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基于Java反射机制及控制反转的GUI框架设计方案解析
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2017-10-25
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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。
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。
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