMap.keySet();
    }
    /**
     * 獲取所有Bean集合
     *
     * @return Bean集合
     */
    public Set<Object> getBeans(){
        return new HashSet<>( beanMap.values());
    }
    /**
     * 根據註解篩選出Bean的Class集合
     *
     * @param annotation 註解
     * @return Class集合
     */
    public Set<Class<?>> getClassesByAnnotation(Class<? extends Annotation> annotation){
        //1.獲取beanMap的所有class物件
        Set<Class<?>> keySet = getClasses();
        if(ValidationUtil.isEmpty(keySet)){
            log.warn("nothing in beanMap");
            return null;
        }
        //2.通過註解篩選被註解標記的class物件，並新增到classSet裡
        Set<Class<?>> classSet = new HashSet<>();
        for(Class<?> clazz : keySet){
            //類是否有相關的註解標記
            if(clazz.isAnnotationPresent(annotation)){
                classSet.add(clazz);
            }
        }
        return classSet.size() > 0? classSet: null;
    }
    /**
     * 通過介面或者父類獲取實現類或者子類的Class集合，不包括其本身
     *
     * @param interfaceOrClass 介面Class或者父類Class
     * @return Class集合
     */
    public Set<Class<?>> getClassesBySuper(Class<?> interfaceOrClass){
        //1.獲取beanMap的所有class物件
        Set<Class<?>> keySet = getClasses();
        if(ValidationUtil.isEmpty(keySet)){
            log.warn("nothing in beanMap");
            return null;
        }
        //2.判斷keySet裡的元素是否是傳入的介面或者類的子類，如果是，就將其新增到classSet裡
        Set<Class<?>> classSet = new HashSet<>();
        for(Class<?> clazz : keySet){
            //判斷keySet裡的元素是否是傳入的介面或者類的子類
            if(interfaceOrClass.isAssignableFrom(clazz) && !clazz.equals(interfaceOrClass)){
                classSet.add(clazz);
            }
        }
        return classSet.size() > 0? classSet: null;
    }


}

3.定義依賴注入器

核心功能：掃描被管理的bean物件，進行依賴注入。

package org.simplespring.inject;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.simplespring.core.BeanContainer;
import org.simplespring.inject.annotation.Autowired;
import org.simplespring.util.ClassUtil;
import org.simplespring.util.ValidationUtil;
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.Set;

/**
 * @Classname DependencyInjector
 * @Description 依賴注入器
 * @Date 2020/8/6 14:38
 * @Created by zhangtianci
 */
@Slf4j
public class DependencyInjector {
    /**
     * 擁有一個Bean容器
     */
    private BeanContainer beanContainer;
    public DependencyInjector(){
        beanContainer = BeanContainer.getInstance();
    }


    /**
     * 執行依賴注入
     *
     * 1.遍歷Bean容器中所有的Class物件
     * 2.遍歷Class物件的所有成員變數
     * 3.找出被Autowired標記的成員變數
     * 4.獲取這些成員變數的型別
     * 5.獲取這些成員變數的型別在容器裡對應的例項
     * 6.通過反射將對應的成員變數例項注入到成員變數所在類的例項裡
     */
    public void doIoc(){
        if(ValidationUtil.isEmpty(beanContainer.getClasses())){
            log.warn("empty classset in BeanContainer");
            return;
        }
        //1.遍歷Bean容器中所有的Class物件
        for(Class<?> clazz : beanContainer.getClasses()){
            //2.遍歷Class物件的所有成員變數
            Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
            if (ValidationUtil.isEmpty(fields)){
                continue;
            }
            for(Field field : fields){
                //3.找出被Autowired標記的成員變數
                if(field.isAnnotationPresent(Autowired.class)){
                    Autowired autowired = field.getAnnotation(Autowired.class);
                    String autowiredValue = autowired.value();
                    //4.獲取這些成員變數的型別
                    Class<?> fieldClass = field.getType();
                    //5.獲取這些成員變數的型別在容器裡對應的例項
                    Object fieldValue = getFieldInstance(fieldClass, autowiredValue);
                    if(fieldValue == null){
                        throw new RuntimeException("unable to inject relevant type，target fieldClass is:" + fieldClass.getName() + " autowiredValue is : " + autowiredValue);
                    } else {
                        //6.通過反射將對應的成員變數例項注入到成員變數所在類的例項裡
                        Object targetBean =  beanContainer.getBean(clazz);
                        ClassUtil.setField(field, targetBean, fieldValue, true);
                    }
                }
            }
        }


    }
    /**
     * 根據Class在beanContainer裡獲取其例項或者實現類
     */
    private Object getFieldInstance(Class<?> fieldClass, String autowiredValue) {
        Object fieldValue = beanContainer.getBean(fieldClass);
        if (fieldValue != null){
            return fieldValue;
        } else {
            Class<?> implementedClass = getImplementedClass(fieldClass, autowiredValue);
            if(implementedClass != null){
                return beanContainer.getBean(implementedClass);
            } else {
                return null;
            }
        }
    }
    /**
     * 獲取介面的實現類
     */
    private Class<?> getImplementedClass(Class<?> fieldClass, String autowiredValue) {
        Set<Class<?>> classSet =  beanContainer.getClassesBySuper(fieldClass);
        if(!ValidationUtil.isEmpty(classSet)){
            if(ValidationUtil.isEmpty(autowiredValue)){
                if(classSet.size() == 1){
                    return classSet.iterator().next();
                } else {
                    //如果多於兩個實現類且使用者未指定其中一個實現類，則丟擲異常
                    throw new RuntimeException("multiple implemented classes for " + fieldClass.getName() + " please set @Autowired's value to pick one");
                }
            } else {
                for(Class<?> clazz : classSet){//別名採用clazz.getSimpleName()簡單實現
                    if(autowiredValue.equals(clazz.getSimpleName())){
                        return clazz;
                    }
                }
            }
        }
        return null;
    }


}

4.工具包

作為框架類載入/反射/校驗等功能。

package org.simplespring.util;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.File;
import java.io.FileFilter;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;
import java.net.URL;
import java.util.Arrays;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

/**
 * @Classname ClassUtil
 * @Description
 * @Date 2020/8/8 15:20
 * @Created by zhangtianci
 */
@Slf4j
public class ClassUtil {

    public static final String FILE_PROTOCOL = "file";

    /**
     * 獲取類載入器
     * 因為專案部署在tomcat等一些web容器中
     * 這些web容器載入部署在裡面的apps 所以需要自定義classLoader去載入class檔案
     * 當我們寫框架需要去通過類載入器去載入class檔案時 就需要通過Thread.currentThread().getContextClassLoader()
     * 拿到tomcat的自定義的classLoader去載入專案裡面的class檔案
     * 詳情 參考我寫的classLoader載入相關文章
     * @return
     */
    public static ClassLoader getClassLoader(){
        return Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    }

    /**
     * 通過包名載入class
     *
     * 點進去Class.forName()方法進去看看
     *
     * @CallerSensitive
     *     public static Class<?> forName(String className)
     *                 throws ClassNotFoundException {
     *         Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
     *         return forName0(className, true, ClassLoader.getClassLoader(caller), caller);
     *     }
     *
     *     獲取到呼叫這個方法的class物件  然後用這個class物件的classLoader去載入這個class檔案
     *     所以歸根結底是 拿到tomcat的自定義的classLoader去載入的class檔案
     *     所以沒問題
     * @param className class全名=package + 類名
     * @return
     */
    public static Class<?> loadClass(String className){
        try {
            return Class.forName(className);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            log.error("loadClass failed!",e);
            throw new RuntimeException(e);
        }

    }


    /**
     * 通過一個class物件例項化一個例項物件(通過預設構造器)
     * @param clazz
     * @param accessible
     * @param <T>
     * @return
     */
    public static <T> T newInstance(Class<?> clazz, boolean accessible){
        try {
            //clazz.getDeclaredConstructor() 獲取指定引數類表的構造器
            //這裡獲取預設構造器
            Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
            constructor.setAccessible(accessible);
            return (T)constructor.newInstance();
        } catch (Exception e) {
            log.error("new instance failed!");
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    /**
     * 設定類的屬性值
     *
     * @param field      成員變數
     * @param target     類例項
     * @param value      成員變數的值
     * @param accessible 是否允許設定私有屬性
     */
    public static void setField(Field field, Object target, Object value, boolean accessible){
        field.setAccessible(accessible);
        try {
            field.set(target, value);
        } catch (IllegalAccessException e) {
            log.error("setField error", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }


    /**
     * 載入包路徑下的所有的class檔案
     * 將class物件放進set集合中
     *
     * 1.獲取classLoader載入器
     * 2.遞迴載入路徑下的所有class檔案
     * @param packageName
     * @return
     */
    public static Set<Class<?>> extractPackageClass(String packageName){

        //1.獲取classLoader載入器
        ClassLoader classLoader = getClassLoader();
        //2.獲取資原始檔的的url
        URL url = classLoader.getResource(packageName.replace(".","/"));
        if (url == null){
            log.warn("unable to retrieve anything from package: " + packageName);
            return  null;
        }

        //3.依據不同的資源型別，採用不同的方式獲取資源的集合
        Set<Class<?>> classSet = null;
        //過濾出檔案型別的資源
        if (url.getProtocol().equalsIgnoreCase(FILE_PROTOCOL)){
            classSet = new HashSet<Class<?>>();
            File packageDirectory = new File(url.getPath());
            extractClassFile(classSet, packageDirectory, packageName);
        }
        //TODO 此處可以加入針對其他型別資源的處理

        return null;
    }

    /**
     * 遞迴載入包路徑下的class檔案
     * @param classSet
     * @param packageDirectory
     * @param packageName
     */
    private static void extractClassFile(Set<Class<?>> classSet, File packageDirectory, String packageName) {

        if(!packageDirectory.isDirectory()){
            return;
        }
        //如果是一個資料夾，則呼叫其listFiles方法獲取資料夾下的檔案或資料夾
        File[] files = packageDirectory.listFiles(new FileFilter() {
            @Override
            public boolean accept(File pathname) {
                if(pathname.isDirectory()){
                    return true;
                } else{
                    //獲取檔案的絕對值路徑
                    String absoluteFilePath = pathname.getAbsolutePath();
                    if(absoluteFilePath.endsWith(".class")){
                        //若是class檔案，則直接載入
                        addToClassSet(absoluteFilePath);
                    }
                }
                return false;
            }


            //根據class檔案的絕對值路徑，獲取並生成class物件，並放入classSet中
            private void addToClassSet(String absoluteFilePath) {
                //1.從class檔案的絕對值路徑裡提取出包含了package的類名
                //如/Users/zhangtc/springframework/simple-spring/target/classes/com/zhangtianci/entity/dto/MainPageInfoDTO.class
                //需要弄成com.zhangtianci.entity.dto.MainPageInfoDTO
                absoluteFilePath = absoluteFilePath.replace(File.separator, ".");
                String className = absoluteFilePath.substring(absoluteFilePath.indexOf(packageName));
                className = className.substring(0, className.lastIndexOf("."));
                //2.通過反射機制獲取對應的Class物件並加入到classSet裡
                Class targetClass = loadClass(className);
                classSet.add(targetClass);
            }
        });

        if(files == null){
            return;
        }
        Arrays.stream(files).forEach( file -> {
            extractClassFile(classSet,file,packageName);
        });


    }


}

package org.simplespring.util;

import java.util.Collection;
import java.util.Map;

public class ValidationUtil {
    /**
     * String是否為null或""
     *
     * @param obj String
     * @return 是否為空
     */
    public static boolean isEmpty(String obj) {
        return (obj == null || "".equals(obj));
    }

    /**
     * Array是否為null或者size為0
     *
     * @param obj Array
     * @return 是否為空
     */
    public static boolean isEmpty(Object[] obj) {
        return obj == null || obj.length == 0;
    }
    /**
     * Collection是否為null或size為0
     *
     * @param obj Collection
     * @return 是否為空
     */
    public static boolean isEmpty(Collection<?> obj){
        return obj == null || obj.isEmpty();
    }
    /**
     * Map是否為null或size為0
     *
     * @param obj Map
     * @return 是否為空
     */
    public static boolean isEmpty(Map<?, ?> obj) {
        return obj == null || obj.isEmpty();
    }
}

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