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Spring框架簡介

 某某某1014 2014-07-27

原文地址：  http://my.oschina.net/myriads/blog/37922

1、使用框架的意義與Spring的主要內容

     隨著軟件結構的日益龐大，軟件模塊化趨勢出現(xiàn)，軟件開發(fā)也需要多人合作，隨即分工出現(xiàn)。如何劃分模塊，如何定義接口方便分工成為軟件工程設計中越來越關注的問題。良好的模塊化具有以下優(yōu)勢：可擴展、易驗證、易維護、易分工、易理解、代碼復用。

     優(yōu)良的模塊設計往往遵守“低耦合高內聚”的原則。而“框架”是對開發(fā)中良好設計的總結，把設計中經常使用的代碼獨立出來，所形成的一種軟件工具。用戶遵守它的開發(fā)規(guī)則，就可以實現(xiàn)良好的模塊化，避免軟件開發(fā)中潛在的問題。廣義上的框架無處不再，一個常見的例子就是PC硬件體系結構，人們只要按照各自需要的主板、顯卡、內存等器件就可以任意組裝成自己想要的電腦。而做主板的廠商不用關心做顯卡廠商的怎么實現(xiàn)它的功能。軟件框架也是如此，開發(fā)人員只要在Spring框架中填充自己的業(yè)務邏輯就能完成一個模塊劃分清晰紛的系統(tǒng)。

     這里主要通過一個銀行通知用戶月收支記錄的小例子來介紹輕型J2EE框架Spring的主要內容、它所解決的問題和實現(xiàn)的方法。

Spring框架主要可以分為3個核心內容：

        1、容器

        2、控制反轉（IoC ，Inversion of Control）

        3、面向切面編程（AOP ，Aspect-Oriented Programming）

      例子中依次對這些特性進行介紹，描述了軟件模塊化后存在的依賴與問題，以及Spring框架如何解決這些問題。 

2、一個簡單的例子程序

     假設有一個如下應用場景：（1）一個銀行在每月的月初都需要向客戶發(fā)送上個月的賬單，賬單發(fā)送的方式可以為紙質郵寄、或者短信方式。（2）還有一個潛在的需求：為了安全起見，在每個函數操作過程中都需要記錄日志，記錄參數傳入是否正常，函數是否正常結束，以便出錯時系統(tǒng)管理員查賬。

     那么對這個需求進行簡單實現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如下所示：

    首先定義一個賬單輸出的接口：

1 //接口
2 public interface ReportGenerator{
3     publicvoid generate(String[][] table) ;
4 }

     實現(xiàn)“打印紙質賬單”與“發(fā)送短信”兩個具體功能：

1 //賬單報表實現(xiàn)類 
2 public class PageReportGenerator implement ReportGenerator {
3     publicvoid generate(String[][] table) {
4         log4j.info( ... );   //輸出日志 
5         ...打印操作，以便工作人員郵遞給客戶
6         log4j.info( ... );   //輸出日志 
7     } 
8 }
1 //短信報表實現(xiàn)類 
2 public class SMSReportGenerator implement ReportGenerator {
3     publicvoid generate(String[][] table) {
4         log4j.info( ... );
5         ...短信發(fā)送操作
6         log4j.info( ... );
7      }
8 }

    上層業(yè)務邏輯對上個月的賬目進行統(tǒng)計并調用接口產生紙質或者短信結果：

01 //上層業(yè)務中的服務類 
02 public class ReportService{ 
03     privateReportGenerator reportGenerator = newSMSReportGenerator(); 
04     publicvoid generateMonthlyReport(intyear, int month) { 
05         log4j.info( ... ); 
06         String[][] statistics =null ; 
07         ... 
08         reportGenerator.generate(statistics); 
09     }
10 } 
這個實現(xiàn)源代碼請查看文章結尾附錄中的"BankOld"。源代碼中與例子中程序略有區(qū)別：由于使用log4j需要引用外部的包，并且需要寫配置文件，為了方便，源代碼中的日志輸出用system.out.println()代替。

3、Spring中的容器

        A、模塊化后出現(xiàn)的問題與隱患

        假設隨著工程的復雜化，上面的例子需要分成兩個模塊，以便開發(fā)時分工，一般會以如下結構劃分：

    劃分后再看原來的代碼： 

1 //上層業(yè)務中的服務類 
2 public class ReportService{ 
3     privateReportGenerator reportGenerator = newSMSReportGenerator(); //隱患 
4   
5     publicvoid generateMonthlyReport(intyear, int month) { 
6         ... 
7     } 
8 }

     在服務類有private ReportGenerator reportGenerator = new SMSReportGenerator();這么一行代碼，ReportService類與SMSReportGenerator類不屬于同一個模塊，當開發(fā)人員B對內部實現(xiàn)進行修改時，由于存在依賴，開發(fā)人員A也要進行修改（比如之前喜歡短信收賬單的客戶感覺短信不夠詳細，希望以后改用郵件收賬單，那么開發(fā)人員B需要實現(xiàn)一個MailReportGenerator類，在開發(fā)人員B修改代碼是，開發(fā)人員A也需要改代碼------聲明部分修改）。如果系統(tǒng)龐大new
SMSReportGenerator()大量使用的話，修改就會十分復雜，一個聲明沒有修改就會出現(xiàn)大的BUG。

    所以需要一種劃分，讓各個模塊盡可能獨立，當開發(fā)人員B修改自己的模塊時，開發(fā)人員A不需要修改任何代碼。

    B、問題出現(xiàn)的原因

    為例子中的程序畫一個UML依賴圖：

    可以發(fā)現(xiàn)上述問題出現(xiàn)的原因主要是：模塊A與模塊B不但存在接口依賴，還存在實現(xiàn)依賴。ReportGenerator每次修改它的實現(xiàn)，都會對ReportService產生影響。那么需要重構消除這種實現(xiàn)依賴。

    C、用容器解決問題

    消除實現(xiàn)依賴一般可以通過添加一個容器類來解決。在例子程序容器代碼如下： 

01 //容器類 
02 public class Container { 
03   
04     publicstatic Container instance; 
05   
06     privateMap<String, Object> components; 
07   
08     publicContainer(){ 
09         component =new HashMap<String, Object>(); 
10         instance =this; 
11   
12         ReportGenertor reportGenertor =new SMSReportGenertor(); 
13         components.put(“reportGenertor”, reportGenertor); 
14   
15         ReportService reportService =new ReportService(); 
16         components.put(“reportService”, reportService); 
17     } 
18   
19     publicObject getComponent(String id){ 
20         returncomponents.get(id); 
21     } 
22 }

    使用容器后，模塊A的ReportService的屬性實現(xiàn)方法也發(fā)生了變化。

01 //服務類變更，降低了耦合 
02 public class ReportService{ 
03   
04     //private ReportGenerator reportGenerator = new SMSReportGenerator(); 
05     privateReportGenerator reportGenerator = (ReportGenerator) Container.instance.getComponent(“reportGenerator”); 
06   
07     publicvoid generateMonthlyReport(intyear, int month) { 
08         ... 
09     } 
10 }

     這樣的話，class都在容器中實現(xiàn)，使用者只需要在容器中查找需要的實例，開發(fā)人員修改模塊B后（在模塊中增加郵件報表生成類MailReportGenerator），只需要在容器類中修改聲明（把ReportGenertor
reportGenertor = new SMSReportGenertor();改為ReportGenertor reportGenertor = new
MailReportGenertor();）即可，模塊A不需要修改任何代碼。一定程度上降低了模塊之間的耦合。

4、Spring中的控制反轉

 

    A、還存在的耦合

    使用容器后模塊A與模塊B之間的耦合減少了，但是通過UML依賴圖可以看出模塊A開始依賴于容器類：

    之前的模塊A對模塊B的實現(xiàn)依賴通過容器進行傳遞，在程序中用(ReportGenerator) Container.instance.getComponent(“reportGenerator”)的方法取得容器中SMSReportGenertor的實例，這種用字符(“reportGenerator”)指代具體實現(xiàn)類SMSReportGenertor 的方式并沒有完全的解決耦合。所以在銀行賬單的例子中我們需要消除ReportService對容器Container的依賴。

    B、控制反轉與依賴注入

    在我們常規(guī)的思維中，ReportService需要初始化它的屬性private ReportGenerator reportGenerator就必須進行主動搜索需要的外部資源。不使用容器時，它需要找到SMSReportGenertor()的構造函數；當使用容器時需要知道SMSReportGenertor實例在容器中的命名。無論怎么封裝，這種主動查找外部資源的行為都必須知道如何獲得資源，也就是肯定存在一種或強或弱的依賴。那是否存在一種方式，讓ReportService不再主動初始化reportGenerator，被動的接受推送的資源?

    這種反轉資源獲取方向的思想被稱為控制反轉（IoC，Inversion of Control），使用控制反轉后，容器主動地將資源推送給需要資源的類（或稱為bean）ReportService，而ReportService需要做的只是用一種合適的方式接受資源?？刂品崔D的具體實現(xiàn)過程用到了依賴注入（DI，Dependecncy Injection）的設計模式，ReportService類接受資源的方式有多種，其中一種就是在類中定義一個setter方法，讓容器將匹配的資源注入：setter的寫法如下： 

01 //為需要依賴注入的類加入一種被稱為setter的方法 
02   
03 public class ReportService{ 
04   
05     /*private ReportGenerator reportGenerator = 
06         (ReportGenerator) Container.instance.getComponent(“reportGenerator”); */ 
07   
08     privateReportGenerator reportGenerator; 
09   
10     publicvoid setReportGenerator( ReportGenerator reportGenerator) { 
11         this.reportGenerator = reportGenerator; 
12     } 
13   
14     publicvoid generateMonthlyReport(intyear, int month) { 
15         ...  
16     } 
17 }

    在容器中把依賴注入： 

01 //容器類   
02 public class Container { 
03        
04     ... 
05     publicContainer ( ) { 
06         component =new HashMap<String, Object>(); 
07         instance =this; 
08         ReportGenertor reportGenertor =new SMSReportGenertor(); 
09         components.put(“reportGenertor”, reportGenertor); 
10   
11         ReportService reportService =new ReportService(); 
12         reportService.setReportGenerator(reportGenerator);//使用ReportService的setter方法注入依賴關系 
13         components.put(“reportService”, reportService);
14     } 
15     ... 
16 }

    這樣一來ReportService就不用管SMSReportGenertor在容器中是什么名字，模塊A對于模塊B只有接口依賴，做到了松耦合。

    C、Spring IoC容器的XML配置

    每個使用Spring框架的工程都會用到容器與控制反轉，為了代碼復用，Spring把通用的代碼獨立出來形成了自己的IoC容器供開發(fā)者使用：

 

    與上面例子中實現(xiàn)的容器相比，Spring框架提供的IoC容器要遠遠復雜的多，但用戶不用關心Spring
IoC容器的代碼實現(xiàn)，Spring提供了一種簡便的bean依賴關系配置方式------使用XML文件，在上面的例子中，配置依賴關系只要在工程根目錄下的“application.xml”編輯如下內容：

01 <?xmlversion="1.0"encoding="UTF-8"?> 
02 <beans   xmlns="http://www./schema/beans"
03     xmlns:xsi="http://www./2001/XMLSchema-instance"
04     xmlns:p="http://www./schema/p"
05     xsi:schemaLocation="http://www./schema/beans
06          http://www./schema/beans/spring-beans-3.0.xsd" >
07   
08     <beanid="smsReportGenerator"class="bank.SMSReportGenerator"/>
09   
10     <beanid="reportService"class="bank.ReportService">  
11        <propertyname="reportGenerator"ref="smsReportGenerator"/> 
12     </bean>
13  </beans>

        <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>是標準的XML頭，xmlns引用的是一些命名空間，兩個一般在工程中自動生成。后面的內容由用戶輸入，主要表示實例化SMSReportGenerator，實例化ReportService并把SMSReportGenerator的對象smsReportGenerator賦值給ReportService的屬性reportGenerator，完成依賴注入。

5、Spring中的面向切面編程

 

    A、日志問題以及延伸

    在例子的需求中有一條是：需要記錄日志，以便出錯時系統(tǒng)管理員查賬。回顧例子中的代碼，在每個方法中都加了日志操作： 

01 //服務類 
02 public class ReportService{ 
03     ... 
04     publicvoid generateMonthlyReport(intyear, int month) { 
05         log4j.info( ... );  //記錄函數的初始狀況參數等信息 
06         String[ ][ ] statistics =null ; 
07         ... 
08         reportGenerator.generate(statistics); 
09         log4j.info( ... );  //記錄函數的執(zhí)行狀況與返回值 
10     } 
11 }
01 //憑條報表實現(xiàn)類   
02 public class PageReportGenerator implement ReportGenerator { 
03   
04     publicvoid generate(String[ ][ ] table) { 
05   
06         log4j.info( ... );      //記錄函數的初始狀況參數等信息 
07         …打印操作 
08         log4j.info( ... );      //記錄函數的執(zhí)行狀況與返回值 
09     } 
10 }

    可以看出在每個方法的開始與結尾都調用了日志輸出，這種零散的日志操作存在著一些隱患，會導致維護的困難。比如日志輸出的格式發(fā)送了變化，那么無論模塊A還是模塊B的程序員都要對每個方法每個輸出逐條修改，極容易遺漏，造成日志輸出風格的不一致。又比如不用Log4j日志輸出工具更換其他工具，如果遺漏一個將會出現(xiàn)嚴重BUG。

    與日志輸出相似的問題在編程中經常遇到，這種跨越好幾個模塊的功能和需求被稱為橫切關注點，典型的有日志、驗證、事務管理等。

    橫切關注點容易導致代碼混亂、代碼分散的問題。而如何將很切關注點模塊化是本節(jié)的重點。
 
    B、代理模式

    傳統(tǒng)的面向對象方法很難實現(xiàn)很切關注點的模塊化。一般的實現(xiàn)方式是使用設計模式中的代理模式。代理模式的原理是使用一個代理將對象包裝起來，這個代理對象就取代了原有對象，任何對原對象的調用都首先經過代理，代理可以完成一些額外的任務，所以代理模式能夠實現(xiàn)橫切關注點。

    可能在有些程序中有很多橫切關注點，那么只需要在代理外再加幾層代理即可。以銀行賬單為例介紹一個種用Java Reflection API動態(tài)代理實現(xiàn)的橫切關注點模塊化方法。系統(tǒng)提供了一個InvocationHandler接口： 

1 //系統(tǒng)提供的代理接口 
2 public interface InvocationHandler { 
3     publicObject invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)throw Throwable; 
4 }

    我們需要實現(xiàn)這個接口來創(chuàng)建一個日志代理，實現(xiàn)代碼如下：

01 //日志代理實現(xiàn)   
02 public class LogHandler implement InvocationHandler{ 
03   
04     privateObject target; 
05   
06     publicLogHandler(Object target){ 
07         this.target = target; 
08     } 
09     publicObject invoke(Object proxy, Method method, Object[] args )throw Throwable{ 
10   
11         //記錄函數的初始狀況參數等信息 
12         log4j.info(“開始:方法”+ method.getName() + “參數”+Arrays.toString(args) );
13    
14   
15         Object result = method.invoke(target, args); 
16   
17         //記錄函數的執(zhí)行狀況與返回值 
18         log4j.info(“結束:方法”+ method.getName() + “返回值”+ result ); 
19   
20     }
21  }

     這樣既可以使得日志操作不再零散分布于各個模塊，易于管理。調用者可以通過如下方式調用： 

01 //主函數   
02 public class Main{ 
03     publicstatic void main(String[ ] args){ 
04         ReportGenerator reportGeneratorImpl  =new SMSReportGenerator (); 
05   
06         //通過系統(tǒng)提供的Proxy.newProxyInstance創(chuàng)建動態(tài)代理實例 
07         ReportGenerator reportGenerator = (ReportGenerator ) Proxy.newProxyInstance(  
08             reportGeneratorImpl.getClass().getClassLoader(), 
09             reportGeneratorImpl.getClass().getInterfaces(), 
10             newLogHandler(reportGeneratorImpl)
11         ) ; 
12         ...
13     }
14 }

    代理模式很好的實現(xiàn)了橫切關注點的模塊化，解決了代碼混亂代碼分散問題，但是我們可以看出用 Java Reflection API 實現(xiàn)的動態(tài)代理結構十分復雜，不易理解，Spring框架利用了代理模式的思想，提出了一種基于JAVA注解（Annotation）和XML配置的面向切面編程方法（AOP ，Aspect-Oriented Programming）簡化了編程過程。

    C、Spring AOP 使用方法

    Spring AOP使用中需要為橫切關注點（有些時候也叫切面）實現(xiàn)一個類，銀行賬單的例子中，切面的實現(xiàn)如下：

01 //切面模塊實現(xiàn)   
02 @Aspect    //注解1 
03 public class LogAspect{ 
04   
05     @Before(“execution(* *.*(..))”)   //注解2 
06     publicvoid LogBefore(JoinPoint joinPoint) throw Throwable{ 
07         log4j.info(“開始:方法”+ joinPoint.getSignature().getName() ); 
08     } 
09   
10     @After(“execution(* *.*(..))”)    //注解3 
11     publicvoid LogAfter(JoinPoint joinPoint) throw Throwable{ 
12         log4j.info(“結束:方法”+ joinPoint.getSignature().getName() ); 
13     }
14 }

     注解1表示這個類是一個切面，注解2中" * *.*(..)* "是一個通配符，表示在容器中所有類里有參數的方法。@Before(“execution(* *.*(..))”)表示在所有類里有參數的方法前調用切面中德 LogBefore() 方法。同理，注解3中@After(“execution(* *.*(..))”)表示在所有類里有參數的方法執(zhí)行完后調用切面中的LogAfter()方法。
    實現(xiàn)完切面類后，還需要對Spring工程中的application.xml進行配置以便實現(xiàn)完整的動態(tài)代理： 

01 <?xmlversion="1.0"encoding="UTF-8"?> 
02 <beans   xmlns="http://www./schema/beans"
03     xmlns:xsi="http://www./2001/XMLSchema-instance"
04     xmlns:p="http://www./schema/p"
05     xmlns:aop="http://www./schema/aop"    
06     xsi:schemaLocation="http://www./schema/beans 
07         http://www./schema/beans/spring-beans-3.0.xsd 
08         http://www./schema/aop 
09         http://www./schema/aop/spring-aop-3.0.xsd" > 
10   
11     <aop:aspectj-autoproxy/> 
12     <beanid="smsReportGenerator"class="bank.SMSReportGenerator"/> 
13     <beanid="reportService"class="bank.ReportService"> 
14         <propertyname="reportGenerator"ref="smsReportGenerator"/> 
15     </bean> 
16     <beanclass="bank.LogAspect"/>
17 </beans>

    這比之前IoC依賴關系配置的XML文件多了：xmlns:aop=http://www./schema/aop；http://www./schema/aop；http://www./schema/aop/spring-aop-3.0.xsd
這3個主要是聲明XML中用于AOP的一些標簽， <bean class="bank.LogAspect" /> 是在容器中聲明LogAspect切面，<aop:aspectj-autoproxy />用于自動關聯(lián)很切關注點（LogAspect）與核心關注點（SMSReportGenerator，ReportService）。不難發(fā)現(xiàn)Spring AOP的方法實現(xiàn)橫切關注點得模塊化要比用Java Reflection API簡單很多。

6、Spring總結

 

         銀行月賬單報表例子通過使用Spring框架后變成了如下結構：

    在Spring框架的基礎上原來存在耦合的程序被分成松耦合的三個模塊。無論那個模塊修改，對其他模塊不需要額外改動。這就完成了一種良好的架構，使軟件易理解，模塊分工明確，為軟件的擴展、驗證、維護、分工提供了良好基礎。這就是Spring框架作用。當然Spring除了容器、控制反轉、面向切面之外還有許多其他功能，但都是在這三個核心基礎上實現(xiàn)的。

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