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05 | Spring DI容器：如何分析一个软件的模型？
来源：极客时间
2022-06-20 08:57
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你好！我是郑晔。 在上一讲中，我们讨论了如何了解一个软件的设计，主要是从三个部分入手：模型、接口和实现。那么，在接下来的三讲中，我将结合几个典型的开源项目，告诉你如何具体地理解一个软件的模型、接口和实现。 今天这一讲，我们就先来谈谈了解设计的第一步：模型。如果拿到一个项目，我们怎么去理解它的模型呢？ 我们肯定要先知道项目提供了哪些模型，模型又提供了怎样的能力。这是所有人都知道的事情，我并不准备深入地去探讨。但如果只知道这些，你只是在了解别人设计的结果，这种程度并不足以支撑你后期对模型的维护。 在一个项目中，常常会出现新人随意向模型中添加内容，修改实现，让模型变得难以维护的情况。造成这一现象的原因就在于他们对于模型的理解不到位。 我们都知道，任何模型都是为了解决问题而生的，所以，理解一个模型，需要了解在没有这个模型之前，问题是如何被解决的，这样，你才能知道新的模型究竟提供了怎样的提升。也就是说，理解一个模型的关键在于，要了解这个模型设计的来龙去脉，知道它是如何解决相应的问题。 今天我们以 Spring 的 DI 容器为例，来看看怎样理解软件的模型。 耦合的依赖 ----- Spring 在 Java 世界里绝对是大名鼎鼎，如果你今天在做 Java 开发而不用 Spring，那么你大概率会被认为是个另类。 今天很多程序员都把 Spring 当成一个成熟的框架，很少去仔细分析 Spring 的设计。但作为一个从 0.8 版本就开始接触 Spring 的程序员，我刚好有幸经历了 Spring 从渺小到壮大的过程，得以体会到 Spring 给行业带来的巨大思维转变。 如果说 Spring 这棵参天大树有一个稳健的根基，那其根基就应该是 Spring 的 DI 容器。DI 是 Dependency Injection 的缩写，也就是“依赖注入”。Spring 的各个项目都是这个根基上长出的枝芽。 那么，DI 容器要解决的问题是什么呢？它解决的是组件创建和组装的问题，但是为什么这是一个需要解决的问题呢？这就需要我们了解一下组件的创建和组装。 在前面的课程中，我讲过，软件设计需要有一个分解的过程，所以，它必然还要面对一个组装的过程，也就是把分解出来的各个组件组装到一起，完成所需要的功能。 为了叙述方便，我采用 Java 语言来进行后续的描述。 我们从程序员最熟悉的一个查询场景开始。假设我们有一个文章服务（ArticleService）提供根据标题查询文章的功能。当然，数据是需要持久化的，所以，这里还有一个 ArticleRepository，用来与持久化数据打交道。 熟悉 DDD 的同学可能发现了，这个仓库（Repository）的概念来自于 DDD。如果你不熟悉也没关系，它就是与持久化数据打交道的一层，和一些人习惯的 Mapper 或者 DAO（Data Access Object）类似，你可以简单地把它理解成访问数据库的代码。 class ArticleService { //提供根据标题查询文章的服务 Article findByTitle(final String title) { ... } } interface ArticleRepository { //在持久化存储中，根据标题查询文章 Article findByTitle(final String title)； } 在 ArticleService 处理业务的过程中，需要用到 ArticleRepository 辅助它完成功能，也就是说，ArticleService 要依赖于 ArticleRepository。这时你该怎么做呢？一个直接的做法就是在 ArticleService 中增加一个字段表示 ArticleRepository。 class ArticleService { private ArticleRepository repository; public Article findByTitle(final String title) { // 做参数校验 return this.repository.findByTitle(title); } } 目前看起来一切都还好，但是接下来，问题就来了，这个字段怎么初始化呢？程序员一般最直接的反应就是直接创建这个对象。这里选用了一个数据库版本的实现（DBArticleRepository）。 class ArticleService { private ArticleRepository repository \= new DBArticleRepository(); public Article findByTitle(final String title) { // 做参数校验 return this.repository.findByTitle(title); } } 看上去很好，但实际上 DBArticleRepository 并不能这样初始化。正如这个实现类的名字所表示的那样，我们这里要用到数据库。但在真实的项目中，由于资源所限，我们一般不会在应用中任意打开数据库连接，而是会选择共享数据库连接。所以，DBArticleRepository 需要一个数据库连接（Connection）的参数。在这里，你决定在构造函数里把这个参数传进来。 class ArticlService { private ArticleRepository repository; public ArticlService(final Connection connection) { this.repository = new DBArticleRepository(connection); } public Article findByTitle(final String title) { // 做参数校验 return this.repository.findByTitle(title); } } 好，代码写完了，它看上去一切正常。如果你的开发习惯仅仅到此为止，可能你会觉得这还不错。但我们并不打算做一个只写代码的程序员，所以，我们要进入下一个阶段：测试。 一旦开始准备测试，你就会发现，要让 ArticleService 跑起来，那就得让 ArticleRepository 也跑起来；要让 ArticleRepository 跑起来，那就得准备数据库连接。 是不是觉得太麻烦，想放弃测试。但有职业素养的你，决定坚持一下，去准备数据库连接信息。 然后，真正开始写测试时，你才发现，要测试，你还要在数据库里准备各种数据。比如，要测查询，你就得插入一些数据，看查出来的结果和插入的数据是否一致；要测更新，你就得先插入数据，测试跑完，再看数据更新是否正确。 不过，你还是没有放弃，咬着牙准备了一堆数据之后，你突然困惑了：我在干什么？我不是要测试服务吗？做数据准备不是测试仓库的时候应该做的事吗？ 那么，问题出在哪儿呢？其实就在你创建对象的那一刻，问题就出现了。 分离的依赖 ----- 为什么说从创建对象开始就出问题了呢？ 因为当我们创建一个对象时，就必须要有一个具体的实现类，对应到我们这里，就是那个 DBArticleRepository。虽然我们的 ArticleService 写得很干净，其他部分根本不依赖于 DBArticleRepository，只在构造函数里依赖了，但依赖就是依赖。 与此同时，由于要构造 DBArticleRepository 的缘故，我们这里还引入了 Connection 这个类，这个类只与 DBArticleRepository 的构造有关系，与我们这个 ArticleService 的业务逻辑一点关系都没有。 所以，你看到了，只是因为引入了一个具体的实现，我们就需要把它周边配套的东西全部引入进来，而这一切与这个类本身的业务逻辑没有任何关系。 这就好像，你原本打算买一套家具，现在却让你必须了解树是怎么种的、怎么伐的、怎么加工的，以及家具是怎么设计、怎么组装的，而你想要的只是一套能够使用的家具而已。 这还只是最简单的场景，在真实的项目中，构建一个对象可能还会牵扯到更多的内容： 根据不同的参数，创建不同的实现类对象，你可能需要用到工厂模式。 为了了解方法的执行时间，需要给被依赖的对象加上监控。 依赖的对象来自于某个框架，你自己都不知道具体的实现类是什么。 …… 所以，即便是最简单的对象创建和组装，也不像看起来那么简单。 既然直接构造存在这么多的问题，那么最简单的办法就是把创建的过程拿出去，只留下与字段关联的过程： class ArticleService { private ArticleRepository repository; public ArticleService(final ArticleRepository repository) { this.repository = repository; } public Article findByTitle(final String title) { // 做参数校验 return this.repository.findByTitle(title); } } 这时候，ArticleService 就只依赖 ArticleRepository。而测试 ArticleService 也很简单，只要用一个对象将 ArticleRepository 的行为模拟出来就可以了。通常这种模拟对象行为的工作用一个现成的程序库就可以完成，这就是那些 Mock 框架能够帮助你完成的工作。 或许你想问，在之前的代码里，如果我用 Mock 框架模拟 Connection 类是不是也可以呢？理论上，的确可以。但是想要让 ArticleService 的测试通过，就必须打开 DBArticleRepository 的实现，只有配合着其中的实现，才可能让 ArticleService 跑起来。显然，你跑远了。 现在，对象的创建已经分离了出去，但还是要要有一个地方完成这个工作，最简单的解决方案自然是，把所有的对象创建和组装在一个地方完成： ... ArticleRepository repository \= new DBArticleRepository(connection); AriticleService service \= new ArticleService(repository); ... 相比于业务逻辑，组装过程并没有什么复杂的部分。一般而言，纯粹是一个又一个对象的创建以及传参的过程，这部分的代码看上去会非常的无聊。 虽然很无聊，但这一部分代码很重要，最好的解决方案就是有一个框架把它解决掉。在 Java 世界里，这种组装一堆对象的东西一般被称为“容器”，我们也用这个名字。 Container container = new Container(); container.bind(Connection.class).to(connection); container.bind(ArticleReposistory.class).to(DBArticleRepository.class); container.bind(ArticleService.class).to(ArticleService.class) ArticleService service = container.getInstance(ArticleService.class); 至此，一个容器就此诞生。因为它解决的是依赖的问题，把被依赖的对象像药水一样，注入到了目标对象中，所以，它得名“依赖注入”（Dependency Injection，简称 DI）。这个容器也就被称为 DI 容器了。 至此，我简单地给你介绍了 DI 容器的来龙去脉。虽然上面这段和 Spring DI 容器长得并不一样，但其原理是一致的，只是接口的差异而已。 事实上，这种创建和组装对象的方式在当年引发了很大的讨论，直到最后 Martin Fowler 写了一篇《反转控制容器和依赖注入模式》的文章，才算把大家的讨论做了一个总结，行业里总算是有了一个共识。 那段时间，DI 容器也得到了蓬勃的发展，很多开源项目都打造了自己的 DI 容器，Spring 是其中最有名的一个。只不过，Spring 并没有就此止步，而是在这样一个小内核上面发展出了更多的东西，这才有了我们今天看到的庞大的 Spring 王国。 讲到这里，你会想，那这和我们要讨论的“模型”有什么关系呢？ 正如我前面所说，很多人习惯性把对象的创建和组装写到了一个类里面，这样造成的结果就是，代码出现了大量的耦合。时至今日，很多项目依然在犯同样的错误。很多项目测试难做，原因就在于此。这也从另外一个侧面佐证了可测试性的作用，我们曾在第 3 讲中说过：可测试性是衡量设计优劣的一个重要标准。 由此可见，在没有 DI 容器之前，那是怎样的一个蛮荒时代啊！ 有了 DI 容器之后呢？你的代码就只剩下关联的代码，对象的创建和组装都由 DI 容器完成了。甚至在不经意间，你有了一个还算不错的设计：至少你做到了面向接口编程，它的实现是可以替换的，它还是可测试的。与之前相比，这是一种截然不同的思考方式，而这恰恰就是 DI 容器这个模型带给我们的。 而且，一旦有了容器的概念，它还可以不断增强。比如，我们想给所有与数据库相关的代码加上时间监控，只要在容器构造对象时添加处理即可。你可能已经发现了，这就是 AOP（Aspect Oriented Programming，面向切面编程）的处理手法。而这些改动，你的业务代码并无感知。 Spring 的流行，对于提升 Java 世界整体编程的质量是大有助益的。因为它引导的设计方向是一个好的方向，一个普通的 Java 程序员写出来的程序只要符合 Spring 引导的方向，那么它的基本质量就是有保障的，远超那个随意写程序的年代。 不过，如果你不能认识到 DI 容器引导的方向，我们还是无法充分利用它的优势，更糟糕的是，我们也不能太低估一些程序员的破坏力。我还是见过很多程序员即便在用了 Spring 之后，依然是自己构造对象，静态方法满天飞，把原本一个还可以的设计，打得七零八落。 你看，通过上面的分析，我们知道了，只有理解了模型设计的来龙去脉，清楚认识到它在解决的问题，才能更好地运用这个模型去解决后面遇到的问题。如果你是这个项目的维护者，你才能更好地扩展这个模型，以便适应未来的需求。 总结时刻 ---- 今天，我们学习了如何了解设计的第一部分：看模型。理解模型，要知道项目提供了哪些模型，这些模型都提供了怎样的能力。但还有更重要的一步就是，要了解模型设计的来龙去脉。这样，一方面，可以增进了我们对它的了解，但另一方面，也会减少我们对模型的破坏或滥用。 我以 Spring 的 DI 容器为例给你讲解了如何理解模型。DI 容器的引入有效地解决了对象的创建和组装的问题，让程序员们拥有了一个新的编程模型。 按照这个编程模型去写代码，整体的质量会得到大幅度的提升，也会规避掉之前的许多问题。这也是一个好的模型对项目起到的促进作用。像 DI 这种设计得非常好的模型，你甚至不觉得自己在用一个特定的模型在编程。 有了对模型的了解，我们已经迈出了理解设计的第一步，下一讲，我们来看看怎样理解接口。 如果今天的内容你只能记住一件事，那请记住：理解模型，要了解模型设计的来龙去脉。  思考题 --- 最后，我想请你思考一个问题，DI 容器看上去如此地合情合理，为什么在其他编程语言的开发中，它并没有流行起来呢？欢迎在留言区写下你的思考。 感谢阅读，如果你觉得这一讲的内容对你有帮助的话，也欢迎把它分享给你的朋友。
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