从对象创建和引用小议解耦

转自：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-decoupling/

解耦是软件设计领域中一个永恒不变的话题，在软件设计过程中，为了最大程度降低各个应用组件之间的耦合性，以提高其可维护性和可复用性，出现了诸多设计原则和解决方案。例如面向接口编程，开 - 闭原则，依赖倒转原则等，另外更出现一系列设计模式。同时，由于如何实现解耦涉及面相当广，大至组件的划分和关联，小至对象的创建和引用，往往使软件开发人员感到迷惑。本文将从对象创建和引用的角度出发，介绍常见的一些解决方案，并比较之间的差别，期望读者能从一个侧面加深对解耦概念的理解。

 

应用场景

为方便后续介绍，本文假设一个计算器的应用。初始设计由以下几部分组成：

• 计算器界面类 CalculatorUI该类接受用户输入的表达式，执行一些输入校验工作，并将合法的表达式传递到具体的分析器，最终将计算结果返回给用户。
• 语法分析器接口，ExpressionEvaluator及其实现类 ExpressionEvaluatorImpl，其承担实际的计算工作。

在该应用场景中，CalculatorUI类需要持有指向 ExpressionEvaluator实现的引用，以便在运行时委派其实际的计算工作。文章后续将围绕如何持有和初始化 ExpressionEvaluator实现展开介绍，并依次提出多种解决方案。

清单 1. 计算器实现方式一 (new 操作符 )

public class CalculatorUI { 

    private ExpressionEvaluator expressionEvaluator; 

    public CalculatorUI() { 
        expressionEvaluator = new ExpressionEvaluatorImpl(); 
    } 

    public String evaluate(String expression) { 
        if (expression == null || expression.isEmpty()) { 
            throw new IllegalArgumentException("[" + expression + "]
                is not a valid expression"); 
        } 
        return expressionEvaluator.evaluate(expression); 
    } 
 }

清单 1 展示了一种非常典型的实现方式，即直接在 CalculatorUI 中使用 new 操作符创建 ExpressionEvaluator 的实例。该种方式虽然简单明了，但是将 ExpressionEvaluator 的实现类 ExpressionEvaluatorImpl 被硬编码在 CalculatorUI 的代码中，两者的耦合程度相当高。设想该计算器应用程序在后续使用时，如果希望更改成其他 ExpressionEvaluator 的实现，则必须修改 CalculatorUI 的代码并重新编译。

清单 2. 计算器实现方式二 ( 工厂模式 )

public class ExpressionEvaluatorFactory { 

    public static ExpressionEvaluator createExpressionEvaluator() { 
        return new ExpressionEvaluatorImpl(); 
    } 
 } 

 public class CalculatorUI { 

    private ExpressionEvaluator expressionEvaluator; 

    public CalculatorUI() { 
        expressionEvaluator = ExpressionEvaluatorFactory.createExpressionEvaluator(); 
    } 
    
    ...... 
 }

针对 清单 1 中所示实现方式的缺点，在 清单 2 中引入常见的静态工厂设计模式。引入工厂类 ExpressionEvaluatorFactory后，CaculatorUI将不需要自行创建和初始化 ExpressionEvaluator 的实现，而是将相关工作委派给工厂类。相对于第一种实现方式，CalculatorUI 脱离了与 ExpressionEvaluatorImpl 之间的直接耦合，对其而言，它只需要调用 ExpressionEvaluatorFactory的createExpressionEvaluator方法即可。使用方式二的计算器应用程序如果需要更换 ExpressionEvaluator实现，无需修改 CalculatorUI的代码，只要改动 ExpressionEvaluatorFactory 工厂类的代码。正如通常所说的，客户端代码不需要修改了，而且当应用程序多处使用ExpressionEvaluatorFactory 时，其优势更加明显。

通过 清单 2 所示的第二种实现方式，清单 1 实现方式的缺点得到解决，但是值得注意的是，耦合并没有消除，而是转移到ExpressionEvaluatorFactory 工厂类中。当需要换成其他 ExpressionEvaluator 的实现时，仍然需要修改并重新编译ExpressionEvaluatorFactory 类，当然优势自然是客户端代码无需修改了。在此我们引入第三种实现方式。

清单 3. 计算器实现方式三 (Service Look-up)

public class ExpressionEvaluatorFactory { 

    public static final String EXPRESSION_EVALUATOR_PROPERTY_NAME="ExpressionEvaluator";

    private static final String DEFAULT_EXPRESSION_EVALUATOR_IMPL 
        = "ExpressionEvaluatorImpl"; 

    public static ExpressionEvaluator createExpressionEvaluator() { 
        String implClassName = loadFromSystemProperty(); 
        if (implClassName == null) { 
            implClassName = loadFromJREPropertyFile(); 
            if (implClassName == null) { 
                implClassName = loadFromServiceEntryURL(); 
                if (implClassName == null) { 
                    implClassName = DEFAULT_EXPRESSION_EVALUATOR_IMPL; 
                } 
            } 
        } 
        Class cls = loadClass(implClassName); 
        try { 
            return (ExpressionEvaluator) cls.newInstance(); 
        } catch (Exception e) { 
            throw new ExpressionEvaluatorException("Fail to create instance of ["
                + implClassName + "]", e); 
        } 
    } 

    private static Class loadClass(String implClassName) { 
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        try { 
            if (cl != null) { 
                return cl.loadClass(implClassName); 
            } else { 
                return Class.forName(implClassName); 
            } 
        } catch (Exception e) { 
            throw new ExpressionEvaluatorException("Fail to load class [" 
                + implClassName + "]", e); 
        } 
    } 
    
    ...... 
}

在 清单 3 中，对工厂类 ExpressionEvaluatorFactory 做了修改，在创建 ExpressionEvaluator 实例时，采取了常见的 Service Look-up 方式。即依次通过如下方式搜索实现类：

• 读取系统属性，用户可以在应用启动时通过 -D 选项进行设置。
• 读取 JRE 目录中的某个属性文件，以获取实现类类名。
• 通过类载入器检索记录实现类类名的文件，常见的检索格式为 META=INF/services/ExpressionEvaluator.
• 如通过以上途经均未找到合适的实现类，则使用默认的实现类 ExpressionEvaluatorImpl。

事实上，在 Java EE 平台中，很多组件均使用此方式检索服务端接口的实现类，例如javax.xml.bind.JAXBContext，javax.el.ExpressionFactory，javax.xml.soap.MessageFactory等。由此，不但避免了工厂类与实现类之间的紧耦合，而且提供多种策略在运行时获取实现类。可以预见，使用第三种方式实现的计算器应用，可以非常方便的更换ExpressionEvaluator的实现类而无需修改和编译 ExpressionEvaluatorFactory的代码，例如在应用启动时设置对应系统属性值为实现类类名等。

继续观察包括 清单 3在内的以上实现方式，可以发现，无论是直接使用 new操作符创建，还是使用 ExpressionEvaluatorFactory工厂类创建，均是由 CalculatorUI负责 ExpressionEvaluator实现实例的创建。事实上，完全可以将相关逻辑从其中剥离出去，毕竟对于CalculatorUI而言，它并不关心如何创建或者由谁去创建实例对象，其更关注的是如何使用 ExpressionEvaluator的功能。常见的解决方案之一是定义一个全局的注册表，服务的提供者和使用者分别在其中发布和获取相关服务。

清单 4. 计算器实现方式四 ( 注册表组件 )

public class CalculatorUI { 

    private ExpressionEvaluator expressionEvaluator;

    public CalculatorUI() { 
        expressionEvaluator = (ExpressionEvaluator) 
            GlobalRegistry.getService("SimpleExpressionEvaluator");
    } 

    public String evaluate(String expression) { 
        if (expression == null || expression.isEmpty()) { 
            throw new IllegalArgumentException("[" + expression
                + "] is not a valid expression"); 
        } 
        return expressionEvaluator.evaluate(expression);
    }

}

在 清单 4 中，CalculatorUI 不再关注通过何种方式创建 ExpressionEvaluator 实现实例，相对于前者前通过工厂模式创建实例，现在则从全局注册表中获取。通过引入 GlobalRegistry 之后，CalculatorUI 和 ExpressionEvaluator 实现类之间达到了更大程度上的解耦，两者完全通过注册表实现了相互关联。在 Java 相关的诸多技术中，常常可以看到此实现方式的身影。例如 JavaEE 的目录服务也是类似的实现方式，联想到在应用程序中，我们通过标准的 JNDI 接口去访问后台的目录服务，从而获取 EJB，Web Service 等等的引用。同样，在 OSGI 中，各个 Bundle 通过 BundleContext注册和获取相关服务，其目的之一也是降低 Bundle 之间的耦合性。

继续观察上述实现方式，无论是通过工厂模式，抑或是通过注册表组件，始终在 CalculatorUI 中包含如何获取 ExpressionEvaluator实现实例的逻辑，那么有无方法彻底将其从客户端代码中移除呢？答案之一便是对象注入技术。当前常见的实现策略是通过构造函数或者 JavaBean 的标准 setXXX 方法进行对象实例的注入。两种方式各有优缺点，一般认为使用后者会更具备灵活性。这里，将借助于 Spring 这个优秀的开源项目，展示第五种解决方案。

清单 5. 计算器实现方式五 ( 对象注入 )

public class CalculatorUI { 

    private ExpressionEvaluator expressionEvaluator; 

    public CalculatorUI() { 
    } 
    
    public void setExpressionEvaluator(ExpressionEvaluator expressionEvaluator){
        this.expressionEvaluator = expressionEvaluator; 
    } 
    ...... 
 } 

Spring Configuration Fragment A (Use ExpressionEvaluatorImpl directly)

<beans> 

  <bean id="calculatorUI" class="CalculatorUI"> 
    <property name="expressionEvaluator"> 
        <ref bean="expressionEvaluator"/> 
    </property> 
  </bean> 

  <bean id="expressionEvaluator" class="ExpressionEvaluatorImpl"/> 
 
 </beans> 

 Spring Configuration Fragment B (Use ExpressionEvaluatorFactory)

 <beans> 

  <bean id="calculatorUI" class="CalculatorUI"> 
    <property name="expressionEvaluator"> 
        <ref bean="expressionEvaluator"/> 
    </property> 
  </bean> 

  <bean id="expressionEvaluator" class="ExpressionEvaluatorFactory" 
    factory-method="createExpressionEvaluator"/> 
 
</beans>

在 清单 5 中，基于前一种解决方式做了如下修改：

• 去除了原先在 CalculatorUI 构造函数中关于从 GlobalRegistry 中获取 ExpressionEvaluator 实现实例的初始化代码，而为其添加了setExpressionEvaluator 方法以实现对 ExpressionEvaluator 的设置。
• 使用 Spring 的配置文件实现运行时的注入，<ref> 标签用于关联 ExpressionEvaluator 实例和 CalculatorUI实例，即运行时注入的实例对象。示例中的两种配置文件分别是直接使用 ExpressionEvaluatorImpl 和使用 ExpressionEvaluatorFactory，实际应用中可依据需要和项目约定使用任一种方式。

在第五种解决方式中，依托于 Spring 项目，CalculatorUI 和 ExpressionEvaluator 得到了进一步的解耦。通过在 XML 配置中引用的设置，Spring 容器会在运行时将期望的 ExpressionEvaluator 实现的实例注入到 CalculatorUI 中去。至此，CalculatorUI 甚至不需关心如何获取ExpressionEvaluator 实例对象。后续使用过程中，如果需要更换新的实现，需要的是修改 Spring 的 XML 配置文件，可以很方便地更新相关实现。

另外，熟悉 Spring 的读者知道其独特的 AutoWire 的功能，简而言之，Spring 容器会按照一定的规则自动寻找适合的 Bean 实例对象进行注入操作，常见的规则包括通过名称，类型等匹配。适当的使用该功能，会使应用程序的耦合性更低，相对而言也更加灵活。

在刚发布的 Java EE 6 平台包含的众多组件中，JSR-299 : Contexts and Dependency Injection for the JavaEE platform/JSR-330 ： Dependency Injection for Java 是最受瞩目的技术之一 。究其原因，其提供的依赖注入特性功不可没。在进一步介绍 JSR-330 注入技术之前，首先看一下应用程序代码的变化。

清单 6. 计算器实现方式六 (WebBeans)

import javax.inject.Inject; 
public class CalculatorUI { 

    @Inject 
    private ExpressionEvaluator expressionEvaluator; 

    public CalculatorUI() { 
    } 

    public String evaluate(String expression) { 
        if (expression == null || expression.isEmpty()) { 
            throw new IllegalArgumentException("[" + expression + 
                "] is not a valid expression"); 
        } 
        return expressionEvaluator.evaluate(expression); 
    } 
}

如 清单 6 所展示，CalculatorUI 类中出现了一个 Inject 标识，在 JSR-299 中使用其标识注入点，即容器会在运行时对其执行注入操作。该标识可以标注在类成员变量，构造函数以及普通函数上。那么 Web Beans 容器是如何知道将哪个实例注入？其是通过如下两个标准检索对应的实现：

• 实现类必需具备注入参数所要求的匹配类型，以本例而言，实现类必需实现 ExpressionEvaluator 接口。事实上针对不同类型的 Web Beans 之间规则略有差别，详细情况请参照 JSR-299 规范。
• 实现类具备所有注入点所要求的 Qualifier。在 JSR-299 规范中，允许用户自定义匹配标识，容器在检索实现类时会校验注入点参数和实现类是否具有相同 Qualifer。在本例中，并未显示定义具体的 Qualifier，则默认为 Default 类型，因为我们的计算器应用只包含一个ExpressionEvaluator 接口的实现。如果有多个，则需要自定义 Qualifier 以确保唯一匹配。如 清单 7 所示：

清单 7. 自定义 Qualifer

SimpleExpressionEvaluator.java
@Qualifier 
@Target( { ElementType.TYPE, ElementType.METHOD, 
    ElementType.PARAMETER, ElementType.FIELD }) 
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) 
public @interface SimpleExpressionEvaluator { 
} 

CalculatorUI.java
import javax.inject.Inject; 
public class CalculatorUI { 

    @Inject 
    @SimpleExpressionEvaluator
    private ExpressionEvaluator expressionEvaluator; 

    public CalculatorUI() { 
    } 

    public String evaluate(String expression) { 
        if (expression == null || expression.isEmpty()) { 
            throw new IllegalArgumentException("[" + expression + 
                "] is not a valid expression"); 
        } 
        return expressionEvaluator.evaluate(expression); 
    } 
} 

ExpressionEvaluatorImpl.java@SimpleExpressionEvaluator
public class ExpressionEvaluatorImpl implements ExpressionEvaluator { 

    public String evaluate(String expression) { 
        ......        
    } 
}

与基于前面基于 Spring 的实现方式相比，两者均是使用对象注入技术，只是如何定义 Bean 对象之间的关联不一样，前者是使用 XML 配置文件，而后者则是通过标识。当然，Web Beans 的优势之一是类型安全。在使用 Spring 的 XML 配置时，不同 Bean 对象之间的注入是通过其 Id 实现的。例如在 清单 5所示的配置文件中，<ref> 元素用于指定目标注入实例对象。而从上述 WebBeans 的检索规则中可以确保注入操作的类型安全性，同时在部署过程中即可执行相关检测。

总结

本文中，我们以实现一个计算器应用为例，从对象的创建和引用的角度，列举了多种实现方式来诠释如何实现对象之间的解耦。应该说，上述的六种方式各有优缺点，没有哪种是最好的，实际使用时，可以根据实际场景的不同，而采取不同的解决方案。

• 在简单的场景中，如果实现类本身就是一个内部类，或者从开发预期看，没有必要更换实现，抑或即使会有更换的需求，但是所涉及的范围可控，那么就可以直接使用 new 操作符创建对应的实现实例。
• 同样，如果评估之后，确有可能在后期更换实现，并该实例在应用程序中多处会被使用到，便可以考虑使用工厂模式或者服务定位的方式，以降低后期因为更改实现而对程序产生影响的范围。
• 如果应用本身即时基于 Spring 框架开发，或者是以 Bundle 的形式运行与 OSGI 环境中，又或者是运行于 WebBeans 容器之中，最后的几种方式便是当仁不让的选择。

事实上，解耦是个相对的概念，并不存在完全程度的解耦。从上述各种解决方案可以看出，其目的都是转移了耦合点，从直接使用 new 操作符创建到将其移至工厂类中，进一步移至配置文件和系统属性，最终到 Java 类的标识。通过耦合点的转移，使得原先的对象之间耦合性得到了降低。而之所以可以去转移，原因是当发生实现更换时，新的耦合点更方便修改，并且影响范围更小。

那么，究竟什么时候，我们可以大声宣称对象之间实现解耦了呢？通常而言，当发生实现更换时，达到如下之一的要求即可：

• 不需要重现编译代码，而是通过修改配置文件或者系统属性即可达到目标。
• 客户端的代码不需要修改并重新编译，例如只需要修改或者更新库文件即可。