控制反转

正如大家熟知的那样，我们的电脑是由各种部件组成的。比如中央处理器，内存，硬盘，网卡，电源，等等。这些部件一起运转，彼此合作，由是电脑跑起来了，我们可以用她写代码，玩游戏，上网，工作，听歌，画画，等等。

软件开发也是一样的。我们需要定义各种各样的类，每个类都有自己的功能，作用，职责。之后，我们使用这些定义好的类创建各种对象。这些对象相互合作，彼此依赖，由是软件跑起来了，能够按照我们期望的那样工作。

由此可见，一款软件是由各种对象组成的。对象之间一定是相互合作，彼此依赖的。这种依赖就是我们通常所说的耦合。试想，当我们的软件非常庞大，由成千上万个对象组成时，这些对象通过各种关系紧紧耦合在一起，将使软件多么复杂，多么难以维护，多么容易引进错误。那么，有没有什么办法能够解耦，以求降低对象之间的耦合，进而降低软件开发的复杂度和成本呢？

一般而言，面向接口编程可在一定程序上降低对象之间的耦合。可这远远不够。为了简化软件开发，Spring引入两大核心组件，控制反转 (Inversion of Control，IoC)和面向切向编程(Aspect-Oriented Programming，AOP)。通过组合运用Spring的控制反转和面向切面编程，外加Java的面向接口编程，对象之间的耦合是可以大大降低的。对象之间的耦合降低了，软件开发的复杂度和成本也就随之降低了。

当然，要想彻底消除对象之间的耦合是不可能的。毕竟一旦各个对象彼此独立，没有关系了，也就意味着软件不复存在了。试问一旦中央处理器存取不了内存的数据，电脑还跑得动吗？

现在，让我们静下心来，好好看看控制反转是什么。至于面向切向编程，我们将在往后的章节进行介绍。

通过先前Hello World的例子，我们知道有两种方式能够创建对象。一种方式是传统的，我们自己创建对象；一种方式是Spring的，我们只需提供配置文件，告诉Spring应用上下文我们需要创建哪些对象，再由Spring应用上下文根据配置文件提供的信息创建相应的对象即可。

可能大家已经察觉，这种Spring的方式把创建对象的控制权让了出来，转而交给Spring应用上下文。也就是说，创建对象的方式反转了，由我们自己创建转向由Spring应用上下文创建了。于是，一个全新的概念出来了，那就是控制反转。又由于对象之间的依赖是由Spring应用上下文注入的。因此，控制反转也叫依赖注入(Dependency Injection，DI)。

概念既已清楚，就让我们通过实现一个小项目，一边写代码，一边学习控制反转的基础知识。这个小项目是一个简单的音乐播放器，能够播放，暂停和停止音乐。为此，请打开IntelliJ IDEA，新建Maven项目music-player，并向pom文件添加项目所需的依赖：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="
         http://maven.apache.org/POM/4.0.0
         http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">

    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <groupId>com.learning</groupId>
    <artifactId>music-player</artifactId>
    <version>1.0-SNAPSHOT</version>

    <properties>
        <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
        <maven.compiler.source>11</maven.compiler.source>
        <maven.compiler.target>11</maven.compiler.target>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework</groupId>
            <artifactId>spring-core</artifactId>
            <version>5.2.2.RELEASE</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework</groupId>
            <artifactId>spring-beans</artifactId>
            <version>5.2.2.RELEASE</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework</groupId>
            <artifactId>spring-context</artifactId>
            <version>5.2.2.RELEASE</version>
        </dependency>
    </dependencies>
</project>

项目已经搭好了，应该怎么实现呢？

俗话说：“巧妇难为无米之炊。”音乐播放器就是用来播放音乐的。因此，我们需要音乐。音乐多种多样，可以是古典音乐，乡村音乐，摇滚音乐；也可以是萨克斯，琵琶，二胡。因此，我们最好定义一个音乐接口，让各种类型的音乐实现她。如下所示：

package com.learning;

public interface Music {
    String name();
}

这个接口非常简单，只有一个name方法，用于获取音乐名。现在，让我们基于这个接口，实现一个古典音乐类：

package com.learning;

public class ClassicMusic implements Music {
    @Override
    public String name() {
        return "古典音乐";
    }
}

音乐有了，音乐播放器呢？请看以下定义：

package com.learning;

public class Player {
    private String name;
    private Music music;

    public Player() {
    }

    public void play() {
        System.out.println("音乐播放器" + this.name + "正在播放" + music.name());
   }

    public void stop() {
        System.out.println("音乐播放器" + this.name + "停止播放" + music.name());
    }

    public void pause() {
        System.out.println("音乐播放器" + this.name + "暂停播放" + music.name());
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Music getMusic() {
        return music;
    }

    public void setMusic(Music music) {
        this.music = music;
    }
}

现在，构建项目所需的类全部定义好了。我们有了音乐，也有了音乐播放器。那么，如何把她们装配(Wiring)起来，让音乐播放器播放音乐呢？

这时，我们需要一个配置文件配置一些信息，告诉Spring应用上下文需要创建什么对象，对象之间有什么关系，如何把她们装配起来，等等。为此，请于resources目录添加app-config.xml配置文件如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">

  <!--在这里填写配置信息-->

</beans>

正如大家所见，这是一个XML文件。里面有个<beans>根元素。<beans>根元素列出一些XML模式文件(.xsd)，定义了配置文件可以怎么配置。比如配置文件拥有哪些元素，这些元素拥有哪些属性，元素和属性各有什么作用，等等。上面的配置文件列出的http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd模式文件定义了Bean可以怎么配置。

看到这里，也许大家多少有些困惑，Bean是什么东西呀？其实，Bean就是对象。这些对象由Spring应用上下文创建，装配和管理，并且彼此合作，相互依赖，共同构成我们的应用程序。

那么，Bean应该怎么配置呢？是的，通过<bean>元素。现在，让我们使用<bean>元素配置音乐类和音乐播放器类，告诉Spring应用上下文如何创建她们的实例。如下代码所示：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">
    <bean id="player" class="com.learning.Player"/>
    <bean id="classicMusic" class="com.learning.ClassicMusic"/>
</beans>

可以看到，<bean>元素拥有id和class两个重要属性。id用于唯一标识一个Bean。这样，Spring应用上下文就能通过id找到并使用Bean了。class用于表明Bean的类型，其值为类的全名。这里，我们定义了两个Bean，一个Bean是Player类型的，一个Bean是ClassicMusic类型的。Spring应用上下文读取配置文件之后，能够通过反射技术调用类的默认构造函数创建相应的Bean。注意，默认情况下，Spring应用上下文创建的Bean是单例的，也就是一个Spring应用上下文有且只有一个实例。当然，我们也可以修改配置文件，告诉Spring应用上下文创建非单例的Bean。这个话题将在往后的章节进行讨论。现在，我们只需知道默认情况下，Spring应用上下文创建的Bean是单例的就可以了。 

可能大家已经察觉，这里虽然定义了两个Bean，可是她们并没有被初始化。也就是说，音乐播放器既没名称，也不知道应该播放什么音乐。一切空空如也。那么，应该如何把名称，音乐这些依赖注入音乐播放器之中，以此完成Bean的装配和初始化，让音乐播放器能够播放音乐呢？是的，可以通过属性注入，把音乐播放器需要的名称和音乐注入进去，完成Bean的装配和初始化。这样，音乐播放器就能播放音乐了。如下代码所示：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">
    <bean id="player" class="com.learning.Player">
        <property name="name" value="天籁"/>
        <property name="music" ref="classicMusic"/>
    </bean>
    <bean id="classicMusic" class="com.learning.ClassicMusic"/>
</beans>

可以看到，属性注入是通过<property>元素配置的。<property>元素拥有name，value和ref三个重要属性。name属性是Bean的属性名。value和ref属性是Bean的属性值。其中，value是值类型的，ref是引用类型的。这些配置信息用于告诉Spring应用上下文，创建player这个Bean之后，把name的值初始化为“天籁”这个字符串，把music的值初始化为classicMusic这个Bean。于是，Bean的装配和初始化完成了，音乐播放器可以播放音乐了。同时，这也意味着配置文件写好了，可以把她交给Spring应用上下文了。为此，请新建Main类，实现main方法如下：

package com.learning;

import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try (var context = new ClassPathXmlApplicationContext("app-config.xml")) {
            var player = context.getBean("player", Player.class);
            player.play();
            player.pause();
            player.stop();
        }
    }
}

运行程序，输出如下：

可以看到，上面的代码把配置文件app-config.xml交给ClassPathXmlApplicationContext。ClassPathXmlApplicationContext是Spring应用上下文的其中一种实现。她能够基于类路径查找一个或多个XML配置文件，找到之后加载XML配置文件完成Bean的创建，装配和初始化。这样，我们需要的Bean就存在于Spring应用上下文之中，由Spring应用上下文管理着了。

现在，假如我们的项目除了app-config.xml，还需另外一个XML配置文件another-config.xml，且该文件位于music-player/src/main/resources/com/learning；这时，我们应该怎样创建ClassPathXmlApplicationContext的实例呢？请看以下示例：

package com.learning;

import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try (var applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext("app-config.xml", "com/learning/another-config.xml")) {
            var player = applicationContext.getBean("player", Player.class);
            player.play();
            player.pause();
            player.stop();
        }
    }
}

正如大家所见，ClassPathXmlApplicationContext现在能够加载app-config.xml和another-config.xml两个配置文件了。当然，如果项目需要更多的配置文件，我们只需依照这种方式把她们传给Spring应用上下文就可以了。只是，这里的配置文件使用的是具体的文件名。那么，通配符呢？是不是也支持？当然支持。以下是可以使用的三种通配符：

1. 通配符?用于匹配一个字符。比如，指定路径为com/learning/anothe?-config.xml，则com/learning/another-config.xml，com/learning/anothes-config.xml，com/learning/anothet-config.xml，诸如这样的文件都能找到。

2. 通配符*用于匹配一个或多个字符。比如，指定路径为com/learning/*.xml，则位于com/learning目录的所有.xml文件都能找到。

3. 通配符**用于匹配一个或多个目录。比如，指定路径com/**/another-config.xml，则位于com目录的所有another-config.xml文件都能找到。

看到这里，也许大家会想，假如我们指定了多个配置文件，不同配置文件又存在相同的Bean定义，这样不会冲突吗？确实不会。这种情况出现的时候，定义在后面的Bean会覆盖定义在前面的。

另外，除了ClassPathXmlApplicationContext，FileSystemXmlApplicationContext也是一种常用的Spring应用上下文实现。这种实现能够基于文件系统查找一个或多个XML配置文件，再从找到的配置文件里加载Spring应用上下文。如下代码所示：

package com.learning;

import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try(var context = new FileSystemXmlApplicationContext("target/classes/app-config.xml")) {
            var player = context.getBean("player", Player.class);
            player.play();
            player.pause();
            player.stop();
        }
    }
}

可以看到，我们提供给FileSystemXmlApplicationContext的是一个相对于工作目录的路径。假如我们想用绝对路径，则需在指定的路径加上“file:”前缀。如下所示：

package com.learning;

import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try(var context = new FileSystemXmlApplicationContext("file:D:/music-player/target/classes/app-config.xml")) {
            var player = context.getBean("player", Player.class);
            player.play();
            player.pause();
            player.stop();
        }
    }
}

至此，关于Spring应用上下文的介绍就完了。现在，让我们回到music-player这个项目，看看她是怎样获取Spring应用上下文里的Bean的。

可以看到，我们使用Spring应用上下文的getBean方法获取Bean。getBean方法有两个参数。第一个参数是Bean的id，第二个参数是Bean的类型。这里，我们调用getBean方法，从Spring应用上下文里获取id为player，类型为Player的Bean。之后调用Bean的play，pause和stop方法，播放，暂停和停止音乐。于是，一个简单的音乐播放器完成了。

通过这个小项目，我们可以看到，ClassicMusic，Player这些类的定义既没继承任何Spring相关的类，也没实现任何Spring相关的接口。她们非常简单，就是一些简单老式Java对象(Plain Old Java Object，POJO)，和Spring没有任何关系。我们只是提供一个配置文件给Spring，Spring就让一切发生了。整个过程是那样的简单，简洁，没有任何侵入。我们的代码没有因为Spring的引入而混乱，我们的项目没有因为Spring的引入而沉冗，一切是那样的轻量。这也是Spring简化企业级应用软件开发的其中一个方面，更是Spring充满魅力的其中一个原因。

看到这里，可能大家会问，除了上面那种属性注入的方式之外，有没有其她方式也能装配和初始化Bean呢？当然有的，那就是构造函数注入和工厂方法注入。工厂方法注入又分为静态工厂方法注入和实例工厂方法注入。

构造函数注入

很多时候，我们希望一步到位，通过构造函数完成Bean的创建，装配和初始化。这时，构造函数注入就派上用场了。按照构造函数注入的方式，Spring应用上下文采用反射技术创建Bean的时候，会调用相应的带有参数的构造函数，把Bean所需的依赖注入进去，完成Bean的创建，装配和初始化。为此，我们需要修改Player类，添加以下构造函数：

public Player(String name, Music music) {
    this.name = name;
    this.music = music;
}

相应的，也得修改app-config.xml配置文件如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">
    <bean id="player" class="com.learning.Player">
        <constructor-arg type="java.lang.String" value="天籁"/>
        <constructor-arg type="com.learning.Music" ref="classicMusic"/>
    </bean>
    <bean id="classicMusic" class="com.learning.ClassicMusic"/>
</beans>

可以看到，构造函数注入是通过<constructor-arg>元素配置的。<constructor-arg>元素拥有type，value和ref三个重要属性。type属性是构造函数的参数类型，其值为类的全名。value和ref属性是构造函数的参数值。其中，value是值类型的，ref是引用类型的。这些配置信息用于告诉Spring应用上下文，创建player这个Bean的时候，为类型为String的参数注入“天籁”这个字符串，为类型为Music的参数注入classicMusic这个Bean。Spring应用上下文读取这些信息之后，就能调用相应的构造函数，完成Bean的创建，装配和初始化。

现在，运行一下程序。可以看到，结果和先前的是一样的。

注意，运行程序的时候，如果我们把<constructor-arg>元素的type属性去掉，程序照样也能跑起来。为什么呢？因为Spring默认根据参数的类型匹配参数，也就是什么类型的值赋给什么类型的参数。所以有type属性和没type属性其实是一样的。这时大家也许会问，如果构造函数有些参数的类型是一样的话，匹配难道不会出错吗？确实会的。那该怎么办？

这时，我们可以使用<constructor-arg>元素的index属性。index属性表示构造函数的参数索引，也就是第几个参数。其中，第一个参数的值是0，第二个参数的值是1，第三个参数的值是2，以此类推。这样就能解决匹配出错的问题了。

此外，我们也可以使用<constructor-arg>元素的name属性。name属性表示构造函数的参数名。构造函数每个参数的参数名都是不一样的，因此不会存在匹配出错的问题。只是，如果使用name属性的话，就需在编译代码的时候将调试标志保存在类代码中。如此，当我们优化构建过程，将调试标志移除的时候，这种方式就无法正常工作了。因此，大家了解一下就行，不建议使用。

静态工厂方法注入

总有那么一些时候，我们的类存在一些静态方法，这些静态方法能够创建对象并返回。由于这些方法是静态的，专门用来创建对象。因此，这些方法称为静态工厂方法。那么，Spring应该怎样调用静态工厂方法创建Bean呢？这就需要用到静态工厂方法注入了。通过静态工厂方法注入，Spring应用上下文采用反射技术创建Bean的时候，会调用类的静态工厂方法，把Bean所需的依赖通过方法参数注入进去，完成Bean的创建，装配和初始化。为此，我们需要修改Player类，添加以下静态工厂方法：

public static Player factory(String name, Music music) {
    return new Player(name, music);
}

相应的，也得修改app-config.xml配置文件如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">
    <bean id="player" class="com.learning.Player" factory-method="factory">
        <constructor-arg type="java.lang.String" value="天籁"/>
        <constructor-arg type="com.learning.Music" ref="classicMusic"/>
    </bean>
    <bean id="classicMusic" class="com.learning.ClassicMusic"/>
</beans>

可以看到，静态工厂方法注入和构造函数注入的差别不大。唯一的区别就是<bean>元素改变了，多了一个factory-method属性用来指定类的静态工厂方法名。

现在，运行一下程序，你会发现结果和先前的是一样的。

实例工厂方法注入

有些时候，我们的类存在一些实例方法，这些实例方法能够创建对象并返回。由于这些方法是实例方法，并且可以用来创建对象。因此，这些方法称为实例工厂方法。那么，Spring应该怎样调用实例工厂方法创建Bean呢？这就需要用到实例工厂方法注入了。通过实例工厂方法注入，Spring应用上下文采用反射技术创建Bean的时候，会调用对象的工厂方法，把Bean所需的依赖通过方法参数注入进去，完成Bean的创建，装配和初始化。为此，我们需要修改Player类，添加以下实例工厂方法：

public Player produce(String name, Music music) {
     return new Player(name, music);
}

相应的，也得修改app-config.xml配置文件如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">
    <bean id="player-1" class="com.learning.Player">
    </bean>
    <bean id="player-2" factory-bean="player" factory-method="produce">
        <constructor-arg value="天籁" />
        <constructor-arg ref="classicMusic"/>
    </bean>
    <bean id="classicMusic" class="com.learning.ClassicMusic"/>
</beans>

可以看到，实例工厂方法从一个已经存在的Bean里调用工厂方法，完成Bean的创建，装配和初始化。因此，这里配置了两个Bean。第一个Bean只是一个简单的Bean，第二个Bean通过factory-bean属性指向第一个Bean。这样，Spring应用上下文就知道应该调用第一个Bean的某个工厂方法完成Bean的创建，装配和初始化。因此，第二个Bean还多了个factory-method属性用来指定一个来自第一个Bean的工厂方法名。至于其它的，就和构造函数注入的方式基本一样，这里不再赘述。

现在，运行一下程序，你会发现结果和先前的是一样的。

总结

通过本章的学习，我们知道Spring的核心组件控制反制改变了对象的创建方式，由过去的自己创建转为提供配置文件给Spring应用上下文，让Spring应用上下文根据配置文件提供的信息创建，以此降低对象之间的耦合，降低软件开发的复杂度和成本。

此外，我们还学习了两种常用的Spring应用上下文实现，ClassPathXmlApplicationContext和FileSystemXmlApplicationContext。其中，ClassPathXmlApplicationContext能够基于类路径，FileSystemXmlApplicationContext能够基于文件系统查找一个或多个XML配置文件，找到之后加载XML配置文件完成Bean的创建，装配和初始化。这样，我们需要的Bean就存在于Spring应用上下文之中，由Spring应用上下文管理着了。之后，我们可以调用Spring应用上下文的getBean方法获取和使用Bean。

最后，我们还学习了配置文件，知道<bean>元素可以用来配置Bean。也知道可以采用属性注入，构造函数注入，静态工厂方法注入，实例工厂方法注入这四种方式装配和初始化Bean。

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