騰訊必問的Spring IOC，要看看了！
原創【51CTO.com原創稿件】Java 作為流行的開發語言被廣大開發者所青睞，在 Java 平臺提供豐富的應用程序開發功能的同時，其存在的問題也暴露出來。
圖片來自包圖網
這個問題就是其缺乏將基礎組件構建成完整系統的能力，因此開發者需要通過各種設計模式，將開發的組件進行組合，從而構建成最終的應用。
為了解決這個問題，Spring 架構推出了 IoC 組件，它可以通過正規化的方法來組合不同的組件，讓其成為完整的，可以用的應用。
從此開發人員無須手動設置對象的依賴關系，把這一工作交給了 Spring 容器去處理和管理，提升了開發體驗。
今天將圍繞 Spring IoC 給大家講解其實現原理，接下來將會學到如下內容：
- Spring IoC 的由來和概念
- Spring IoC 容器
- Spring IoC 的優缺點
- IoC 與 DI
- DI 的自動裝載
Spring IoC 的由來和概念
在介紹 Spring IoC 之前先來看看傳統的對象(組件)依賴是怎么做的，假設通過 RESTFUL 的方式訪問用戶信息(User)。
如圖 1 所示，用戶請求一個 UserController 獲取 User 信息，UserController 會調用 UserService，在 UserService 中會處理關于 User 的業務邏輯。
圖 1：例子依賴關系
同時 UserService 會調用 UserDao，UserDao 負責調用數據庫返回用戶需要的信息。
從這張可以看出 UserController 依賴 UserService、UserService 依賴 UserDao。
如圖 2 所示，假設在 UserController 中需要使用 UserService，就需要在其 UserController 構造函數中對 UserService 進行實例化。
圖 2：傳統的依賴關系需要自己管理對象實例化
這樣才能 save 方法中使用 UserService，并且調用其 save 方法。
與傳統的依賴方式不同，Spring IoC 會通過一個 XML 文件配置對象之間的關系。
如圖 3 所示，在 beans 的標簽中，定義了兩個 bean，分別是 UserController 和 UserService。在 Class 屬性中定義了 Class 的全程(包含 Namespace)。
圖 3：Spring IoC 的依賴關系 XML 配置
需要注意的是在 UserController的bean 定義中指定了 contructor-arg 的 ref 為 UserService。
這里的含義是在 UserController 的構造函數中會引入 UserService，從而說明兩者之間的依賴關系，也就是 UserController 會依賴 UserService。
看完了 XML 的配置再回頭看看代碼中有什么改變，如圖 4 所示，在 UserController 的構造函數的初始化參數中加入 UserService 作為依賴項。
圖 4：Spring IoC 代碼中的改變
不過 New UserService 的動作就不再 UserController 中完成了，而是由 Spring 容器完成。
Spring 容器完成 UserService 的初始化之后，在 UserController 需要使用的時候直接使用這個 UserService 實體就行了。
圖 5：Spring IoC 的 Spring 容器
這里再將 Spring IoC 做的事情梳理一下，如圖 5 所示：
- 位于中間的 Spring 容器會讀取 XML 配置文件中的信息，獲取 Bean 之間的依賴關系。
- Spring 容器通過反射機制創建對象的實例，由于 Spring 容器管理所有注冊 Bean 因此為后續建立它們之間的依賴關系打下基礎。
- Spring 容器通過 Bean 之間的依賴關系創建實例，同時保證 Bean 在使用依賴項的時候直接過去對應的實例，而不用自己去創建實例。
說白了 Spring IoC 做的事情就是管理和創建 Bean 的實例，同時保證 Bean 之間的依賴關系。
這里我們引出 Spring IoC，IoC(Inversion of Control)也稱為控制反轉，也就是對象定義其依賴關系的控制反轉。
原來這個過程是：誰使用誰創建，例如上面的例子中 UserController 需要使用 UserService，于是就由 UserController 創建 UserService 的實例。
引入 IoC 以后，這個創建過程發生的反轉，這些 UserController 和 UserService 之間的依賴關系由 XML 文件定義以后由 Spring 容器進行創建。
這個控制權從對象的使用者轉換為 Spring 容器，就成為控制反轉。也就是對象之間的依賴過程發生了變化，由原來的主動創建，變成了現在被動關聯(因為 Spring 容器的參與)，這種控制權顛的現象被稱為控制反轉。
Spring IoC 容器
前面說了 IoC 的來歷和概念，實際上它是用來管理對象初始化的容器，這里會針對 Spring IoC 容器介紹其主要功能。
Spring IoC 容器將創建對象，通過配置設定它們之間的依賴關系，并管理它們的生命周期(從創建到銷毀)。
Spring IoC 容器管理的對象被稱為 Spring Beans，也就是上面例子中提到的 UserController 和 UserService。
通過閱讀配置文件元數據提供的指令，容器知道對哪些對象進行實例化，配置和組裝。
配這里的置元數據就是上面例子的 XML，不過處理 XML 的配置之外還可以通過 Java 注釋或 Java 代碼來表示，大家可以理解為一種配置對象之間關系的方式。
說了這么多的 Spring IoC 容器的作用，在 Spring 中實現 IoC 容器的實際代表者是誰呢?
這里介紹兩類 Spring IoC 容器的代表者，分別是：
①Spring BeanFactory 容器
它是最簡單的容器，用 org.springframework.beans.factory.BeanFactory 接口來定義。
BeanFactory 或者相關的接口，如 BeanFactoryAware，InitializingBean，DisposableBean，在 Spring 中仍然存在具有大量的與 Spring 整合的第三方框架的反向兼容性的目的。
②Spring ApplicationContext 容器
添加了更多的企業特定的功能，例如從一個屬性文件中解析文本信息的能力，發布應用程序事件給感興趣的事件監聽器的能力。
該容器是由 org.springframework.context.ApplicationContext 接口定義。
由于 ApplicationContext 容器包括 BeanFactory 容器的所有功能，同時 BeanFactory 適用于輕量級應用。
這里我們將目光放到 ApplicationContext 容器上，看看它是如何實現 Spring IoC 容器的功能的。
由于 ApplicationContext 是一個接口，針對它有幾種不同的實現，這些實現會針對不同使用場景，以下列出三種不同實現：
FileSystemXmlApplicationContext：實現了從 XML 文件中加載 bean。初始化該類的時候需要提供 XML 文件的完整路徑。
ClassPathXmlApplicationContext：也實現了 XML 文件中加載 bean，與上面一種方式不同的是：不需要提供 XML 文件的完整路徑，只需正確配置 CLASSPATH 環境變量即可，容器會從 CLASSPATH 中搜索 bean 配置文件。
WebXmlApplicationContext：實現了在一個 web 應用程序的范圍內加載在 XML 文件中已被定義的 bean。
由于篇幅原因，這里我們針對 FileSystemXmlApplicationContext 實現 Spring IoC 容器進行說明。
圖 6：FileSystemXmlApplicationContext 實現 Spring IoC 容器
如圖 6 所示：
- 在使用 FileSystemXmlApplicationContext 實現類之前需要引入相關的包，由于其是接口 ApplicationContext 的實現類，因此需要引入 ApplicationContext 的包，以及自身 FileSystemXmlApplicationContext 的包。
- 在進行 FileSystemXmlApplicationContext 實例化時傳入 XML 文件的地址，也就是上文中配置 bean 對象的 XML 文件地址，這里是“C:/Test/src/Beans.xml”。
- 最后通過 FileSystemXmlApplicationContext 所帶的 getBean 方法，通過傳入 bean id 的方式獲取 bean 對象的實例，這里傳入“userController”，從而調用 userController 中的 save 方法完成業務。
Spring IoC 的優缺點
在介紹過 Spring IoC 的原理和容器實現以后，相信大家對 IoC 有所了解了，不過任何技術和架構都有其優缺點 Spring IoC 也不例外在使用它之前，還需要對其有清晰的認識。
首先是優點的部分：
- 靈活性，由于類之間依賴可以靈活配置，因此可以設置類對于接口的依賴，在針對變現對應的實現類，這種方式讓依賴接口的實現類更加方便，提倡面向接口編程，提高程序的可擴展性。
- 可讀性，每個bean之間的依賴關系清晰，由于 Spring IoC 容器來管理 bean 的實例，因此不需要創建一堆工廠類來生成不同的 bean。
- 可測性，由于通過 IoC 的方式讓每個 bean 都解耦了，可以針對單獨的 bean 進行測試，而且 bean 之間的依賴關系也很明確，如果想替換其中的 bean 進行測試也是很容易的事情。
有優點就一定有缺點：
- 復雜，由于引入 IoC 容器，對象生成步驟變得復雜，本來哪里使用哪里生成對象的，現在憑空多出 XML 配置依賴項之間的關系，讓系統調用變得不太直觀。因此會增加團隊學習成本，需要團隊提升這方面的技能。
- 性能，IoC 容器生成對象是通過反射方式，在運行效率上有一定的損耗，它允程序在運行時(不是編譯時)對成員進行操作。
- 配置，IoC 框架需要進行大量的配制工作，無形中會增加開發成本。
IoC 與 DI
前面說了 IoC 及控制反轉，一般來說和 IoC 一同出現的有 DI(Dependency Injection)也就是依賴注入，這兩個概念之間有什么關系呢?
在 2004 年 Martin Fowler 在探索 IOC 控制反轉問題的時候，提出：“哪些方面的控制被反轉了呢?”，經過詳細地分析和論證后，他得出了答案：“獲得依賴對象的過程被反轉了”。
控制被反轉之后，獲得依賴對象的過程由自身管理變為了由 IOC 容器主動注入。
于是，他給“控制反轉”取了一個更合適的名字叫做“依賴注入(Dependency Injection)”。
他的這個答案，實際上給出了實現 IOC 的方法：注入。所謂依賴注入，就是由 IoC 容器在運行期間，動態地將某種依賴關系注入到對象之中。
就好像上面提到的例子一樣，將 UserService 注入到 UserController 一樣，這個過程是由 Spring IoC 容器來完成的。
因此，依賴注入(DI)和控制反轉(IOC)是從不同角度描述同一件事情，就是指通過引入 IOC 容器，利用依賴關系注入的方式，實現對象之間的解耦。
基于對 IoC 和 DI 兩個概念的理解，再來看看實現 DI 的兩種方式：基于構造函數的 DI 和基于 setter 方法的 DI。
基于構造函數的 DI，在上面的例子中提到過這里進行一下回顧，如圖 7 所示，在 XML 的配置文件中定義 UserController 的 bean 同時將 ref 指定 UserService，也就是需要注入的 bean。
圖 7：構造函數 DI 的配置文件
需要注意的是，這里通過設置 contructor-arg 指定構造函數注入方式。
如圖 8 所示，在類文件中 UserController 的構造函數中傳入的參數就是 UserService。
Spring IoC 容器在完成依賴注入和對象初始化以后，在 UserController 中之間使用對象的實例展開后續的業務操作。
圖 8：UserController 使用依賴注入和被初始化以后的 UserService 對象
如圖 9 所示，在配置 bean 節點中稍微做了調整，將 contructor-arg 修改為了 property，通過 property 屬性定義與 UserService 的 setter 方法的依賴關系。
圖 9：UserController 定義 setter 方法的依賴關系
再來看看類中的修改，如圖 10 所示，與構造函數注入方式不同的是，在 UserController 中加入了一個 setUserService 的方法來設置 UserService 的屬性，傳入的參數依舊是 UserService。
圖 10：setter 方法的依賴注入在類中的實現
DI 的自動裝載
上面提到了通過構造函數和 setter 方法來注入備 bean 對象，其分別使用 XML 配置文件中的
為了減少 XML 配置的數量，Spring 容器可以在不使用
下面我們來看看幾種自動裝配的方式：
①byType，這種方式由屬性數據類型自動裝配
如果在類中定義了與其他類的依賴關系，那么 Spring 容器在 XML 配置文件中會通過類型尋找對應依賴關系的 bean，然后與之關聯。這個過程容器會嘗試匹配和連接屬性的類型。
例如 bean A 定義了 X 類型的屬性， Spring 會在 ApplicationContext 中尋找一個類型為 X 的 bean，并將其注入 bean A。
如果還是覺得抽象，我們看下面的例子，如圖 11 所示，UserController 設置 UserService 屬性時定義了與 UserService 的依賴關系。
圖 11：定義 UserController 與 UserService 的依賴關系
如圖 12 所示，在 XML 配置文件中 UserController 就不需要使用 property 屬性定義與 UserService 之間的關系，取而代之的是使用 autowire=“byType” 的方法。
圖 12：通過 byType 定義關系
容器通過類中 setUserService 傳入的 UserService 類型自動在配置文件中尋找 UserService 對應的類型，從而完成 UserController 和 UserService 依賴關系，也就是依賴注入，這種方式也是基于類型的自動裝載。
②constructor，適用于構造函數參數類型的自動加載
有了 byType 的基礎這個很好理解，例如 bean A 的構造函數接受 X 類型的參數，容器會在 XML 尋找 X 類型的 bean，并將其注入到 bean A 的構造函數中。
如圖 13 所示，UserController 在構造函數中定義 UserService 作為初始化參數，確定了 UserController 對 UserService 的依賴。
圖 13：UserController 在構造函數中定義 UserService 作為初始化參數
如圖 14 所示，在 XML 配置文件中 UserController 只需要設置 autowire=“constructor”。
告訴容器通過 UserController 類中的構造方法將 UserService 注入到 UserController 中，完成 UserController 和 UserService 依賴關系，這種方式也是基于構造器的自動裝載。
圖 14：通過 constructor 定義關系
③byName，通過指定特定的 bean 名稱，容器根據名稱自動選擇 bean 屬性，完成依賴注入
例如：bean A 定義了一個名為 X 的屬性，容器會在 XML 尋找一個名為 X 的 bean，將其注入到 bean A 中。
如圖 15 所示，UserController 中定義了一個名為 myUserService 的成員屬性，其類型是 UserService。
圖 15：UserController 中定義了一個名為 myUserService 的成員屬性
如圖 16 所示，在 XML 的配置中 UserController 的 autowire 配置了“byName”。
此時容器會根據類中定義的 myUserService 成員屬性(變量)自動關聯到 UserService，在 UserController 中 setUserService 時自動裝載 UserService 的實例。
圖 16：XML 文件中 byName 的定義
總結
本文從 Spring IoC 的由來說起，通過一個簡單的對象依賴例子解釋了 Spring IoC 解決的問題。
它將對象的依賴關系從對象內部轉移到了 IoC 容器中完成，由容器來關系對象的注冊和依賴關系。
說起 Spring IoC 容器，由 BeanFactory 和 ApplicationContext 接口完成具體工作。
針對常用的 ApplicationContext 接口的三個實現類，分別實現了根據 XML 加載實例、根據 CLASSPATH 加載實例和根據 Web 應用程序范圍加載實例。
在分析完 IoC 的優缺點以后，解釋了 IoC 與 DI 之間的關系，DI 從另外一個角度解釋了 IoC，它是在 IoC 容器運行期間動態地將依賴關系注入到對象中。
常見的依賴注入方式有：構造函數注入和 setter 方法注入。同時也給大家介紹了 DI 的自動注入(加載)，其內容包括 byType、constructor 和 byName 三種。
作者：崔皓
簡介：十六年開發和架構經驗，曾擔任過惠普武漢交付中心技術專家，需求分析師，項目經理，后在創業公司擔任技術/產品經理。善于學習，樂于分享。目前專注于技術架構與研發管理。
編輯：陶家龍
征稿：有投稿、尋求報道意向技術人請聯絡 editor@51cto.com
【51CTO原創稿件，合作站點轉載請注明原文作者和出處為51CTO.com】
