2009-09-10 17:16 by 周永恒
Windows Presentation Foundation (WPF) 提供了一组服务，这些服务可用于扩展公共语言运行时 (CLR) 属性的功能，这些服务通常统称为 WPF 属性系统。由 WPF 属性系统支持的属性称为依赖项属性。
这段是MSDN上对依赖属性（DependencyProperty）的描述。主要介绍了两个方面，WPF中提供了可用于扩展CLR属性的服务；被这个服务支持的属性称为依赖属性。
单看描述，云里雾里的，了解一个知识，首先要知道它产生的背景和为什么要有它，那么WPF引入依赖属性是为了解决什么问题呢？
从属性说起
属性是我们很熟悉的，封装类的字段，表示类的状态，编译后被转化为get_，set_方法，可以被类或结构等使用。 一个常见的属性如下:
1: public class NormalObject
2: {
3: private string _unUsedField;
4:
5: private string _name;
6: public string Name
7: {
8: get
9: {
10: return _name;
11: }
12: set
13: {
14: _name = value;
15: }
16: }
17: }
在面向对象的世界里，属性大量存在，比如Button，就大约定义了70-80个属性来描述其状态。那么属性的不足又在哪里呢？
当然，所谓的不足，要针对具体环境来说。拿Button来讲，它的继承树是Button->ButtonBase->ContentControl->Control->FrameworkElement->UIElement->Visual->DependencyObject->…
每次继承，父类的私有字段都被继承下来。当然，这个继承是有意义的，不过以Button来说，大多数属性并没有被修改，仍然保持着父类定义时的默认值。通常情况，在整个Button对象的生命周期里，也只有少部分属性被修改，大多数属性一直保持着初始值。每个字段，都需要占用4K等不等的内存，这里，就出现了期望可以优化的地方：
- 因继承而带来的对象膨胀。每次继承，父类的字段都被继承，这样，继承树的低端对象不可避免的膨胀。
- 大多数字段并没有被修改，一直保持着构造时的默认值，可否把这些字段从对象中剥离开来，减少对象的体积。
依赖属性的原型
根据前面提出的需求，依赖属性就应运而生了。一个简单的依赖属性的原型如下：
DependencyProperty:
1: public class DependencyProperty
2: {
3: internal static Dictionary<object, DependencyProperty> RegisteredDps = new Dictionary<object, DependencyProperty>();
4: internal string Name;
5: internal object Value;
6: internal object HashCode;
7:
8: private DependencyProperty(string name, Type propertyName, Type ownerType, object defaultValue)
9: {
10: this.Name = name;
11: this.Value = defaultValue;
12: this.HashCode = name.GetHashCode() ^ ownerType.GetHashCode();
13: }
14:
15: public static DependencyProperty Register(string name, Type propertyType, Type ownerType, object defaultValue)
16: {
17: DependencyProperty dp = new DependencyProperty(name, propertyType, ownerType, defaultValue);
18: RegisteredDps.Add(dp.HashCode, dp);
19: return dp;
20: }
21: }
22:
这里，首先定义了依赖属性DependencyProperty，它里面存储前面我们提到希望抽出来的字段。DP内部维护了一个全局的Map用来储存所有的DP，对外暴露了一个Register方法用来注册新的DP。当然，为了保证在Map中键值唯一，注册时需要根据传入的名字和注册类的的HashCode取异或来生成Key。这里最关键的就是最后一个参数，设置了这个DP的默认值。
DependencyObject:
1: public class DependencyObject
2: {
3: private string _unUsedField;
4:
5: public static readonly DependencyProperty NameProperty =
6: DependencyProperty.Register("Name", typeof(string), typeof(DependencyObject), string.Empty);
7:
8: public object GetValue(DependencyProperty dp)
9: {
10: return DependencyProperty.RegisteredDps[dp.HashCode].Value;
11: }
12:
13: public void SetValue(DependencyProperty dp, object value)
14: {
15: DependencyProperty.RegisteredDps[dp.HashCode].Value = value;
16: }
17:
18: public string Name
19: {
20: get
21: {
22: return (string)GetValue(NameProperty);
23: }
24: set
25: {
26: SetValue(NameProperty, value);
27: }
28: }
29: }
30:
然后定义了DependencyObject来使用DP。首先使用DependencyProperty.Register方法注册了一个新的DP（NameProperty)，然后提供了GetValue和SetValue两个方法来操作DP。最后，类似前面例子中的NormalObject，同样定义了一个属性Name，和NormalObject的区别是，实际的值不是用字段来保存在DependencyObject中的，而是保存在NameProperty这个DP中，通过GetValue和SetValue来完成属性的赋值取值操作。
当然，作为一个例子，为了简洁，很多情况没有考虑，现在来测试一下是否解决了前面的问题。
新建两个对象，NormalObject和DependencyObject，在VS下打开SOS查看：
.load sosextension C:\WINDOWS\Microsoft.NET\Framework\v2.0.50727\sos.dll loaded!DumpHeap -stat -type NormalObjecttotal 1 objectsStatistics:MT Count TotalSize Class Name009e30d0 1 16 DPDemonstration.NormalObjectTotal 1 objects!DumpHeap -stat -type DependencyObjecttotal 1 objectsStatistics:MT Count TotalSize Class Name009e31a0 1 12 DPDemonstration.DependencyObjectTotal 1 objects
这里在对象中分别建立了一个_unUsedField的字段，.Net的GC要求对象的最小Size为12字节。如果对象的Size不足12字节，则会自动补齐。默认的Object对象占用8字节，Syncblk(4字节)以及TypeHandle（4字节），为了演示方便，加入了一个_unUsedField（4字节）来补齐。
这里，DependencyObject相比NormalObject，减少了_name的储存空间4字节。
再进一步
万里长征第一步，这个想法可以解决我们希望的问题，这个做法还不能让人接受。在这个实现中，所有DependencyObject共用一个DP，这个可以理解，但修改一个对象的属性后，所有对象的属性相当于都被修改了，这个就太可笑了。
所以对象属性一旦被修改，这个还是要维护在自己当中的，修改一下前面的DependencyObject，引入一个有效（Effective）的概念。
改进的DependencyObject，加入了_effectiveValues:
1: public class DependencyObject
2: {
3: private List<EffectiveValueEntry> _effectiveValues = new List<EffectiveValueEntry>();
4:
5: public static readonly DependencyProperty NameProperty =
6: DependencyProperty.Register("Name", typeof(string), typeof(DependencyObject), string.Empty);
7:
8: public object GetValue(DependencyProperty dp)
9: {
10: EffectiveValueEntry effectiveValue = _effectiveValues.FirstOrDefault((i) => i.PropertyIndex == dp.Index);
11: if (effectiveValue.PropertyIndex != 0)
12: {
13: return effectiveValue.Value;
14: }
15: else
16: {
17: return DependencyProperty.RegisteredDps[dp.HashCode].Value;
18: }
19: }
20:
21: public void SetValue(DependencyProperty dp, object value)
22: {
23: EffectiveValueEntry effectiveValue = _effectiveValues.FirstOrDefault((i) => i.PropertyIndex == dp.Index);
24: if (effectiveValue.PropertyIndex != 0)
25: {
26: effectiveValue.Value = value;
27: }
28: else
29: {
30: effectiveValue = new EffectiveValueEntry() { PropertyIndex = dp.Index, Value = value };
31: _effectiveValues.Add(effectiveValue);
32: }
33: }
34:
35: public string Name
36: {
37: get
38: {
39: return (string)GetValue(NameProperty);
40: }
41: set
42: {
43: SetValue(NameProperty, value);
44: }
45: }
46: }
新引进的EffectiveValueEntry：
1: internal struct EffectiveValueEntry
2: {
3: internal int PropertyIndex { get; set; }
4:
5: internal object Value { get; set; }
6: }
改进的DependencyProperty，加入了PropertyIndex:
1: public class DependencyProperty
2: {
3: private static int globalIndex = 0;
4: internal static Dictionary<object, DependencyProperty> RegisteredDps = new Dictionary<object, DependencyProperty>();
5: internal string Name;
6: internal object Value;
7: internal int Index;
8: internal object HashCode;
9:
10: private DependencyProperty(string name, Type propertyName, Type ownerType, object defaultValue)
11: {
12: this.Name = name;
13: this.Value = defaultValue;
14: this.HashCode = name.GetHashCode() ^ ownerType.GetHashCode();
15: }
16:
17: public static DependencyProperty Register(string name, Type propertyType, Type ownerType, object defaultValue)
18: {
19: DependencyProperty dp = new DependencyProperty(name, propertyType, ownerType, defaultValue);
20: globalIndex++;
21: dp.Index = globalIndex;
22: RegisteredDps.Add(dp.HashCode, dp);
23: return dp;
24: }
25: }
在DependencyObject加入了一个_effectiveValues，就是把所有修改过的DP都保存在EffectiveValueEntry里，这样，就可以达到只保存修改的属性，未修改过的属性仍然读取DP的默认值，优化了属性的储存。
更进一步的发展
到目前为止，从属性到依赖属性的改造一切顺利。但随着实际的使用，又一个问题暴露出来了。使用继承，子类可以重写父类的字段，换句话说，这个默认值应该是可以子类化的。那么怎么处理，子类重新注册一个DP，传入新的默认值？
当然，不会实现的这么丑陋。同一个DP，要想支持不同的默认值，那么内部就要维护一个对应不同DependencyObjectType的一个List，可以根据传入的DependencyObject的类型来读取它对应的默认值。
DP内需要维护一个自描述的List，按照微软的命名规则，添加新的类型属性元数据（PropertyMetadata）：
1: public class PropertyMetadata
2: {
3: public Type type { get; set; }
4: public object Value { get; set; }
5:
6: public PropertyMetadata(object defaultValue)
7: {
8: this.Value = defaultValue;
9: }
10: }
对应修改DependencyProperty
1: public class DependencyProperty
2: {
3: private static int globalIndex = 0;
4: internal static Dictionary<object, DependencyProperty> RegisteredDps = new Dictionary<object, DependencyProperty>();
5: internal string Name;
6: internal object Value;
7: internal int Index;
8: internal object HashCode;
9: private List<PropertyMetadata> _metadataMap = new List<PropertyMetadata>();
10: private PropertyMetadata _defaultMetadata;
11:
12: private DependencyProperty(string name, Type propertyName, Type ownerType, object defaultValue)
13: {
14: this.Name = name;
15: this.Value = defaultValue;
16: this.HashCode = name.GetHashCode() ^ ownerType.GetHashCode();
17:
18: PropertyMetadata metadata = new PropertyMetadata(defaultValue) { Type = ownerType };
19: _metadataMap.Add(metadata);
20: _defaultMetadata = metadata;
21: }
22:
23: public static DependencyProperty Register(string name, Type propertyType, Type ownerType, object defaultValue)
24: {
25: DependencyProperty dp = new DependencyProperty(name, propertyType, ownerType, defaultValue);
26: globalIndex++;
27: dp.Index = globalIndex;
28: RegisteredDps.Add(dp.HashCode, dp);
29: return dp;
30: }
31:
32: public void OverrideMetadata(Type forType, PropertyMetadata metadata)
33: {
34: metadata.Type = forType;
35: _metadataMap.Add(metadata);
36: }
37:
38: public PropertyMetadata GetMetadata(Type type)
39: {
40: PropertyMetadata medatata = _metadataMap.FirstOrDefault((i) => i.Type == type) ??
41: _metadataMap.FirstOrDefault((i) => type.IsSubclassOf(i.Type));
42: if (medatata == null)
43: {
44: medatata = _defaultMetadata;
45: }
46: return medatata;
47: }
48: }
修改DenpendencyObject中的GetValue并更改_effectiveValues，为了简洁去掉了NameProperty以及SetValue.
1: public class DependencyObject
2: {
3: private List<EffectiveValueEntry> _effectiveValues = new List<EffectiveValueEntry>();
4:
5: public object GetValue(DependencyProperty dp)
6: {
7: EffectiveValueEntry effectiveValue = _effectiveValues.FirstOrDefault((i) => i.PropertyIndex == dp.Index);
8: if (effectiveValue.PropertyIndex != 0)
9: {
10: return effectiveValue.Value;
11: }
12: else
13: {
14: PropertyMetadata metadata;
15: metadata = DependencyProperty.RegisteredDps[dp.HashCode].GetMetadata(this.GetType());
16: return metadata.Value;
17: }
18: }
19: }
这样，就可以定义一个SubDependencyObject，调用OverrideMedata向DP的_metadataMap中加入新的Metadata。
1: public class SubDependencyObject : DependencyObject
2: {
3: static SubDependencyObject()
4: {
5: NameProperty.OverrideMetadata(typeof(SubDependencyObject), new PropertyMetadata("SubName"));
6: }
7: }
创建一个DependencyObject以及SubDependencyObject，可以发现，Name的值已经被改为”SubName”了。当然，实际DP中对Metadata的操作比较繁琐，当子类调用OverrideMetadata时会涉及到Merge操作，把新的Metadata与父类的合二为一。并且在GetMetadata中，要取得自己或者是与它最近的父类的Metadata，为了可以获得最近的父类，WPF引入了一个DependencyObjectType的类，在构造时传入BaseType=this.base.GetType()，这里为了简单，忽略不计。
WPF对依赖属性的扩展
前面的例子里，依据优化储存的思想，我们打造了一个DependencyProperty。当然，有了这样一门利器，不好好打磨打磨真是对不起它，WPF在这个基础上对DP进行了扩展，使其更加的强大。
对通常的CLR属性来说，在Set中加入一些逻辑判断是很正常的，当然也可以在Set中发出一些事件或者更改其他一些属性。那么依赖属性，它对此又有什么支持呢？
顺水推舟，WPF在DP的PropertyMedata中加入了PropertyChangedCallback以及CoerceValueCallback等。这些Delegate可以在构造PropertyMetadata时传入，在SetValue过程中，会取得对应的PropertyMetadata，然后回调PropertyChangedCallback。这个PropertyMetadata可以在构建DP时传入，也可以在子类调用OverrideMetadata时传入，这就保证了同一个DP不同的DependencyObject可以有不同的应用。WPF对此进行了很多扩展，定义了一套属性赋值的规则，包括计算（calculate）、限制（Coerce）、验证（Validate）等等。
当然，这些扩展说开了会很多，WPF对此也进行了精巧的设计，这也就是我们开篇提到的WPF提供了一组服务，用于扩展CLR属性。
多属性值
发展都是由需求来推动的，在WPF的实现过程中，又产生了这样一个需要：
WPF是原生支持动画的，一个DP属性，比如Button的Width，你可以加入动画使他在1秒内由100变为200，在动画结束后，又希望它能恢复原来的属性值。同理，你可以在XAML表达式中对属性进行赋值，当表达式失效时同样期望他恢复成原来的属性值。这个需求来自于，对同一个属性的赋值可能发生在不同的场合，当对象状态改变时属性也要发生相应的变化，这里就产生了两个需要：
- 属性对外暴露一个值，但内部可以存放多个值，根据状态（条件）的改变来确定当前值。
- 这些状态（条件）要定义优先级，根据优先级来判断当前应取哪个值。
同一个属性有多个值，这个对CLR属性来说有些难为它了。但是对DP来说却很简单，本来DP的值就是保存在我们定义的EffectiveValueEntry中的，以前是保存一个Value，现在定义多个值就可以了。
1: internal struct EffectiveValueEntry
2: {
3: private object _value;
4:
5: internal int PropertyIndex { get; set; }
6:
7: internal object Value
8: {
9: get
10: {
11: return _value;
12: }
13: set
14: {
15: _value = value;
16: }
17: }
18:
19: internal ModifiedValue ModifiedValue
20: {
21: get
22: {
23: if (this._value != null)
24: {
25: return (this._value as ModifiedValue);
26: }
27: return null;
28: }
29: }
30: }
对应的ModifiedValue：
1: internal class ModifiedValue
2: {
3: internal object AnimatedValue { get; set; }
4: internal object BaseValue { get; set; }
5: internal object CoercedValue { get; set; }
6: internal object ExpressionValue { get; set; }
7: }
当属性没有被修改过，ModifiedValue为空，当修改过后，ModifiedValue被赋值。这里EffectiveValueEntry定义了很多方法如SetExpressionValue(object value), SetAnimatedValue(object value)等来向ModifiedValue中写入对应值；并且EffectiveValueEntry提供了IsAnimated，IsExpression等属性来表示当前的状态。当然，这个赋值的操作比较复杂，这个优先级分两大类：一 ModifiedValue中各属性的优先级；二对于ExpressionValue来说，它又有自己的优先级，Local>Style>Template…这里就不详细解释了。
依赖属性的优点
回过头来，总结一下依赖属性的优点：
- 优化了属性的储存，减少了不必要的内存使用。
- 加入了属性变化通知，限制、验证等，
- 可以储存多个值，配合Expression以及Animation等，打造出更灵活的使用方式。
总结
借助于依赖属性，WPF提供了强大的属性系统，可以支持数据绑定、样式、动画、附加属性等功能。这篇文章主要是简略的实现了一个从属性到依赖属性的发展过程，当然，具体和WPF的实现还有偏差，希望朋友们都能抓住这个主要的脉络，更好的去玩转它。
除了依赖属性的实现，还有一些很重要的部分，比如借助于依赖属性提出的附加属性，以及如何利用依赖属性来更好的设计实现程序，使用依赖属性有哪些要注意的地方。呵呵，那就，下篇吧。
作者：周永恒
出处：http://www.cnblogs.com/Zhouyongh
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