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依赖注入和注解,为什么 Java 比你想象的要好

我坦白\: 我喜欢 Java。

我真的喜欢!

也许这并不会让你感到吃惊,因为我毕竟确实参与编著过一本满是 Java 代码的书。但是事实上,当我开始编写 Android 应用的时候我并不是一个喜欢 Java 的人,而当我开始编写书虫编程指南的时候,我也很难称得上是粉丝,甚至当我们完成编写的时候,我也始终不能算是一名超级粉丝。这个事实其实让我自己都很吃惊!

我原本并非想抱怨什么,也并非要深刻反思一番。但是下面列出的这些内容却是一直困扰我的问题:

  • Java 很冗长。没有任何简短的类似 Blocks 或者 Lambda 表达式的语法来执行回调(当然,Java8已经开始支持这一特性),所以你必须编写非常多的模板代码来实现,有时甚至只是一个简单的接口。如果你需要一个对象来保存四个属性,你必须创建一个拥有四个命名字段的类。

  • Java 很死板。要编写清楚的Java程序, 你通常要正确的指定需要捕获的异常类型,以及要接受的参数类型,还有仔细检查并确保你的引用非空,甚至还要导入你所使用的每一个类。另外在运行时虽然有一定的灵活性,但是和 Objective-C 的 runtime 没有任何相似的地方,更不用说和 Ruby 或者 Python 相比了。

这是我眼中的Java,它的代码就像这样:

public class NumberStack {
    List<Integer> mNumbers = new ArrayList<Integer>();

    public void pushNumber(int number) {
        mNumbers.add(number);
    }

    public Integer popNumber() {
        if (mNumber.size() == 0) {
            return null;
        } else {
            return mNumber.remove(mNumber.size() - 1);
        }
    }
}

我学习过并且会在工作中混合使用一些内部类和接口。虽然编写Java程序这并不是世界上最糟糕的事情,但是我还是希望Java能够拥有其他语言的特点和灵活性。类似 “天啊,我多么希望这能更像 Java” 的感叹从没有出现过。

但是,我的想法改变了。

Java 独有的特性

说来也奇怪,改变我想法的恰恰是 Java 独有的特性。请思考下面的代码:

public class Payroll {
    ...

    public long getWithholding(long payInDollars) {
        ...
        return withholding;
   }

    public long getAfterTaxPay(Employee employee) {
        long basePay = EmployeeDatabase.getInstance()
           .getBasePay(employee);
        long withholding = getWithholding(basePay);

        return basePay - withholding;
    }
}

这个类在 getAfterTaxPay() 方法中需要依赖一个 EmployeeDatabase 对象。有很多种方式可以创建该对象,但在这个例子中, 我使用了单例模式,调用一个静态的 getInstance 方法。

Java 中的依赖关系是非常严格的。所以任何时间我都像这样编写代码:

        long basePay = EmployeeDatabase.getInstance()
           .getBasePay(employee);

在 EmployeeDatabase 类中我创建了一个严格依赖。不仅如此,我是利用EmployeeDatabase类的特定方法 getInstance() 创建的严格依赖。而在其他语言里,我也许可以使用 swizzle 或者 monkey patch 的方式来处理这样的事情.当然并不是说这样的方法有什么好处,但它至少存在实现的可能。但是在 Java 里是不可能的。

而创建依赖的其他方式比这更加严格。就让我们来看看下面这行:

        long basePay = new EmployeeDatabase()
           .getBasePay(employee);

当使用关键字 new 时,我会采用与调用静态方法相同的方式,但有一点不同:调用 new EmployeeDatabase() 方法一定会返回给我们一个 EmployeeDatabase 类的实例。无论你如何努力,你都没有办法重写这个构造函数来让它返回一个 mock 的子类对象。

依赖注入

我们解决此类问题通常采用依赖注入技术。它并非 Java 独有的特性,但对于上述提到的问题,Java 尤其需要这个特性。

依赖注入简单的说,就是接受合作对象作为构造方法的参数而不是直接获取它们自身。所以 Payroll 类的实现会相应地变成这样:

public class Payroll {
    ...

    EmployeeDatabase mEmployeeDatabase;

    public Payroll(EmployeeDatabase employeeDatabase) {
        mEmployeeDatabase = employeeDatabase;
    }

    public long getWithholding(long payInDollars) {
        ...
        return withholding;
   }

    public long getAfterTaxPay(Employee employee) {
        long basePay = mEmployeeDatabase.getBasePay(employee);
        long withholding = getWithholding(basePay);

        return basePay - withholding;
    }
}

EmployeeDatabase 是一个单例?一个模拟出来的子类?还是一个上下文相关的实现? Payroll 类不再需要知道这些。

用声明依赖进行编程

上述这些仅仅介绍了我真正要讲的内容——依赖注入器。

(旁白:我知道在真正开始讨论前将这两个问题讲的比较深入是很奇怪的,但是我希望你们能够容忍我这么做。正确的理解 Java 比起其他语言要花费更多地时间。困难的事物往往都是这样。)

现在我们通过构造函数传递依赖,会导致我们的对象更加难以使用,同时也很难作出更改。在我使用依赖注入之前,我会像这样使用 Payroll 类:

    new Payroll().getAfterTaxPay(employee);

但是,现在我必须这样写:

    new Payroll(EmployeeDatabase.getInstance())
        .getAfterTaxPay(employee);

还有,任何时候如何我改变了 Payroll 的依赖, 我都不得不修改使用了 new Payroll 的每一个地方。

而依赖注入器允许我不再编写用来明确提供依赖的代码。相反,我可以直接声明我的依赖对象,让工具来自动处理相应操作。有很多依赖注入的工具,下面我将用 RoboGuice 来举个例子。

为了这样做,我使用“注解“这一 Java 工具来描述代码。我们通过为构造函数添加简单的注解声明:

    @Inject
    public Payroll(EmployeeDatabase employeeDatabase) {
        mEmployeeDatabase = employeeDatabase;
    }

注解 @Inject 的含义是“创建一个 Payroll 类的实例,执行它的构造方法,传递所有的参数值。”而之后当我真的需要一个 Payroll 实例的时候,我会利用依赖注入器来帮我创建,就像这样:

    Payroll payroll = RoboGuice.getInjector(getContext())
        .getInstance(Payroll.class);

    long afterTaxPay = payroll.getAfterTaxPay(employee);

一旦我采用这种方式创建实例,就能使用注入器来设置足够令人满意的依赖。是否需要 EmployeeDatabase 是一个单例?是否需要一个可自定义的子类?所有这些都可以在同一个地方指定。

声明式 Java 的广阔世界

这是一种很容易使用的描述工具,但是很难比较在 Java 中是否使用依赖注入的根本差距。如果没有依赖注入器,重构和测试驱动开发会是一项艰苦的劳动。而使用它,这些工作则会毫不费力。对于一名 Java 开发者来说,唯一比依赖注入器更重要的就是一个优秀的 IDE 了。

不过,这只是广泛可能性中的第一点。 对于 Google 之外的 Android 开发者来说,最令人兴奋的就是基于注解的 API 了。

举个例子,我们可以使用 ButtreKnife。通常情况下,我们会花费大量的时间为 Android 的视图对象编写监听器,就像这样:

public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    setContentView(R.layout.activity_content);

    View okButton = findViewById(R.id.ok_button);
    okButton.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
        public void onClick(View v) {
            onOkButtonClicked();
        }
    });
}

public void onOkButtonClicked() {
    // 处理按钮点击
}

ButterKnife 允许我们只提供很少的代码来描述“在 ID 为 R.id.ok_button 的视图控件被点击时调用 onOkButtonClicked 方法”这件事情,就像这样:

public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    setContentView(R.layout.activity_content);

    ButterKnife.inject(this);
}

@OnClick(R.id.ok_button);
public void onOkButtonClicked() {
    // 处理按钮点击
}

我能继续写很多这样的例子。有很多库可以通过注解来实现序列化与反序列化 Json,在 savedInstanceState 方法内部存储字段,或者是生成 REST 网络服务的接口代码等操作。

编译时和运行时注解处理对比

尽管有些使用注解的工具会产生相似的效果,不过 Java 允许使用不同的方式实现。下面我用 RoboGuice 和 Dagger 来举个例子。它们都是依赖注入器,也同样都使用 @Inject 注解。但是 RoboGuice 会在运行时读取你的代码注解,而 Dragger 则是在编译时生成对应的代码。

这样会有一些重要的好处。它能在更早的时间发现注解中的语义错误。Dagger 能够在编译时提醒你可能存在的循环依赖,但是 RoboGuice 不能。

而且这对提高性能也很有帮助。使用预先生成的代码可以减少启动时间,并在运行时避免读取注解。因为读取注解需要使用 Java 反射相关的 API,这在 Android 设备上是很耗时的。

运行时进行注解处理的例子

我会通过展示一个如何定义和处理运行时注解的简单例子,来结束今天的内容。 假设你是一个很没有耐心地人,并且厌倦了在你的 Android 程序中打出一个完整的静态限定常量,比如:

public class CrimeActivity {
    public static final String ACTION_VIEW_CRIME = 
        “com.bignerdranch.android.criminalintent.CrimeActivity.ACTION_VIEW_CRIME”;
}

你可以使用一个运行时注解来帮你做这些事情。首先,你要创建一个注解类:

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target( { ElementType.FIELD })
public @interface ServiceConstant { }

这段代码声明了一个名为 ServiceConstant 的注解。 而代码本身被 @Retention、@Target 注解。@Retention 表示注解将会停留的时间。在这里我们将它设置为运行时触发。如果我们想仅仅在编译时处理注解,可以将其设置为 RetentionPolicy.SOURCE。

另一个注解 @Target,表示你放置注解的位置。当然有很多的数据类型可以选择。因为我们的注解仅需要对字段有效,所以只需要提供 ElementType.FIELD 的声明。

一旦定义了注解,我们接着就要写些代码来寻找并自动填充带注解的字段:

public static void populateConstants(Class<?> klass) {
    String packageName = klass.getPackage().getName();
    for (Field field : klass.getDeclaredFields()) {
        if (Modifier.isStatic(field.getModifiers()) && 
                field.isAnnotationPresent(ServiceConstant.class)) {
            String value = packageName + "." + field.getName();
            try {
                field.set(null, value);
                Log.i(TAG, "Setup service constant: " + value + "");
            } catch (IllegalAccessException iae) {
                Log.e(TAG, "Unable to setup constant for field " + 
                        field.getName() +
                        " in class " + klass.getName());
            }
        }
    }
}

最后,我们为代码增加注解,然后调用我们充满魔力的方法:

public class CrimeActivity {
    @ServiceConstant
    public static final String ACTION_VIEW_CRIME;

    static {
        ServiceUtils.populateConstants(CrimeActivity.class);
}

总结

这些就是我了解的全部内容。有太多与 Java 注解相关的部分。我不能保证所有这些能够立刻让你对 Java 的感受变得和我一样,但是我希望你能确实看到很多有趣的东西。虽然通常 Java 在表达性上还欠缺一些,但是在 Java 的工具包中有一些基本的构建模块,能够让高级开发人员可以构建更强大的工具,从而扩大整个社区的生产力。

如果你对此很感兴趣,并且打算深入了解这些,你会发现通过注解驱动代码生成的过程非常有趣。有时候并不一定要真的阅读或者写出漂亮的代码,但是人们可以利用这些工具创造出漂亮的代码。假如你对于实际场景如何应用依赖注入的原理很感兴趣的话,ButterKnife 的源码还是相当简单的。


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