Java | 实现一个简单的 IOC 容器

系统管理员 2022-10-05 04:48 153阅读 0赞

# 实现一个简单的 IOC 容器 (一) #

这篇文章主要讲一下如何使用 Java 实现一个简单的 IOC 容器，这里该系列的第一篇，要实现的内容的也相对简单，主要介绍一下 B 依赖 A 这种简单的关系是怎么实现的

![在这里插入图片描述][2021060618174619.png_pic_center]

# Java 依赖注入标准 JSR-330 实现 #

我们常常使用的 Java DI 框架包括 Spring 和 Guice，在 Java 规范中也定义了对依赖注入的基本规范，其就是 JSR-330

标准对依赖注入的使用进行了定义, 但是对实现和配置未定义。包`javax.inject`对应该标准。具体实现依赖于各个框架。

## javax.injects ##

该包提供了如下5个注解（Inject、Qualifier、Named、Scope、Singleton）和1个接口（Provider）。

**@Inject**

标识某个类中，需要由注入器注入的类成员（被标识的成员称为”可注入的”）。

使用规则

*  可用于注解构造器、字段、方法这些类成员（对成员是静态与否、最好是public的）
 *  每个类只能有一个构造器可以被标记可注入；空构造器可以不用@Inject注解。
 *  可注入的字段不能为 final 的
 *  可注入的方法不能为 abstract 的
 *  注入器的依赖注入顺序

构造器 > 字段 > 方法  
父类 > 子类  
一个类的两个可注入字段或其他成员无注入顺序  
另外的四个注解对依赖注入进一步进行配置。

**@Qualifier 和 @Named**

其中，@Qualifiery用于创建限定器。限定器是一个自定义的注解，可注解字段或方法的参数，用于限制可注入的依赖的类型。限定器注解必须被 @Qualifier 和 @Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) 注解。

**@Scope 和 @Singleton**

其中，@Scope 用于创建作用域。作用域是一个自定义的注解，可注解构造器，用于要求注入器对注入的实例的创建方式。比如，是每次构造器被调用就创建一个依赖的实例，还是就创建一个依赖的实例然后重用。作用域注解必须被 @Scope 和 @Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) 注解。

@Singleton 就是一个通过 @Scope 定义的作用域。

**Provider**

Provider 作为另一种提供依赖的定义（有一种是 @Inject 注解），其实例提供 T 类型的实例。与 @Inject 注解相比，其还能：

返回的实例可以是多个  
返回的实例可以是延迟返回的  
返回的实例来自指定作用域内

# 实现思路 #

在这里在不考虑 AOP 的情况进行对 `@Inject` 和 `@Singleton` 进行实现，也就是只实现一个单例类型的依赖注入

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5bmRldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

在这个关系中，`Node` 作为一个单例对象，且不依赖于其他；`NodeB` 作为一个单例对象，并依赖于 `Node`

在创建 NodeB 对象时，发现需要进行依赖注入，此时检测依赖对象 Node 是否创建，如果没有创建则创建 Node , 如果已经创建，则进行注入操作

**大致流程：**

1.  NodeB 是否原来创建过，如果创建过直接返回
2.  获取 NodeB 的空参构造器和带有 **@Inject** 的构造器，如果无法找到对应的构造器则抛出异常
3.  在选择好的构造器中优先使用带有 **@Inject** 的构造器，如果没有使用空参数构造器
4.  将当前 NodeB 标记为**生成中**
5.  根据 NodeB 的构造器，获取构造器参数，如果是空参则直接生成，如果不是空参，则判断当前参数类型是不是被标记成生成中，如果被标记成**生成中**则抛出循环依赖异常，否则从第一步开始创建对应的对象，直到 NodeB 的所有的构造器依赖的参数都创建完成，进行有参构造器生成。
6.  假设上面生成的 NodeB 对应的对象实例为 baby
7.  获取 body 的所有的字段属性，并找出带有 **Inject.class** 注解的属性
8.  根据上面筛选出来的 Field, 获取 Field 对应的类型，如果对应类型已经生成，则直接赋值，如果对应的类型未生成，则从第一步开始生成指定的类型的实例对象
9.  获取 body 的所有非私有方法，并找出带有 **Inject.class** 注解的方法
10. 根据上面筛选出来的方法找到方法的参数，类似于构造器有参方法的步骤获取到所有的方法参数，并反射调用
11. 生成之后将 NodeB 的 **生成中** 标记去除，并加入已经生成结果中

# 具体实现 #

## 1. 定义个异常 ##

这东西很简单，不做多解释了

public class InjectException extends RuntimeException { 
      public InjectException() { 
        super();
      }
    
      public InjectException(String message, Throwable cause) { 
        super(message, cause);
      }
    
      public InjectException(String message) { 
        super(message);
      }
    
      public InjectException(Throwable cause) { 
        super(cause);
      }
    
    }

## 2. 定义一个容器 Injector ##

先确定一下最基本的

*  finalSingletonMap 用来保存已经生成好的实例
 *  processingInstances 用来保存处理中的类型
 *  getInstance 一个公共方法，用来获取对应的类型实例

public class Injector { 
    
      // 已经生成的单例
      private final Map<Class<?>, Object> finalSingletonMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
    
      // 准备进行构造的类
      private final Set<Class<?>> processingInstances = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
    
      public <T> T getInstance(Class<T> clazz) { 
        return createNew(clazz);
      }
    }

## 3. 构造器处理逻辑 ##

### 3.1 获取构造器 createNew ###

这里 clazz 为我们要生成的实例的 class 类型

1.  判断类型是否已经生成，如果生成则直接返回对应的实例
2.  根据构造器生成对象实例

Object o = finalSingletonMap.get(clazz);
    if (o != null) { 
      return (T) o;
    }
    
    ArrayList<Constructor<T>> constructors = new ArrayList<>();
    T target = null;
    // 获取对应的 class 的所有的构造器
    for (Constructor<?> con : clazz.getDeclaredConstructors()) { 
      if (con.isAnnotationPresent(Inject.class) && ReflectUtil.trySetAccessible(con)) { 
        // 优先处理 Inject 构造器
        constructors.add(0, (Constructor<T>) con);
      } else if (con.getParameterCount() == 0 && ReflectUtil.trySetAccessible(con)) { 
        // 再次获取无参构造器
        constructors.add((Constructor<T>) con);
      }
    }
    
    if (constructors.size() > 2) { 
      // 如果大于 2 说明存在多个被 Inject 标记的构造器，此时无确定优先使用哪个
      throw new InjectException("无法确定使用哪个构造器进行构造 " + clazz.getCanonicalName());
    }
    
    if (constructors.size() == 0) { 
      // 如果不存在可用的构造器，则无法构造
      throw new InjectException("无可用的构造器 " + clazz.getCanonicalName());
    }
    processingInstances.add(clazz); // 放入表示未完成的容器
    
    target = createFromConstructor(constructors.get(0)); // 构造器注入
    
    processingInstances.remove(clazz); // 从未完成的容器取出
    
    // 处理所有的 field 注入
    injectField(target);
    injectMethod(target);

### 3.2 通过构造器创建对象 ###

获取到构造器所需的所有参数的类型，并创建对应的类型，其创建步骤再次从 3.1 步骤开始

private <T> T createFromConstructor(Constructor<T> con) { 
      Object[] params = new Object[con.getParameterCount()];
      int i = 0;
      for (Parameter parameter : con.getParameters()) { 
        if (processingInstances.contains(parameter.getType())) { 
          throw new InjectException(
            String.format("循环依赖 class is %s", con.getDeclaringClass().getCanonicalName()));
        }
        Object param = createFromParameter(parameter);
        if (param == null) { 
          throw new InjectException(String.format("无法创建构造器中的参数 %s of class %s",
                                                  parameter.getName(), con.getDeclaringClass().getCanonicalName()));
        }
        params[i++] = param;
      }
      try { 
        return con.newInstance(params);
      } catch (Exception e) { 
        throw new InjectException("create instance from constructor error", e);
      }
    }
    
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private <T> T createFromParameter(Parameter parameter) { 
      Class<?> clazz = parameter.getType();
      return (T) createNew(clazz);
    }

## 4. 属性 Field 处理逻辑 ##

如果细看的话，其实和构造器注入的逻辑是类似的，

1.  获取 body 的所有的字段属性，并找出带有 **Inject.class** 注解的属性
2.  根据上面筛选出来的 Field, 获取 Field 对应的类型，如果对应类型已经生成，则直接赋值，如果对应的类型未生成，则从 3.1 开始生成指定的类型的实例对象

private <T> void injectField(T body) { 
      List<Field> fields = new ArrayList<>();
      for (Field field : t.getClass().getDeclaredFields()) { 
        if (field.isAnnotationPresent(Inject.class) && ReflectUtil.trySetAccessible(field)) { 
          fields.add(field);
        }
      }
      for (Field field : fields) { 
        Object f = createFromField(field);
        try { 
          field.set(t, f);
        } catch (Exception e) { 
          throw new InjectException(
            String.format("set field for %s@%s error", t.getClass().getCanonicalName(), field.getName()),
            e);
        }
      }
    }
    
    private <T> T createFromField(Field field) { 
      Class<?> clazz = field.getType();
      return (T) createNew(clazz);
    }

## 5. 处理注入方法 ##

这个和构造器处理就大同小异了

private <T> void injectMethod(T body) { 
      List<Method> methods = new ArrayList<>();
      Method[] declaredMethods = body.getClass().getDeclaredMethods();
      for (Method declaredMethod : declaredMethods) { 
        if (declaredMethod.getParameterCount() > 0
            && declaredMethod.isAnnotationPresent(Inject.class)
            && ReflectUtil.trySetAccessible(declaredMethod)) { 
          methods.add(declaredMethod);
        }
      }
    
      int i;
      for (Method method : methods) { 
        Object[] params = new Object[method.getParameterCount()];
        i = 0;
        for (Parameter parameter : method.getParameters()) { 
          if (processingInstances.contains(parameter.getType())) { 
            throw new InjectException(
              String.format("循环依赖 on method , the root class is %s", body.getClass().getCanonicalName()));
          }
          Object param = createFromParameter(parameter);
          params[i++] = param;
        }
        try { 
          method.invoke(body, params);
        } catch (Exception e) { 
          throw new InjectException("injectMethod ", e);
        }
      }
    }

# 参考 #

*  https://blog.csdn.net/u010278882/article/details/50773687

# 完整代码 #

Github：https://github.com/some-big-bugs/wheel-java-di

package com.github.sbb.di;
    
    import java.lang.reflect.Constructor;
    import java.lang.reflect.Field;
    import java.lang.reflect.Method;
    import java.lang.reflect.Parameter;
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.Collections;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.HashSet;
    import java.util.List;
    import java.util.Map;
    import java.util.Set;
    import javax.inject.Inject;
    import javax.inject.Singleton;
    
    public class Injector { 
    
      // 已经生成的单例
      private final Map<Class<?>, Object> finalSingletonMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
    
      // 准备进行构造的类
      private final Set<Class<?>> processingInstances = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
    
      /** * 获取对象 * * @param clazz * @return */
      public <T> T getInstance(Class<T> clazz) { 
        return createNew(clazz);
      }
    
    
      @SuppressWarnings("unchecked")
      private <T> T createNew(Class<T> clazz) { 
        Object o = finalSingletonMap.get(clazz);
        if (o != null) { 
          return (T) o;
        }
    
        ArrayList<Constructor<T>> constructors = new ArrayList<>();
        T target = null;
        for (Constructor<?> con : clazz.getDeclaredConstructors()) { 
          // 优先处理 Inject 构造器
          if (con.isAnnotationPresent(Inject.class) && ReflectUtil.trySetAccessible(con)) { 
            constructors.add(0, (Constructor<T>) con);
          } else if (con.getParameterCount() == 0 && ReflectUtil.trySetAccessible(con)) { 
            constructors.add((Constructor<T>) con);
          }
        }
    
        if (constructors.size() > 2) { 
          throw new InjectException("dupcated constructor for injection class " + clazz.getCanonicalName());
        }
        if (constructors.size() == 0) { 
          throw new InjectException("no accessible constructor for injection class " + clazz.getCanonicalName());
        }
        processingInstances.add(clazz); // 放入表示未完成的容器
    
        target = createFromConstructor(constructors.get(0)); // 构造器注入
    
        injectField(target);
        injectMethod(target);
    
        processingInstances.remove(clazz); // 从未完成的容器取出
    
        boolean isSingleton = clazz.isAnnotationPresent(Singleton.class);
        if (isSingleton) { 
          finalSingletonMap.put(clazz, target);
        }
    
        return target;
      }
    
      private <T> T createFromConstructor(Constructor<T> con) { 
        Object[] params = new Object[con.getParameterCount()];
        int i = 0;
        for (Parameter parameter : con.getParameters()) { 
          if (processingInstances.contains(parameter.getType())) { 
            throw new InjectException(
                String.format("循环依赖 on constructor, class is %s", con.getDeclaringClass().getCanonicalName()));
          }
          Object param = createFromParameter(parameter);
          params[i++] = param;
        }
        try { 
          return con.newInstance(params);
        } catch (Exception e) { 
          throw new InjectException("create instance from constructor error", e);
        }
      }
    
      /** * 注入成员 * * @param t */
      private <T> void injectField(T body) { 
        List<Field> fields = new ArrayList<>();
        for (Field field : body.getClass().getDeclaredFields()) { 
          if (field.isAnnotationPresent(Inject.class) && ReflectUtil.trySetAccessible(field)) { 
            fields.add(field);
          }
        }
        for (Field field : fields) { 
          Object f = createFromField(field);
          try { 
            field.set(body, f);
          } catch (Exception e) { 
            throw new InjectException(
                String.format("set field for %s@%s error", t.getClass().getCanonicalName(), field.getName()),
                e);
          }
        }
      }
    
      private <T> void injectMethod(T body) { 
        List<Method> methods = new ArrayList<>();
        Method[] declaredMethods = body.getClass().getDeclaredMethods();
        for (Method declaredMethod : declaredMethods) { 
          if (declaredMethod.getParameterCount() > 0
              && declaredMethod.isAnnotationPresent(Inject.class)
              && ReflectUtil.trySetAccessible(declaredMethod)) { 
            methods.add(declaredMethod);
          }
        }
    
        int i;
        for (Method method : methods) { 
          Object[] params = new Object[method.getParameterCount()];
          i = 0;
          for (Parameter parameter : method.getParameters()) { 
            if (processingInstances.contains(parameter.getType())) { 
              throw new InjectException(
                  String.format("循环依赖 on method , the root class is %s", body.getClass().getCanonicalName()));
            }
            Object param = createFromParameter(parameter);
            params[i++] = param;
          }
          try { 
            method.invoke(body, params);
          } catch (Exception e) { 
            throw new InjectException("injectMethod ", e);
          }
        }
      }
    
      @SuppressWarnings("unchecked")
      private <T> T createFromParameter(Parameter parameter) { 
        Class<?> clazz = parameter.getType();
        return (T) createNew(clazz);
      }
    
      @SuppressWarnings("unchecked")
      private <T> T createFromField(Field field) { 
        Class<?> clazz = field.getType();
        return (T) createNew(clazz);
      }
    
    }

[2021060618174619.png_pic_center]: /images/20221005/3ed65754c31d4cc6a85acb42fd3ff90e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5bmRldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221005/070b6830ae6a4877942396a9bf2070a1.png