基于Java反射机制及控制反转的GUI框架设计

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Java是目前最优秀的软件开发语言之一，由于其结构简单、面向对象、跨平台等优越特性使它具有极强的生存力，并得到了广泛的应用。基于Java的图形用户界面（GUI）中，AWT是Java提供的用来建立和设置Java图形用户界面的第一代开发工具。AWT由java.awt包提供,其中包含了许多可以用来建立与平台无关的GUI类。由于AWT组件占有系统资源较多，常把java.awt组件称为重量级组件。Java Swing是Java Foundation Classes(JFC)的一部分，解决了AWT的很多缺点，相对于AWT，Swing是轻量级组件。Swing提供了许多比AWT更好的屏幕显示元素，使用纯Java写成，与Java一样可以跨平台运行[1]。

图形用户界面（GUI）借助于多种组件，包括菜单、按钮、文本框、选择框、列表框等，通过相应的事件处理机制，实现与用户的动态交互。

1  图形用户界面的建立

1.1 创建GUI窗口

javax.swing.JFrame类是用来建立用户界面的底层窗口容器，能够容纳其他组件的对象，如标签、按钮、文本组件等。JFrame类提供的add()方法把不同的组件添加到容器中，通过容器类的setLayout()方法可以设定容器的布局，安排各种组件在容器中。

使用JFrame类创建GUI窗口的基本步骤如下：用JFrame类或其子类创建一个对象即窗体；设置窗口的部分属性，如标题、宽度、高度、可见性、图标等；添加内容面板、组件；编写事件处理方法；组件添加事件监听。

1.2 Java事件处理

在Java中，程序与用户的交互通过响应各种事件来实现。每当一个事件发生，Java虚拟机就会将事件的消息传递给程序，由程序中的事件处理方法对事件进行处理。Java通过委托型事件处理机制来解决对事件的响应。
事件处理机制可表述如下[2]：事件源对象封装了事件源、组件状态等必要信息；当事件源对象发生改变时，向它所注册的所有监听器发出通知，各监听器判断事件类型是否为自己管辖范围，若是，则通知给该监听器的执行器，执行器从事件中获取事件信息，并执行相应函数，改变组件的状态。

1.3 传统创建窗口和事件处理的局限性

在传统的GUI创建过程中，存在一些局限性。

(1)组件创建、添加都采用硬编码方式，造成程序的过度耦合。

(2)如果窗体中有很多组件，组件要添加注册监听，则在代码中看到很多重复注册监听的代码，而这些注册监听的代码都与界面本身设计无关，组件与事件之间的映射关系将会很混乱。

(3)事件处理方法定义在别的类中，无法得到窗体及其组件的引用，只能得到事件源，而无法改变其他组件的状态；或者把事件处理与窗体设计放在一起，这样程序的可维护性又不好。

(4)不利于代码重用，基于MVC的思想，应该把事件处理方法分离出来；在需要修改事件处理代码时，就无需修改界面本身的源代码。

2  图形用户界面设计的改进

2.1 控制反转（IOC）

IOC就是控制反转[3]（Inversion of Control）的缩写，也称为依赖注入，控制反转IOC是一种用于控制业务对象之间依赖关系的机制，将其设计的类与类之间的关系都交由外部容器进行管理，仅需调用类在容器中注册的名字就可以得到类的实例，有效降低了业务对象之间的依赖程度，实现了业务对象之间的松散耦合。
IOC的实际意义就是把组件之间的依赖关系（调用关系）反转出来，对象之前的依赖关系用xml配置文件描述；这样，各个组件之间就不存在硬编码的关联，任何组件都可以最大程度地得到重用。
考虑如下接口和类的定义：
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();}
}

类Driver依赖于ICar，而类Toyota和Honda实现了接口ICar，即类Driver可以依赖于Toyota或Honda。
运用了IOC模式后就不再需要自己管理组件之间的依赖关系，只需要声明由xml配置文件描述去实现这种依赖关系，就好像把对组件之间的依赖关系的控制进行了倒置，不再由组件自己来建立这种依赖关系而是交给xml配置文件去管理。

2.2 设计的改进

在改进的GUI编程中，把窗体中组件的创建、组件的外观设置和组件触发事件时执行什么方法，不是以硬编码的方式组合在一起，而是通过配置文件来配置。这样开发人员无须关心组件的创建、组件的样式设置、事件的监听与实现，只需要设置相应的get、set方法来存取组件、属性等，事件处理方法能在任意类中实现，方法名可以自定义，并且在其他类中能够得到窗体对象及其组件的引用。当组件的样式发生改变时，只需改动配置文件即可。

该改进设计通过配置文件，并利用控制反转和Java反射机制得以实现，这就需要有框架和良好的设计。

3 框架运行机理

框架中各组成部分在运行过程中的调用关系如图1所示。

当程序入口启动时，框架解析bean-config.xml文件；组件工厂类根据xml配置文件创建各种组件对象；组件外观设置类查找xml文件为每个组件设置相应的外观；事件监听器类查找xml文件为每个组件添加对应的事件监听器；事件执行类查找xml文件为每个组件设置事件触发时执行的方法；最后还需要一个保存窗体对象的类。
GUI程序开发人员只需要设置相应的get、set方法来存取组件，事件发生时要执行的方法和配置xml文件。组件的建立、外观的设置、事件监听添加、事件处理方法都由框架来完成。一个编码的例子如下：

public class JFrameDemo extends JFrame{
private JTextField input ;
private JButton ok ;
//省略的get, set方法
//省略构造方法，该方法用于添加组件到窗体
}
//事件处理类和方法
public class EventOperator{
public void operate(){
//从保存窗体对象的类中获得窗体
//通过窗体的get方法获得组件
//执行所需的操作并修改组件状态
}
}
4 框架的具体实现

4.1 xml配置文件格式

xml是一种标记语言，用于各种配置文件和不同语言间交换信息，它只负责信息的存储，而不负责信息的表达。本框架bean-config.xml文件的设计格式如下：

<?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>计算;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>

配置文件说明如下：

(1)根节点为beans。

(2)bean节点中的id属性用来唯一地标识一个组件，该值要与代码里的组件名一致，class属性用来表示所对应的类名。

(3)event节点的type属性表示监听器的类型， class属性表示事件触发时将要执行的方法所对应的类名，method属性表示事件触发时将要执行的方法。如上面xml文件中,表示当ok组件发生单击事件时，将执行test. EventOperator类的operate方法。

(4)ref子节点值表示该组件需要依赖的其他bean的标识。

(5)bean其他子节点为设置组件外观的方法，子节点值为调用该方法所需的参数值和对应的参数类型。

4.2 Java的反射机制

因为所对应的类、方法都保存在xml文件中，而对xml解析得到的类名和方法名都是字符串类型，要把字符串实例化成相应的对象并调用就要用到Java的反射技术[4]。

Java的反射机制允许程序在运行时透过Reflection APIs取得任何一个已知名称的类的内部信息，包括其访问权限、父类、实现接口，也包括成员变量和方法的所有信息，并可在运行时改变成员变量的内容或执行方法。
本框架主要利用反射机制来实例化对象和调用方法。其关键代码如下(className,methodName均为字符串)：

Class instance = Class.forName(className).newInstance();
//获得目标类实例，传入目标类名及包名
Class c = Class.forName(className);
Method m = c.getMethod(methodName,new Class[]{...});
//传入方法名和参数类型数组
m.invoke(instance, new Object[]{});
//方法执行，传入目标类的实例和方法参数值数组

4.3 xml文件处理器

xml文件处理器主要用于对bean-config.xml文件进行解析， 本框架采用jdk1.5自带的 org.w3c.dom包来解析xml文档，为文档对象模型(DOM) 提供接口。

xml文件处理器根据传入的xml文件生成Document节点，Document可看做是xml在内存中的一个镜像，对Document操作能够直接同步到该xml文件。关键代码如下：

DocumentBuilderFactory dbf=DocumentBuilderFactory.new
Instance();   
DocumentBuilder db=dbf.newDocumentBuilder();   
//通过工厂得到一个DocumentBuilder   
Document doc=db.parse("bean-config.xml");         
//DocumentBuilder通过解析xml文件得到一个Document

4.4 组件工厂类的实现

根据xml文件的bean节点建立组件对象，首先利用Document的getElementsByTagName方法获得所有bean节点的NodeList对象，遍历NodeList对象获得每个bean节点的Node对象，再利用Node的getAttributes方法获得该节点的所有属性，然后根据获得的id、class属性就可以实例化组件。关键代码如下：

NodeList nodes = doc.getElementsByTagName("bean");
//获得所有的bean节点
... ...
Node node = nodes.item(i);//获得其中一个bean节点        NamedNodeMap attributes = node.getAttributes();
//取出该节点的所有属性值
... ...
Class cl = Class.forName(class属性值);                　    Object instance = cl.newInstance();    //创建该类的实例

4.5 组件外观设置类实现

从组件工厂类中获得组件对象并从xml文件中获得的方法名、参数值和参数类型，利用Java反射技术就可以为组件执行方法设置组件外观。

4.6 事件执行类

事件执行类继承多个事件接口，同时实现接口对应的方法。在每个实现的方法中，获得xml文件中event节点的class属性值以及method属性值，利用Java反射技术就可以执行方法。这时当组件触发事件时，执行事件执行类的对应方法，而事件执行类的方法是调用method属性值的方法。这样就实现了当组件触发事件时，执行method属性值的方法。

通过事件执行类，可以自定义触发事件时执行的方法名，实现了事件监听与事件处理的分离。事件执行类采用单例模式实现即仅有一个实例运行，节省了内存消耗。

4.7 事件监听器添加类

传统GUI编程中，事件监听器的添加是利用组件调用相应的方法，并传入对应的事件监听器对象。在本框架事件监听器添加类中，首先获得event节点的type属性值，通过Java反射技术把事件执行类实例添加到组件中，这样当组件触发事件时就可以执行事件执行类的相关方法。

在GUI设计中将组件设计和事件处理交予本文框架管理，降低了对象之间的依赖程度。在代码中仅需要编写get、set方法，也不需注册监听器、实现接口等代码，减少了代码编写量，实现了业务对象的松散耦合。事件触发和事件执行实现了分离，提高了程序的可维护性。对组件状态或事件信息的改变不需修改源代码，只需要修改配置文件，易于实现重构。

实践表明，该框架简单易用，建立的图形用户界面（GUI）具有较高的灵活性、可维护性和可扩展性，对构建中小型的GUI应用具有良好的支撑作用和借鉴意义。