轻松学,浅析依赖倒置(DIP)、控制反转(IOC)和依赖注入(DI)

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发表于 2017-7-13 22:04:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

写这篇文章的原因是这两天在编写关于 Dagger2 主题的博文时,花了大量的精力来解释依赖注入这个概念。后来想一下,这些在面向对象开发过程中与依赖相关的诸多术语和概念实际情况下非常的抽象,因此独立成文也有就一定的意义,旨在帮助初学者快速地对这些概念有一个大致的印象,然后通过一些实例来领悟它们之中的内在奥秘。

什么是依赖(Dependency)?

依赖是一种关系,通俗来讲就是一种需要。

程序员需要电脑,因为没有电脑程序员就没有办法编写代码,所以说程序员依赖电脑,电脑被程序员依赖。

在面向对象编程中,代码可以这样编写。


class Coder {

    Computer mComputer;

    public Coder () {
        mComputer = new Computer();
    }
}

Coder 的内部持有 Computer 的引用,这就是依赖在编程世界中的体现。

依赖倒置 (Dependency inversion principle)

依赖倒置是面向对象设计领域的一种软件设计原则。
软件设计有 6 大设计原则,合称 SOLID

有人会有疑惑,设计原则有什么用呢?

设计原则是前辈们总结出来的经验,你可以把它们看作是内功心法。

只要你在平常开发中按照设计原则进行编码,假以时日,你编程的功力将会大增。

依赖倒置原则的定义如下:

  1. 上层模块不应该依赖底层模块,它们都应该依赖于抽象。
  2. 抽象不应该依赖于细节,细节应该依赖于抽象。

乍一看,这会让初学者摸不清头脑。这种学术性的概括语言近乎于软件行业中的哲学。可实质上,它确实称得上是哲学,现在 SOLID 几乎等同于面向对象开发中的金科玉律,但是也正因为它的高度概括、它的晦涩难懂,对于广大初学者而言这是一件非常不友好的事物。

我们该怎么理解上面的定义呢?我们需要咬文嚼字,各个突破。

什么是上层模块和底层模块?

不管你承认不承认,“有人的地方就有江湖”,我们都说人人平等,但是对于任何一个组织机构而言,它一定有架构的设计有职能的划分。按照职能的重要性,自然而然就有了上下之分。并且,随着模块的粒度划分不同这种上层与底层模块会进行变动,也许某一模块相对于另外一模块它是底层,但是相对于其他模块它又可能是上层。

公司管理层就是上层,CEO 是整个事业群的上层,那么 CEO 职能之下就是底层。

然后,我们再以事业群为整个体系划分模块,各个部门经理以上部分是上层,那么之下的组织都可以称为底层。

由此,我们可以看到,在一个特定体系中,上层模块与底层模块可以按照决策能力高低为准绳进行划分。

那么,映射到我们软件实际开发中,一般我们也会将软件进行模块划分,比如业务层、逻辑层和数据层。

业务层中是软件真正要进行的操作,也就是做什么
逻辑层是软件现阶段为了业务层的需求提供的实现细节,也就是怎么做
数据层指业务层和逻辑层所需要的数据模型。

因此,如前面所总结,按照决策能力的高低进行模块划分。业务层自然就处于上层模块,逻辑层和数据层自然就归类为底层。

什么是抽象和细节?

抽象如其名字一样,是一件很抽象的事物。抽象往往是相对于具体而言的,具体也可以被称为细节,当然也被称为具象。

比如:
1. 这是一幅画。画是抽象,而油画、素描、国画而言就是具体。
2. 这是一件艺术品,艺术品是抽象,而画、照片、瓷器等等就是具体了。
3. 交通工具是抽象,而公交车、单车、火车等就是具体了。
4. 表演是抽象,而唱歌、跳舞、小品等就是具体。

上面可以知道,抽象可以是物也可以是行为。

具体映射到软件开发中,抽象可以是接口或者抽象类形式。

public interface Driveable {
    void drive();
}

class Bike implements Driveable{

    @Override
    public void drive() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("Bike drive.");
    }

}

class Car implements Driveable{

    @Override
    public void drive() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("Car drive.");
    }

}

Driveable 是接口,所以它是抽象,而 Bike 和 Car 实现了接口,它们被称为具体。

现在,我们理解了依赖、上层模块、底层模块、抽象和具体。这样我们可以正式开始学习依赖倒置原理这个概念了?

依赖倒置的好处

在平常的开发中,我们大概都会这样编码。

public class Person {

    private Bike mBike;

    public Person() {
        mBike = new Bike();
    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");
        mBike.drive();
    }

}

我们创建了一个 Person 类,它拥有一台自行车,出门的时候就骑自行车。

public class Test1 {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        Person person = new Person();

        person.chumen();

    }

}

执行结果如下:

出门了
Bike drive.

不过,自行车适应很短的距离。如果,我要出门逛街呢?自行车就不大合适了。于是就要改成汽车。

public class Person {

    private Bike mBike;
    private Car mCar;

    public Person() {
        //mBike = new Bike();
        mCar = new Car();
    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");
        //mBike.drive();
        mCar.drive();
    }

}

我们需要修改 Person 这个类的代码。

不过,如果我要到北京去,那么汽车也不合适了。

class Train implements Driveable{
    @Override
    public void drive() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("Train drive.");
    }
}

package com.frank.test;

public class Person {

    private Bike mBike;
    private Car mCar;
    private Train mTrain;

    public Person() {
        //mBike = new Bike();
        //mCar = new Car();
        mTrain = new Train();
    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");
        //mBike.drive();
        //mCar.drive();
        mTrain.drive();
    }

}

我们添加了 Train 这个最新的实现类,然后再次修改了 Person 这个类。

有没有一种方法能让 Person 的变动少一点呢?因为这是最基础的演示代码,如果工程大了,代码复杂了,Person 面对需求变动时改动的地方会更多。

而依赖倒置原则正好适用于解决这类情况。

下面,我们尝试运用依赖倒置原则对代码进行改造。

我们再次回顾下它的定义。

  1. 上层模块不应该依赖底层模块,它们都应该依赖于抽象。
  2. 抽象不应该依赖于细节,细节应该依赖于抽象。

首先是上层模块和底层模块的拆分。

按照决策能力高低或者重要性划分,Person 属于上层模块,Bike、Car 和 Train 属于底层模块

上层模块不应该依赖于底层模块。
但是

public class Person {

    private Bike mBike;
    private Car mCar;
    private Train mTrain;

    public Person() {
        //mBike = new Bike();
        //mCar = new Car();
        mTrain = new Train();
    }


}

Person 这个类显然是依赖于 Bike 和 Car。Person 类中 chumen() 的能力完全依赖于属性 Bike 或者 Car 对象,也就是说 Person 把自己的能力依赖在 Bike 和 Car 身上。

上层和底层都应该依赖于抽象。

我们的代码中,Person 没有依赖抽象,所以我们得引进抽象。

而底层的抽象是什么,是 Driveable 这个接口。

public class Person {

//  private Bike mBike;
//  private Car mCar;
//  private Train mTrain;
    private Driveable mDriveable;

    public Person() {
        //mBike = new Bike();
        //mCar = new Car();
        //mTrain = new Train();
        mDriveable = new Train();
    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");
        //mBike.drive();
        //mCar.drive();
        //mTrain.drive();
        mDriveable.drive();
    }

}

执行结果如下:

出门了
Train drive.

现在,Person 类中 chumen() 这个方法依赖于 Driveable 接口的抽象,它没有限定自己出行的可能性,任何 Car、Bike 或者是 Train 都可以的。

到这一步,我们可以说是符合了上层不依赖于底层,依赖于抽象的准则了。

那么,抽象不应该依赖于细节,细节应该依赖于抽象又是什么意思呢?

以上面为例,Driveable 是抽象,它代表一种行为,而 Bike、Car、Train 都是实现细节。

Person 需要的是 Driveable,需要的是交通工具,但不是说交通工具一定是 Bike、Car、Train。未来也可能是 AirPlane。

class AirPlane implements Driveable{
    @Override
    public void drive() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("AirPlane fly.");
    }
}

那么一个 Person,它下次出门改成飞机可以吗?当然可以的。因为依赖倒置的缘由,Person 展现出了极度的可扩展性。

上面的内容就是依赖倒置原则。

有人会考虑到倒置这个词,个人的理解是倒置是改变的意思。

本来正常编码下,肯定会出现上层依赖底层的情况,而依赖倒置原则的应用则改变了它们之间依赖的关系,它引进了抽象。上层依赖于抽象,底层的实现细节也依赖于抽象,所以依赖倒置我们可以理解为依赖关系被改变,如果非常纠结于倒置这个词,那么倒置的其实是底层细节,原本它是被上层依赖,现在它倒要依赖与抽象的接口。

可以看到,依赖倒置实质上是面向接口编程的体现

控制反转 (IoC)

控制反转 IoC 是 Inversion of Control的缩写,意思就是对于控制权的反转,对么控制权是什么控制权呢?
大家重新审视上面的代码。

public class Person {

//  private Bike mBike;
//  private Car mCar;
//  private Train mTrain;
    private Driveable mDriveable;

    public Person() {
        //mBike = new Bike();
        //mCar = new Car();
        //mTrain = new Train();
        mDriveable = new Train();
    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");
        //mBike.drive();
        //mCar.drive();
        //mTrain.drive();
        mDriveable.drive();
    }

}

虽然,chumen() 这个方法不再因为出行方式的改变而变动,但是每次更改出行方式的时候,Person 这个类还是要修改。

Person 类还是要实例化 mDriveable 的接口对象。

public Person() {
    //mBike = new Bike();
    //mCar = new Car();
    //mTrain = new Train();
    mDriveable = new Train();
}

Person 自己掌控着内部 mDriveable 的实例化。
现在,我们可以更改一种方式。将 mDriveable 的实例化移到 Person 外面。

public class Person {

    private Driveable mDriveable;

    public Person(Driveable driveable) {

        this.mDriveable = driveable;
    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");

        mDriveable.drive();
    }

}

就这样无论出行方式怎么变化,Person 这个类都不需要更改代码了。

public class Test1 {


    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        Bike bike = new Bike();
        Car car = new Car();
        Train train = new Train();
//      Person person = new Person(bike);
//      Person person = new Person(car);
        Person person = new Person(train);


        person.chumen();

    }

}

在上面代码中,Person 把内部依赖的创建权力移交给了 Test1 这个类中的 main() 方法。也就是说 Person 只关心依赖提供的功能,但并不关心依赖的创建。

这种思想其实就是 IoC,IoC 是一种新的设计模式,它对上层模块与底层模块进行了更进一步的解耦。控制反转的意思是反转了上层模块对于底层模块的依赖控制。
比如上面代码,Person 不再亲自创建 Driveable 对象,它将依赖的实例化的权力交接给了 Test1。而 Test1 在 IoC 中又指代了 IoC 容器 这个概念。

再举一个例子,我们到餐厅去叫外卖,餐厅有专门送外卖的外卖员,他们的使命就是及时送达外卖食品。

依照依赖倒置原则,我们可以创建这样一个类。

public abstract class WaimaiYuan {

    protected Food food;


    public WaimaiYuan(Food food) {
        this.food = food;
    }

    abstract void songWaiMai();

}

public class Xiaohuozi extends WaimaiYuan {


    public Xiaohuozi(Food food) {
        super(food);
    }

    @Override
    void songWaiMai() {
        System.out.println("我是小伙子,为您送的外卖是:"+food);

    }

}

public class XiaoGuniang extends WaimaiYuan {


    public XiaoGuniang(Food food) {
        super(food);
    }

    @Override
    void songWaiMai() {
        System.out.println("我是小姑娘,为您送的外卖是:"+food);
    }

}


WaimaiYuan 是抽象类,代表送外卖的,Xiaohuozi 和 XiaoGuniang 是它的继承者,说明他们都可以送外卖。WaimaiYuan 都依赖于 Food,但是它没有实例化 Food 的权力。

再编写食物类代码

public abstract class Food {
    protected String name;

    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }

}

public class PijiuYa extends Food {

    public PijiuYa() {
        name = "啤酒鸭";
    }

}

public class DuojiaoYutou extends Food {

    public DuojiaoYutou() {
        name = "剁椒鱼头";
    }

}

Food 是抽象类,PijiuYa 和 DuojiaoYutou 都是实现细节。

IoC 少不了 IoC 容器,也就是实例化抽象的地方。我们编写一个餐厅类。

public class Restaurant {

    public static void peican(int orderid,int flowid) {
        WaimaiYuan person;
        Food food;

        if ( orderid == 0) {
            food = new PijiuYa();
        } else {
            food = new DuojiaoYutou();
        }

        if ( flowid % 2 == 0 ) {
            person = new Xiaohuozi(food);
        } else {
            person = new XiaoGuniang(food);
        }

        person.songWaiMai();

    }

}

orderid 代表菜品编号,0 是啤酒鸭,其它则是剁椒鱼头。
flowid 是订单的流水号码。 餐厅根据流水编码的不同来指派小伙子或者小姑娘来送外卖,编写测试代码。

public class IocTest {

    public static void main(String[] args) {

        Restaurant.peican(0, 0);
        Restaurant.peican(0, 1);
        Restaurant.peican(1, 2);
        Restaurant.peican(0, 3);
        Restaurant.peican(1, 4);
        Restaurant.peican(1, 5);
        Restaurant.peican(1, 6);
        Restaurant.peican(0, 7);
        Restaurant.peican(0, 8);
    }

}

餐厅一次性送了 9 份外卖。

我是小伙子,为您送的外卖是:啤酒鸭
我是小姑娘,为您送的外卖是:啤酒鸭
我是小伙子,为您送的外卖是:剁椒鱼头
我是小姑娘,为您送的外卖是:啤酒鸭
我是小伙子,为您送的外卖是:剁椒鱼头
我是小姑娘,为您送的外卖是:剁椒鱼头
我是小伙子,为您送的外卖是:剁椒鱼头
我是小姑娘,为您送的外卖是:啤酒鸭
我是小伙子,为您送的外卖是:啤酒鸭

可以看到的是,因为有 Restaurant 这个 IoC 容器存在,大大地解放了外卖员的生产力,外卖员不再依赖具体的食物,具体的食物也不再依赖于特定的外卖员。也就是说,只要是食物外卖员就可以送,任何一种食物可以被任何一位外卖员送。

大家细细体会这是怎么样一种灵活性。如果非要外卖员自己决定配送什么食物,人少则还行,人多的时候,订单多的时候肯定会乱成一锅粥。

所以,实际工作当中,基本上都是按照专业的人干专业的事这种基本规律运行。外卖员没有能力也没有义务去亲自决定该送什么订单,这种权力在于餐厅,只要餐厅配置好就 OK 了。

记住 配置 这个词。

在软件开发领域,类似餐厅这种调度配置然后决定依赖关系的 IOC 容器有许多框架比如 Spring。但是,由于我本身是 Android 开发的,对于 Spring 知之甚少,所以对这一块不做过多介绍。

但作为 IoC 容器,无非是针对配置然后动态生成依赖关系。有的配置是开发者按照规则编写在 xml 格式文件中,有些配置则是利用 Java 中的反射与注解。

IoC 模式最核心的地方就是在于依赖方与被依赖方之间,也就是上文中说的上层模块与底层模块之间引入了第三方,这个第三方统称为 IoC 容器,因为 IoC 容器的介入,导致上层模块对于它的依赖的实例化控制权发生变化,也就是所谓的控制反转的意思。

总之,因为 IoC 容器的存在,使得开发者编写大型系统工程的时候极大地解放了生产力。

依赖注入(Dependency injection)

依赖注入,也经常被简称为 DI,其实在上一节中,我们已经见到了它的身影。它是一种实现 IoC 的手段。什么意思呢?

public class Person {


    private Driveable mDriveable;

    public Person() {

        mDriveable = new Train();

    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");

        mDriveable.drive();
    }

}

我们再回顾 Person 这个类。在构造 Person 的时候,Person 内部初始化了 Driveable 对象,选择了 Train() 为实现,这种编码方式太具有局限性了。下次选择其它出行方式如 Bike 或者 Car 的时候,Person 这个类需要修改。

public class Person {

    private Driveable mDriveable;

    public Person() {
        mDriveable = new Bike();
        //mDriveable = new Car();
        //mDriveable = new Train();

    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");

        mDriveable.drive();
    }

}

为了不因为依赖实现的变动而去修改 Person,也就是说以可能在 Driveable 实现类的改变下不改动 Person 这个类的代码,尽可能减少两者之间的耦合。我们需要采用上一节介绍的 IoC 模式来进行改写代码。

这个需要我们移交出对于依赖实例化的控制权,那么依赖怎么办?Person 无法实例化依赖了,它就需要在外部(IoC 容器)赋值给它,这个赋值的动作有个专门的术语叫做注入(injection),需要注意的是在 IoC 概念中,这个注入依赖的地方被称为 IoC 容器,但在依赖注入概念中,一般被称为注射器 (injector)。

表达通俗一点就是:我不想自己实例化依赖,你(injector)创建它们,然后在合适的时候注入给我吧。

再比如顾客去餐厅需要碗筷,但是顾客不需要自己带碗筷去,所以,在点菜的时候和服务员说,你给我一副碗筷吧。在这个场景中如果按照正常的编程方式,碗筷本身是顾客的依赖,但是应用 IoC 模式之后 ,碗筷是服务员提供(注入)给顾客的,顾客不用关心吃饭的时候用什么碗筷,因为吃不同的菜品,可能餐具不同,吃牛排用刀叉,喝汤用调羹,虽然顾客就餐时需要餐具,但是餐具的配置应该交给餐厅的工作人员

如果以软件角度来描述,餐具是顾客是依赖,服务员给顾客配置餐具的过程就是依赖注入。

上一节的外卖员和菜品的例子,其实也是依赖注入的例子。

实现依赖注入有 3 种方式:
1. 构造函数中注入
2. setter 方式注入
3. 接口注入

我们现在一一观察这些方式

构造函数注入

public class Person {


    private Driveable mDriveable;

    public Person(Driveable driveable) {

        this.mDriveable = driveable;
    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");

        mDriveable.drive();
    }

}

优点:在 Person 一开始创建的时候就确定好了依赖。
缺点:后期无法更改依赖。

setter 方式注入

public class Person {

    private Driveable mDriveable;

    public Person() {

    }

    public void chumen() {
        System.out.println("出门了");

        mDriveable.drive();
    }


    public void setDriveable(Driveable mDriveable) {
        this.mDriveable = mDriveable;
    }

}

优点:Person 对象在运行过程中可以灵活地更改依赖。
缺点:Person 对象运行时,可能会存在依赖项为 null 的情况,所以需要检测依赖项的状态。

public void chumen() {

    if ( mDriveable != null ) {
        System.out.println("出门了");
        mDriveable.drive();
    }

    }

接口方式注入

public interface DepedencySetter {
    void set(Driveable driveable);
}

class Person implements DepedencySetter{
    private Driveable mDriveable;

    public void chumen() {

        if ( mDriveable != null ) {
            System.out.println("出门了");
            mDriveable.drive();
        }

    }

    @Override
    public void set(Driveable driveable) {
        this.mDriveable = mDriveable;
    }

}

这种方式和 Setter 方式很相似。有很多同学可能有疑问那么加入一个接口是不是多此一举呢?

答案肯定是不是的,这涉及到一个角色的问题。还是以前面的餐厅为例,除了外卖员之外还有厨师和服务员,那么如果只有外卖员实现了一个送外卖的接口的话,那么餐厅配餐的时候就只会把外卖配置给外卖员。

接口的存在,表明了一种依赖配置的能力。

在软件框架中,读取 xml 配置文件,或者是利用反射技术读取注解,然后根据配置信息,框架动态将一些依赖配置给特定接口的类,我们也可以说 Injector 也依赖于接口,而不是特定的实现类,这样进一步提高了准确性与灵活性。

总结

  1. 依赖倒置是面向对象开发领域中的软件设计原则,它倡导上层模块不依赖于底层模块,抽象不依赖细节。
  2. 依赖反转是遵守依赖倒置这个原则而提出来的一种设计模式,它引入了 IoC 容器的概念。
  3. 依赖注入是为了实现依赖反转的一种手段之一。
  4. 它们的本质是为了代码更加的“高内聚,低耦合”

这篇文章我运用了大量的比喻来解释让给概念,我相信能够加深读者们对于这些概念的理解。

如果要获取更全面的信息,大家可以查看维基百科相关的页面。
Dependency inversion principle
Inversion_of_control
Dependency injection

下篇文章,我会讲解在 Android 开发中很出名的依赖注入框架 Dagger2。

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