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控制反转(IoC)和依赖注入(DI)

控制反转（Inversion of Control，IoC）是一种设计原则，它把创建和管理类对象的控制权从调用者转移到框架容器中。事先在框架容器中注册各种类对象，由框架容器统一负责类对象的创建、装配和管理；调用者无须显式创建类对象，只需声明使用即可。在这里，类对象就是服务。IoC进一步实现了各模块之间的解耦，充分体现了技术人在“高内聚、低耦合”设计方向上的不懈追求！

依赖注入（Dependency Injection，DI）是实现IoC的最流行方式，被各大技术框架所采用。

本文详细介绍.NET框架的DI用法，并给出一个Spring框架的DI示例用以对比。

.NET中的依赖注入

使用流程

  • 安装NuGet包：Microsoft.Extensions.DependencyInjection

  • 定义服务，一般包括接口和实现接口的具体类，具体类可能会依赖其它的服务（有其它服务类型的成员变量，即关联关系）

    • 日志服务：定义日志服务接口并实现一个控制台日志服务
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    public interface ILogService {
        public void LogError(string message);
        public void LogInfo(string message);
    }
    public class ConsoleLogService : ILogService {
        public void LogError(string message) {
            Console.WriteLine($"Error: {message}");
        }
        public void LogInfo(string message) {
            Console.WriteLine($"Info: {message}");
        }
    }
    • 配置服务：定义配置服务接口并实现一个环境变量配置服务
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    public interface IConfigService {
        public string? GetValue(string key); 
    }
    public class EnvVarConfigService : IConfigService {
        public string? GetValue(string key) {
            return Environment.GetEnvironmentVariable(key);
        }
    }
    • 邮件服务：定义邮件服务接口并实现具体的邮件服务
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    public interface IMailService {
        public void Send(string title, string to, string body);
    }
    public class MailService : IMailService {
        private readonly ILogService _logProvider;
        private readonly IConfigReader _configService;
        public MailService(ILogService logProvider, IConfigReader configService) {
            _logProvider = logProvider;
            _configService = configService;
        }
        public void Send(string title, string to, string body) {
            // 先读配置
            _logProvider.LogInfo("开始读取配置信息：");
            var port = _configService.GetValue("port");
            if (port == null)
                _logProvider.LogError("读取端口信息失败!");
            else
                _logProvider.LogInfo($"Port: {port}");    
            _logProvider.LogInfo("读取配置信息完成!");
    		// 发送邮件
            _logProvider.LogInfo("开始发送邮件：");
            Console.WriteLine($"发邮件了：{title},{to},{body}");
            _logProvider.LogInfo("发送邮件完成!");
        }
    }

  • 使用邮件服务：先注册服务，再定位并使用服务，在实际项目中，服务的注册和使用可以分离

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    static void Main(string[] args) {
        var services = new ServiceCollection();
        // 注册日志、配置、邮件三种服务
        services.AddScoped<ILogService, ConsoleLogService>();
        services.AddScoped<IConfigService, EnvVarConfigService>();
        services.AddScoped<IMailService, MailService>();
        // 定位邮件服务发送邮件
        using (var sp = services.BuildServiceProvider()) {
            var mailService = sp.GetRequiredService<IMailService>();
            mailService.Send("第一封邮件", "LiRuohan", "你好，依赖注入！");
        }
        Console.ReadKey();
    }

如果采用传统方式实现邮件服务，我们需要手动创建MailService的对象，并且在创建之前需要创建ConsoleLogService和EnvVarConfigService的对象：

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static void Main(string[] args) {
    var logService=new ConsoleLogService();
    var configService=new EnvVarConfigService();
    var mailService=new MailService(logService,configService);
    mailService.Send("第一封邮件", "LiRuohan", "你好，依赖注入！");
    Console.ReadKey();
}

采用这种方式，一旦需要使用邮件服务，就必须手动创建日志服务对象和配置服务对象，自然而然需要知道三种服务的具体类。如果后期需要用新的服务类替换既有服务类，那么就必须修改所有手动创建服务的代码，这在大型项目中非常令人厌恶！

采用DI方式的代码中，只需要修改注册服务时的服务具体类即可，更加充分体现了“面向接口编程”的思想。

服务注册

创建一个ServiceCollection对象，就可以向该对象中注册服务了，注册服务完成之后，调用该对象的BuildServiceProvider()就可以获得ServiceProvider对象，后续这个对象进行服务定位。

三种生命周期的服务：

  • AddSingleton()：
    • 单例模式，容器只会创建一个示例，每次请求服务时，容器都会返回该实例。
    • 适用于无状态服务，例如上面的日志服务和配置服务。
  • AddScoped()：
    • 作用域模式，在同一个作用域内容器会返回相同的实例，在不同的作用域内会重新创建新的实例。
    • 作用域理解：一般而言，每次请求服务器时都会创建一个新的作用域，对于非Web应用而言，默认处于一个相同的作用域中，该作用域不同于语法作用域。
    • 适用于有状态服务。
  • AddTransient()：
    • 瞬态模式，每次请求服务时，容器都会创建一个新的实例。
    • 慎用，对性能可能造成严重影响，需要评估创建新实例的代价。

常见的服务注册语法：

  • 直接注册实现类，也可以将实现类和接口一起注册
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// 由于在邮件服务中包含两个成员变量：ILogService和IConfigService，针对这两个服务必须同时注册接口和实现类
services.AddSingleton<ILogService, ConsoleLogService>();
services.AddSingleton<IConfigService, EnvVarConfigService>();
// 由于没有其他服务依赖邮件服务，可以直接注册具体类
services.AddScoped<MailService>();
using (var sp = services.BuildServiceProvider()) {
    var mailService = sp.GetRequiredService<MailService>();
    mailService.Send("第一封邮件", "LiRuohan", "你好，依赖注入！");
}
  • 类型参数可以用泛型的方法表达，也可以用类型参数的方式表达，一般用前者即可
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// 方式1
services.AddSingleton<ILogService, ConsoleLogService>();
// 方式2
services.AddSingleton(typeof(ILogService), typeof(ConsoleLogService));
  • 如果在构造的时候需要给属性赋值，那么可以用Lambda表达式传参
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// 以下是Json文件配置服务
public class JsonConfigService : IConfigService {
    public string JsonPath { get; set; }
    public string? GetValue(string key) {
        ConfigurationBuilder configBuilder = new ConfigurationBuilder();
        if (string.IsNullOrWhiteSpace(JsonPath))
            return null;
        configBuilder.AddJsonFile(JsonPath, optional: false, reloadOnChange: false);
        IConfigurationRoot configRoot = configBuilder.Build();
        return configRoot[key];
    }
}
// 注册时需要给JsonPath属性赋值
services.AddScoped<IConfigService>(c => new JsonConfigService() { JsonPath = "./config.json" });
  • 如果要为同一服务注册多个实现类，可以为每个实现类指定一个key，后期用这进行服务定位
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services.AddKeyedScoped<IConfigService>("json", (p, k) => new JsonConfigService() { JsonPath = "./config.json" });
services.AddKeyedScoped<IConfigService, EnvVarConfigService>("config");
  • 如果针对同一接口进行了多次注册，服务定位时以最后那个为准

服务定位

通过容器创建的对象，会自动进行依赖注入，手动创建的对象则不会，这就要求显式从容器中获取根对象。

IServiceCollection的BuildServiceProvider()方法可以返回ServiceProvider对象，通过该对象就可以进行服务定位。

  • GetService<T>()：获取服务，没有返回空
  • GetRequiredService<T>()：获取服务，没有抛出异常
  • GetServices<>()：获取同一接口的所有服务，返回服务数组
  • 也可以通过给定的key名称定位服务

拓展

  • 服务提供者提供服务注册快捷函数，避免服务注册者显式声明服务类，这在.NET框架中被大量使用，主要思路是编写IServiceCollection的扩展方法
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namespace Microsoft.Extensions.DependencyInjection {
    public static class ConfigExtensions {
        public static void AddJsonConfigService(this IServiceCollection serviceCollection,string jsonPath) {
            serviceCollection.AddScoped<IConfigService>(c => new JsonConfigService() { JsonPath = jsonPath });
        }
        public static void AddEnvVarConfigService(this IServiceCollection serviceCollection) {
            serviceCollection.AddScoped<IConfigService, EnvVarConfigService>();
        }
    }
}
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// 使用时这样即可
services.AddJsonConfigService("config.json");
services.AddEnvVarConfigService();
  • 配置覆盖机制，在实际工程中，项目配置可能会集中放置在一台服务器，但是开发过程中应该允许对默认配置进行覆盖，这时可以采用下列方式，在LayeredConfigReader中_services会捕捉注册的所有IConfigService服务，在GetValue中就可以按照顺序遍历服务获取值
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public interface IConfigReader {
    public string? GetValue(string key); 
}
public class LayeredConfigReader : IConfigReader {
    private readonly IEnumerable<IConfigService> _services;
    public LayeredConfigReader(IEnumerable<IConfigService> services) {
        _services = services;
    }
    public string? GetValue(string key) {
        string? value = null;
        foreach (var service in _services) {
            string? newValue= service.GetValue(key);
            if (newValue != null) {
                value = newValue;
            }
        }
        return value;
    }
}
// 注册单个服务和覆盖服务
services.AddScoped<IConfigService>(p => new JsonConfigService() { JsonPath = "config.json" });
services.AddScoped<IConfigService, EnvVarConfigService>();
services.AddScoped<IConfigReader, LayeredConfigReader>();

Spring中的依赖注入

当前，Web开发的框架百花齐放，但是它们的很多原理是相似的，在Spring框架中也有DI机制，且DI是Spring框架的实现基石，下面将上述.NET实例改成Spring实例。

  • 引入相应的包，使之支持DI
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<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
        <scope>test</scope>
    </dependency>
</dependencies>
  • 日志服务
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package com.example.testdi;

public interface LogService {
    public void LogError(String message);
    public void LogInfo(String message);
}
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package com.example.testdi;

import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class ConsoleLogService implements LogService {

    @Override
    public void LogError(String message) {
        System.out.println("Error: " + message);
    }

    @Override
    public void LogInfo(String message) {
        System.out.println("Info: " + message);
    }
}
  • 配置服务
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package com.example.testdi;

public interface ConfigService {
    public String GetValue(String key);    
}
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package com.example.testdi;

import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class EnvValConfigService implements ConfigService{
    @Override
    public String GetValue(String key) {
        return key + "_1";
    }
}
  • 邮件服务
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package com.example.testdi;

public interface MailService {
    public void Send(String title, String to, String body);
}
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package com.example.testdi;

import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class MailServiceImpl implements MailService {
    private final LogService logService;
    private final ConfigService configService;

    public MailServiceImpl(LogService log, ConfigService config) {
        this.logService = log;
        this.configService = config;
    }

    @Override
    public void Send(String title, String to, String body) {
        logService.LogInfo("开始读取配置信息：");
        var port = configService.GetValue("port");
        if (port == null)
            logService.LogError("读取端口信息失败!");
        else
            logService.LogInfo("Port: " + port);
        logService.LogInfo("读取配置信息完成!");

        logService.LogInfo("开始发送邮件：");
        System.out.println("发邮件了： " + title + to + body);
        logService.LogInfo("发送邮件完成!");
    }
}
  • 主程序
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package com.example.testdi;

import org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.ComponentScan;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

@Configuration
@ComponentScan(basePackages = "com.example.testdi")
public class MailSenderConsoleApp {
	public static void main(String[] args) {
		AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(MailSenderConsoleApp.class);
		var greeting = context.getBean(MailServiceImpl.class);
		greeting.Send("第一封邮件", "LiRuohan", "你好，依赖注入！");
		context.close();
	}
}

Spring中的依赖注入有两种形式：①基于XML配置文件的依赖注入；②基于注解的依赖注入。后者更为简洁灵活，是最常用的方式。

Spring依赖注入的服务注册和服务定位与.NET有很大差异，后者通过代码集中注册；前者采用“注解+扫描”的分布式方式，更为灵活。

Autofac依赖注入库

使用流程

为方便对比，将上述.NET实例的DI库调整为Autofac，服务定义与原实例相同，变化体现在服务注册和定位上：

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static void Main(string[] args) {
    var builder = new ContainerBuilder();
	// 注册日志服务
    builder.RegisterType<ConsoleLogService>().As<ILogService>().InstancePerLifetimeScope();
    // 注册两个配置服务
    builder.RegisterType<EnvVarConfigService>().As<IConfigService>().InstancePerLifetimeScope();
    builder.Register(c => new JsonConfigService() { JsonPath = "config.json" }).As<IConfigService>().InstancePerLifetimeScope();
    // 注册邮件服务
    builder.RegisterType<MailService>().As<IMailService>().InstancePerLifetimeScope();

    var container = builder.Build();

    var mailService = container.Resolve<IMailService>();
    mailService.Send("第一封邮件", "LiRuohan", "你好，依赖注入！");
    Console.ReadKey();
}

服务注册

服务的生命周期：

  • 单例模式：builder.RegisterType<ConsoleLogService>().As<ILogService>().SingleInstance()
  • 作用域模式：builder.RegisterType<ConsoleLogService>().As<ILogService>().InstancePerLifetimeScope()
  • 瞬态模式：builder.RegisterType<ConsoleLogService>().As<ILogService>().InstancePerDependency(),不指定什么周期默认就是瞬态模式

服务的注册语法：

  • 直接注册实现类，也可以将实现类和接口一起注册
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// 原生库的服务注册
services.AddScope<MailService>();
services.AddScope<IMailService, MailService>();
// Autofac的服务注册
builder.RegisterType<MailService>().As<IMailService>().InstancePerLifetimeScope();
builder.RegisterType<MailService>().InstancePerLifetimeScope();
  • 类型参数可以用泛型的方法表达，也可以用类型参数的方式表达，一般用前者即可
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// 方式1
builder.RegisterType<MailService>().InstancePerLifetimeScope();
// 方式2
builder.RegisterType(typeof(MailService)).InstancePerLifetimeScope();
  • 如果在构造的时候需要给属性赋值，那么可以用Lambda表达式传参
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builder.Register(c => new JsonConfigService() { JsonPath = "config.json" }).As<IConfigService>().InstancePerLifetimeScope();
  • 如果要为同一服务注册多个实现类，可以为每个实现类指定一个key，后期用这进行服务定位
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builder.Register(c => new JsonConfigService() { JsonPath = "config.json" }).As<IConfigService>().Named<IConfigService>("json").InstancePerLifetimeScope();
builder.RegisterType<EnvVarConfigService>().As<IConfigService>().Named<IConfigService>("config").InstancePerLifetimeScope();

  • 如果针对同一接口进行了多次注册，服务定位时以最后那个为准

服务定位

ContainerBuilder的Build()方法可以返回IContainer对象，通过该对象就可以进行服务定位。

  • Resolve<T>()：获取服务，没获取到服务是抛出异常
  • TryResolve<T>()：获取服务，没有获取到时返回false
  • 也可以通过给定的key名称定位服务：container.ResolveKeyed<IConfigService>("json")

属性注入

.NET的原生DI库无法实现属性注入，Autofac可以实现，即服务的一个属性也可以通过依赖注入自动赋值。

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public interface IUserRepository {
    void AddUser(string userName);
}

public class UserRepository : IUserRepository {
    private readonly IDatabaseConnection _connection;

    // 属性注入
    public ILogger Logger { get; set; }

    // 构造函数注入
    public UserRepository(IDatabaseConnection connection) {
        _connection = connection;
    }

    public void AddUser(string userName) {
        _connection.connect();
        Console.WriteLine($"User '{userName}' added to the database.");
        Logger.Log("User added.");
    }
}
// 服务注册
builder.RegisterType<UserRepository>().As<IUserRepository>().InstancePerLifetimeScope().PropertiesAutowired();

本实例中，UserRepository通过构造函数注入成员变量_connection，通过属性注入Logger。

如果一个类中有属性需要进行注入，在注册该类时需要通过方法PropertiesAutowired()开启属性注入。

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