基于Java反射機(jī)制及控制反轉(zhuǎn)的GUI框架設(shè)計(jì)

Java是目前最優(yōu)秀的軟件開發(fā)語言之一，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面向?qū)ο?、跨平臺(tái)等優(yōu)越特性使它具有極強(qiáng)的生存力，并得到了廣泛的應(yīng)用?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/Java">Java的圖形用戶界面（GUI）中，AWT是Java提供的用來建立和設(shè)置Java圖形用戶界面的第一代開發(fā)工具。AWT由java.awt包提供,其中包含了許多可以用來建立與平臺(tái)無關(guān)的GUI類。由于AWT組件占有系統(tǒng)資源較多，常把java.awt組件稱為重量級(jí)組件。Java Swing是Java Foundation Classes(JFC)的一部分，解決了AWT的很多缺點(diǎn)，相對(duì)于AWT，Swing是輕量級(jí)組件。Swing提供了許多比AWT更好的屏幕顯示元素，使用純Java寫成，與Java一樣可以跨平臺(tái)運(yùn)行[1]。

圖形用戶界面（GUI）借助于多種組件，包括菜單、按鈕、文本框、選擇框、列表框等，通過相應(yīng)的事件處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)與用戶的動(dòng)態(tài)交互。

1 圖形用戶界面的建立

1.1 創(chuàng)建GUI窗口

javax.swing.JFrame類是用來建立用戶界面的底層窗口容器，能夠容納其他組件的對(duì)象，如標(biāo)簽、按鈕、文本組件等。JFrame類提供的add()方法把不同的組件添加到容器中，通過容器類的setLayout()方法可以設(shè)定容器的布局，安排各種組件在容器中。

使用JFrame類創(chuàng)建GUI窗口的基本步驟如下：用JFrame類或其子類創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象即窗體；設(shè)置窗口的部分屬性，如標(biāo)題、寬度、高度、可見性、圖標(biāo)等；添加內(nèi)容面板、組件；編寫事件處理方法；組件添加事件監(jiān)聽。

1.2 Java事件處理

在Java中，程序與用戶的交互通過響應(yīng)各種事件來實(shí)現(xiàn)。每當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生，Java虛擬機(jī)就會(huì)將事件的消息傳遞給程序，由程序中的事件處理方法對(duì)事件進(jìn)行處理。Java通過委托型事件處理機(jī)制來解決對(duì)事件的響應(yīng)。
事件處理機(jī)制可表述如下[2]：事件源對(duì)象封裝了事件源、組件狀態(tài)等必要信息；當(dāng)事件源對(duì)象發(fā)生改變時(shí)，向它所注冊(cè)的所有監(jiān)聽器發(fā)出通知，各監(jiān)聽器判斷事件類型是否為自己管轄范圍，若是，則通知給該監(jiān)聽器的執(zhí)行器，執(zhí)行器從事件中獲取事件信息，并執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)，改變組件的狀態(tài)。

1.3 傳統(tǒng)創(chuàng)建窗口和事件處理的局限性

在傳統(tǒng)的GUI創(chuàng)建過程中，存在一些局限性。

(1)組件創(chuàng)建、添加都采用硬編碼方式，造成程序的過度耦合。

(2)如果窗體中有很多組件，組件要添加注冊(cè)監(jiān)聽，則在代碼中看到很多重復(fù)注冊(cè)監(jiān)聽的代碼，而這些注冊(cè)監(jiān)聽的代碼都與界面本身設(shè)計(jì)無關(guān)，組件與事件之間的映射關(guān)系將會(huì)很混亂。

(3)事件處理方法定義在別的類中，無法得到窗體及其組件的引用，只能得到事件源，而無法改變其他組件的狀態(tài)；或者把事件處理與窗體設(shè)計(jì)放在一起，這樣程序的可維護(hù)性又不好。

(4)不利于代碼重用，基于MVC的思想，應(yīng)該把事件處理方法分離出來；在需要修改事件處理代碼時(shí)，就無需修改界面本身的源代碼。

2 圖形用戶界面設(shè)計(jì)的改進(jìn)

2.1 控制反轉(zhuǎn)（IOC）

IOC就是控制反轉(zhuǎn)[3]（Inversion of Control）的縮寫，也稱為依賴注入，控制反轉(zhuǎn)IOC是一種用于控制業(yè)務(wù)對(duì)象之間依賴關(guān)系的機(jī)制，將其設(shè)計(jì)的類與類之間的關(guān)系都交由外部容器進(jìn)行管理，僅需調(diào)用類在容器中注冊(cè)的名字就可以得到類的實(shí)例，有效降低了業(yè)務(wù)對(duì)象之間的依賴程度，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)對(duì)象之間的松散耦合。
IOC的實(shí)際意義就是把組件之間的依賴關(guān)系（調(diào)用關(guān)系）反轉(zhuǎn)出來，對(duì)象之前的依賴關(guān)系用xml配置文件描述；這樣，各個(gè)組件之間就不存在硬編碼的關(guān)聯(lián)，任何組件都可以最大程度地得到重用。
考慮如下接口和類的定義：
public interface ICar{void operate();}
public class Toyota implements ICar{…}
public class Honda implements ICar{…}
public class Driver{
private ICar car;
public void setCar(ICar car){this.car = car;}
public ICar getCar(){return car;}
public void drive(){car.operator();}
}

類Driver依賴于ICar，而類Toyota和Honda實(shí)現(xiàn)了接口ICar，即類Driver可以依賴于Toyota或Honda。
運(yùn)用了IOC模式后就不再需要自己管理組件之間的依賴關(guān)系，只需要聲明由xml配置文件描述去實(shí)現(xiàn)這種依賴關(guān)系，就好像把對(duì)組件之間的依賴關(guān)系的控制進(jìn)行了倒置，不再由組件自己來建立這種依賴關(guān)系而是交給xml配置文件去管理。

2.2 設(shè)計(jì)的改進(jìn)

在改進(jìn)的GUI編程中，把窗體中組件的創(chuàng)建、組件的外觀設(shè)置和組件觸發(fā)事件時(shí)執(zhí)行什么方法，不是以硬編碼的方式組合在一起，而是通過配置文件來配置。這樣開發(fā)人員無須關(guān)心組件的創(chuàng)建、組件的樣式設(shè)置、事件的監(jiān)聽與實(shí)現(xiàn)，只需要設(shè)置相應(yīng)的get、set方法來存取組件、屬性等，事件處理方法能在任意類中實(shí)現(xiàn)，方法名可以自定義，并且在其他類中能夠得到窗體對(duì)象及其組件的引用。當(dāng)組件的樣式發(fā)生改變時(shí)，只需改動(dòng)配置文件即可。

該改進(jìn)設(shè)計(jì)通過配置文件，并利用控制反轉(zhuǎn)和Java反射機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)，這就需要有框架和良好的設(shè)計(jì)。

3 框架運(yùn)行機(jī)理

框架中各組成部分在運(yùn)行過程中的調(diào)用關(guān)系如圖1所示。

當(dāng)程序入口啟動(dòng)時(shí)，框架解析bean-config.xml文件；組件工廠類根據(jù)xml配置文件創(chuàng)建各種組件對(duì)象；組件外觀設(shè)置類查找xml文件為每個(gè)組件設(shè)置相應(yīng)的外觀；事件監(jiān)聽器類查找xml文件為每個(gè)組件添加對(duì)應(yīng)的事件監(jiān)聽器；事件執(zhí)行類查找xml文件為每個(gè)組件設(shè)置事件觸發(fā)時(shí)執(zhí)行的方法；最后還需要一個(gè)保存窗體對(duì)象的類。

GUI程序開發(fā)人員只需要設(shè)置相應(yīng)的get、set方法來存取組件，事件發(fā)生時(shí)要執(zhí)行的方法和配置xml文件。組件的建立、外觀的設(shè)置、事件監(jiān)聽添加、事件處理方法都由框架來完成。一個(gè)編碼的例子如下：

public class JFrameDemo extends JFrame{
private JTextField input ;
private JButton ok ;
//省略的get, set方法
//省略構(gòu)造方法，該方法用于添加組件到窗體
}
//事件處理類和方法
public class EventOperator{
public void operate(){
//從保存窗體對(duì)象的類中獲得窗體
//通過窗體的get方法獲得組件
//執(zhí)行所需的操作并修改組件狀態(tài)
}
}

4 框架的具體實(shí)現(xiàn)

4.1 xml配置文件格式

xml是一種標(biāo)記語言，用于各種配置文件和不同語言間交換信息，它只負(fù)責(zé)信息的存儲(chǔ)，而不負(fù)責(zé)信息的表達(dá)。本框架bean-config.xml文件的設(shè)計(jì)格式如下：

?xml version=1.0 encoding=GB2312?>
beans>
bean id=input class=java.awt.JTextField>
setColumns>10;Integer/setColumns>
/bean>
bean id=ok class=java.awt.JButton>
setText>計(jì)算;String/setText>
event type=ActionListener class=test.Event-
Operator method=operate>/event>
/bean>
bean id=frame class=test.JFrameDemo>
ref>input/ref>
ref>ok/ref>
/bean>
/beans>

配置文件說明如下：

(1)根節(jié)點(diǎn)為beans。

(2)bean節(jié)點(diǎn)中的id屬性用來唯一地標(biāo)識(shí)一個(gè)組件，該值要與代碼里的組件名一致，class屬性用來表示所對(duì)應(yīng)的類名。

(3)event節(jié)點(diǎn)的type屬性表示監(jiān)聽器的類型， class屬性表示事件觸發(fā)時(shí)將要執(zhí)行的方法所對(duì)應(yīng)的類名，method屬性表示事件觸發(fā)時(shí)將要執(zhí)行的方法。如上面xml文件中,表示當(dāng)ok組件發(fā)生單擊事件時(shí)，將執(zhí)行test. EventOperator類的operate方法。

(4)ref子節(jié)點(diǎn)值表示該組件需要依賴的其他bean的標(biāo)識(shí)。

(5)bean其他子節(jié)點(diǎn)為設(shè)置組件外觀的方法，子節(jié)點(diǎn)值為調(diào)用該方法所需的參數(shù)值和對(duì)應(yīng)的參數(shù)類型。

4.2 Java的反射機(jī)制

因?yàn)樗鶎?duì)應(yīng)的類、方法都保存在xml文件中，而對(duì)xml解析得到的類名和方法名都是字符串類型，要把字符串實(shí)例化成相應(yīng)的對(duì)象并調(diào)用就要用到Java的反射技術(shù)[4]。

Java的反射機(jī)制允許程序在運(yùn)行時(shí)透過Reflection APIs取得任何一個(gè)已知名稱的類的內(nèi)部信息，包括其訪問權(quán)限、父類、實(shí)現(xiàn)接口，也包括成員變量和方法的所有信息，并可在運(yùn)行時(shí)改變成員變量的內(nèi)容或執(zhí)行方法。
本框架主要利用反射機(jī)制來實(shí)例化對(duì)象和調(diào)用方法。其關(guān)鍵代碼如下(className,methodName均為字符串)：

Class instance = Class.forName(className).newInstance();
//獲得目標(biāo)類實(shí)例，傳入目標(biāo)類名及包名
Class c = Class.forName(className);
Method m = c.getMethod(methodName,new Class[]{...});
//傳入方法名和參數(shù)類型數(shù)組
m.invoke(instance, new Object[]{});
//方法執(zhí)行，傳入目標(biāo)類的實(shí)例和方法參數(shù)值數(shù)組

4.3 xml文件處理器

xml文件處理器主要用于對(duì)bean-config.xml文件進(jìn)行解析， 本框架采用jdk1.5自帶的 org.w3c.dom包來解析xml文檔，為文檔對(duì)象模型(DOM) 提供接口。

xml文件處理器根據(jù)傳入的xml文件生成Document節(jié)點(diǎn)，Document可看做是xml在內(nèi)存中的一個(gè)鏡像，對(duì)Document操作能夠直接同步到該xml文件。關(guān)鍵代碼如下：

DocumentBuilderFactory dbf=DocumentBuilderFactory.new
Instance();
DocumentBuilder db=dbf.newDocumentBuilder();
//通過工廠得到一個(gè)DocumentBuilder
Document doc=db.parse(bean-config.xml);
//DocumentBuilder通過解析xml文件得到一個(gè)Document

4.4 組件工廠類的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)xml文件的bean節(jié)點(diǎn)建立組件對(duì)象，首先利用Document的getElementsByTagName方法獲得所有bean節(jié)點(diǎn)的NodeList對(duì)象，遍歷NodeList對(duì)象獲得每個(gè)bean節(jié)點(diǎn)的Node對(duì)象，再利用Node的getAttributes方法獲得該節(jié)點(diǎn)的所有屬性，然后根據(jù)獲得的id、class屬性就可以實(shí)例化組件。關(guān)鍵代碼如下：

NodeList nodes = doc.getElementsByTagName(bean);
//獲得所有的bean節(jié)點(diǎn)
... ...
Node node = nodes.item(i);//獲得其中一個(gè)bean節(jié)點(diǎn) NamedNodeMap attributes = node.getAttributes();
//取出該節(jié)點(diǎn)的所有屬性值
... ...
Class cl = Class.forName(class屬性值); 　 Object instance = cl.newInstance(); //創(chuàng)建該類的實(shí)例

4.5 組件外觀設(shè)置類實(shí)現(xiàn)

從組件工廠類中獲得組件對(duì)象并從xml文件中獲得的方法名、參數(shù)值和參數(shù)類型，利用Java反射技術(shù)就可以為組件執(zhí)行方法設(shè)置組件外觀。

4.6 事件執(zhí)行類

事件執(zhí)行類繼承多個(gè)事件接口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接口對(duì)應(yīng)的方法。在每個(gè)實(shí)現(xiàn)的方法中，獲得xml文件中event節(jié)點(diǎn)的class屬性值以及method屬性值，利用Java反射技術(shù)就可以執(zhí)行方法。這時(shí)當(dāng)組件觸發(fā)事件時(shí)，執(zhí)行事件執(zhí)行類的對(duì)應(yīng)方法，而事件執(zhí)行類的方法是調(diào)用method屬性值的方法。這樣就實(shí)現(xiàn)了當(dāng)組件觸發(fā)事件時(shí)，執(zhí)行method屬性值的方法。

通過事件執(zhí)行類，可以自定義觸發(fā)事件時(shí)執(zhí)行的方法名，實(shí)現(xiàn)了事件監(jiān)聽與事件處理的分離。事件執(zhí)行類采用單例模式實(shí)現(xiàn)即僅有一個(gè)實(shí)例運(yùn)行，節(jié)省了內(nèi)存消耗。

4.7 事件監(jiān)聽器添加類

傳統(tǒng)GUI編程中，事件監(jiān)聽器的添加是利用組件調(diào)用相應(yīng)的方法，并傳入對(duì)應(yīng)的事件監(jiān)聽器對(duì)象。在本框架事件監(jiān)聽器添加類中，首先獲得event節(jié)點(diǎn)的type屬性值，通過Java反射技術(shù)把事件執(zhí)行類實(shí)例添加到組件中，這樣當(dāng)組件觸發(fā)事件時(shí)就可以執(zhí)行事件執(zhí)行類的相關(guān)方法。

在GUI設(shè)計(jì)中將組件設(shè)計(jì)和事件處理交予本文框架管理，降低了對(duì)象之間的依賴程度。在代碼中僅需要編寫get、set方法，也不需注冊(cè)監(jiān)聽器、實(shí)現(xiàn)接口等代碼，減少了代碼編寫量，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)對(duì)象的松散耦合。事件觸發(fā)和事件執(zhí)行實(shí)現(xiàn)了分離，提高了程序的可維護(hù)性。對(duì)組件狀態(tài)或事件信息的改變不需修改源代碼，只需要修改配置文件，易于實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。

實(shí)踐表明，該框架簡(jiǎn)單易用，建立的圖形用戶界面（GUI）具有較高的靈活性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，對(duì)構(gòu)建中小型的GUI應(yīng)用具有良好的支撐作用和借鑒意義。