基于Java反射機制及控制反轉的GUI框架設計

Java是目前最優秀的軟件開發語言之一，由于其結構簡單、面向對象、跨平臺等優越特性使它具有極強的生存力，并得到了廣泛的應用?；?a class="contentlabel" href="http://www.104case.com/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置Java圖形用戶界面的第一代開發工具。AWT由java.awt包提供,其中包含了許多可以用來建立與平臺無關的GUI類。由于AWT組件占有系統資源較多，常把java.awt組件稱為重量級組件。Java Swing是Java Foundation Classes(JFC)的一部分，解決了AWT的很多缺點，相對于AWT，Swing是輕量級組件。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一樣可以跨平臺運行[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，通過相應的事件處理機制，實現與用戶的動態交互。

1 圖形用戶界面的建立

1.1 創建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象，如標簽、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()方法可以設定容器的布局，安排各種組件在容器中。

使用JFrame類創建GUI窗口的基本步驟如下：用JFrame類或其子類創建一個對象即窗體；設置窗口的部分屬性，如標題、寬度、高度、可見性、圖標等；添加內容面板、組件；編寫事件處理方法；組件添加事件監聽。

1.2 Java事件處理

在Java中，程序與用戶的交互通過響應各種事件來實現。每當一個事件發生，Java虛擬機就會將事件的消息傳遞給程序，由程序中的事件處理方法對事件進行處理。Java通過委托型事件處理機制來解決對事件的響應。
事件處理機制可表述如下[2]：事件源對象封裝了事件源、組件狀態等必要信息；當事件源對象發生改變時，向它所注冊的所有監聽器發出通知，各監聽器判斷事件類型是否為自己管轄范圍，若是，則通知給該監聽器的執行器，執行器從事件中獲取事件信息，并執行相應函數，改變組件的狀態。

1.3 傳統創建窗口和事件處理的局限性

在傳統的GUI創建過程中，存在一些局限性。

(1)組件創建、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，組件要添加注冊監聽，則在代碼中看到很多重復注冊監聽的代碼，而這些注冊監聽的代碼都與界面本身設計無關，組件與事件之間的映射關系將會很混亂。

(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；或者把事件處理與窗體設計放在一起，這樣程序的可維護性又不好。

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

2 圖形用戶界面設計的改進

2.1 控制反轉（IOC）

IOC就是控制反轉[3]（Inversion of Control）的縮寫，也稱為依賴注入，控制反轉IOC是一種用于控制業務對象之間依賴關系的機制，將其設計的類與類之間的關系都交由外部容器進行管理，僅需調用類在容器中注冊的名字就可以得到類的實例，有效降低了業務對象之間的依賴程度，實現了業務對象之間的松散耦合。
IOC的實際意義就是把組件之間的依賴關系（調用關系）反轉出來，對象之前的依賴關系用xml配置文件描述；這樣，各個組件之間就不存在硬編碼的關聯，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實現了接口ICar，即類Driver可以依賴于Toyota或Honda。
運用了IOC模式后就不再需要自己管理組件之間的依賴關系，只需要聲明由xml配置文件描述去實現這種依賴關系，就好像把對組件之間的依賴關系的控制進行了倒置，不再由組件自己來建立這種依賴關系而是交給xml配置文件去管理。

2.2 設計的改進

在改進的GUI編程中，把窗體中組件的創建、組件的外觀設置和組件觸發事件時執行什么方法，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。這樣開發人員無須關心組件的創建、組件的樣式設置、事件的監聽與實現，只需要設置相應的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現，方法名可以自定義，并且在其他類中能夠得到窗體對象及其組件的引用。當組件的樣式發生改變時，只需改動配置文件即可。

該改進設計通過配置文件，并利用控制反轉和Java反射機制得以實現，這就需要有框架和良好的設計。

3 框架運行機理

框架中各組成部分在運行過程中的調用關系如圖1所示。

當程序入口啟動時，框架解析bean-config.xml文件；組件工廠類根據xml配置文件創建各種組件對象；組件外觀設置類查找xml文件為每個組件設置相應的外觀；事件監聽器類查找xml文件為每個組件添加對應的事件監聽器；事件執行類查找xml文件為每個組件設置事件觸發時執行的方法；最后還需要一個保存窗體對象的類。

GUI程序開發人員只需要設置相應的get、set方法來存取組件，事件發生時要執行的方法和配置xml文件。組件的建立、外觀的設置、事件監聽添加、事件處理方法都由框架來完成。一個編碼的例子如下：

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(){
//從保存窗體對象的類中獲得窗體
//通過窗體的get方法獲得組件
//執行所需的操作并修改組件狀態
}
}

4 框架的具體實現

4.1 xml配置文件格式

xml是一種標記語言，用于各種配置文件和不同語言間交換信息，它只負責信息的存儲，而不負責信息的表達。本框架bean-config.xml文件的設計格式如下：

?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)根節點為beans。

(2)bean節點中的id屬性用來唯一地標識一個組件，該值要與代碼里的組件名一致，class屬性用來表示所對應的類名。

(3)event節點的type屬性表示監聽器的類型， class屬性表示事件觸發時將要執行的方法所對應的類名，method屬性表示事件觸發時將要執行的方法。如上面xml文件中,表示當ok組件發生單擊事件時，將執行test. EventOperator類的operate方法。

(4)ref子節點值表示該組件需要依賴的其他bean的標識。

(5)bean其他子節點為設置組件外觀的方法，子節點值為調用該方法所需的參數值和對應的參數類型。

4.2 Java的反射機制

因為所對應的類、方法都保存在xml文件中，而對xml解析得到的類名和方法名都是字符串類型，要把字符串實例化成相應的對象并調用就要用到Java的反射技術[4]。

Java的反射機制允許程序在運行時透過Reflection APIs取得任何一個已知名稱的類的內部信息，包括其訪問權限、父類、實現接口，也包括成員變量和方法的所有信息，并可在運行時改變成員變量的內容或執行方法。
本框架主要利用反射機制來實例化對象和調用方法。其關鍵代碼如下(className,methodName均為字符串)：

Class instance = Class.forName(className).newInstance();
//獲得目標類實例，傳入目標類名及包名
Class c = Class.forName(className);
Method m = c.getMethod(methodName,new Class[]{...});
//傳入方法名和參數類型數組
m.invoke(instance, new Object[]{});
//方法執行，傳入目標類的實例和方法參數值數組

4.3 xml文件處理器

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

xml文件處理器根據傳入的xml文件生成Document節點，Document可看做是xml在內存中的一個鏡像，對Document操作能夠直接同步到該xml文件。關鍵代碼如下：

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

4.4 組件工廠類的實現

根據xml文件的bean節點建立組件對象，首先利用Document的getElementsByTagName方法獲得所有bean節點的NodeList對象，遍歷NodeList對象獲得每個bean節點的Node對象，再利用Node的getAttributes方法獲得該節點的所有屬性，然后根據獲得的id、class屬性就可以實例化組件。關鍵代碼如下：

NodeList nodes = doc.getElementsByTagName(bean);
//獲得所有的bean節點
... ...
Node node = nodes.item(i);//獲得其中一個bean節點 NamedNodeMap attributes = node.getAttributes();
//取出該節點的所有屬性值
... ...
Class cl = Class.forName(class屬性值); 　 Object instance = cl.newInstance(); //創建該類的實例

4.5 組件外觀設置類實現

從組件工廠類中獲得組件對象并從xml文件中獲得的方法名、參數值和參數類型，利用Java反射技術就可以為組件執行方法設置組件外觀。

4.6 事件執行類

事件執行類繼承多個事件接口，同時實現接口對應的方法。在每個實現的方法中，獲得xml文件中event節點的class屬性值以及method屬性值，利用Java反射技術就可以執行方法。這時當組件觸發事件時，執行事件執行類的對應方法，而事件執行類的方法是調用method屬性值的方法。這樣就實現了當組件觸發事件時，執行method屬性值的方法。

通過事件執行類，可以自定義觸發事件時執行的方法名，實現了事件監聽與事件處理的分離。事件執行類采用單例模式實現即僅有一個實例運行，節省了內存消耗。

4.7 事件監聽器添加類

傳統GUI編程中，事件監聽器的添加是利用組件調用相應的方法，并傳入對應的事件監聽器對象。在本框架事件監聽器添加類中，首先獲得event節點的type屬性值，通過Java反射技術把事件執行類實例添加到組件中，這樣當組件觸發事件時就可以執行事件執行類的相關方法。

在GUI設計中將組件設計和事件處理交予本文框架管理，降低了對象之間的依賴程度。在代碼中僅需要編寫get、set方法，也不需注冊監聽器、實現接口等代碼，減少了代碼編寫量，實現了業務對象的松散耦合。事件觸發和事件執行實現了分離，提高了程序的可維護性。對組件狀態或事件信息的改變不需修改源代碼，只需要修改配置文件，易于實現重構。

實踐表明，該框架簡單易用，建立的圖形用戶界面（GUI）具有較高的靈活性、可維護性和可擴展性，對構建中小型的GUI應用具有良好的支撐作用和借鑒意義。