如何实现Laravel的服务容器

如何实现服务容器(Ioc Container)

1. 容器的本质

• 服务容器本身就是一个数组，键名就是服务名，值就是服务。
• 服务可以是一个原始值，也可以是一个对象，可以说是任意数据。
• 服务名可以是自定义名，也可以是对象的类名，也可以是接口名。

// 服务容器
$container = [
    // 原始值
    'text' => '这是一个字符串',
    // 自定义服务名
    'customName' => new StdClass(),
    // 使用类名作为服务名
    'StdClass' => new StdClass(),
    // 使用接口名作为服务名
    'Namespace\\StdClassInterface' => new StdClass(),
];

// ----------- ↓↓↓↓示例代码↓↓↓↓ ----------- //

// 绑定服务到容器
$container['standard'] = new StdClass();
// 获取服务
$standard = $container['standard'];
var_dump($standard);

2. 封装成类

为了方便维护，我们把上面的数组封装到类里面。

$instances还是上面的容器数组。我们增加两个方法，instance用来绑定服务，get用来从容器中获取服务。

class BaseContainer
{

    // 已绑定的服务
    protected $instances = [];

    // 绑定服务
    public function instance($name, $instance)
    {
        $this->instances[$name] = $instance;
    }

    // 获取服务
    public function get($name)
    {
        return isset($this->instances[$name]) ? $this->instances[$name] : null;
    }
}

// ----------- ↓↓↓↓示例代码↓↓↓↓ ----------- //

$container = new BaseContainer();
// 绑定服务
$container->instance('StdClass', new StdClass());
// 获取服务
$stdClass = $container->get('StdClass');
var_dump($stdClass);

3. 按需实例化

现在我们在绑定一个对象服务的时候，就必须要先把类实例化，如果绑定的服务没有被用到，那么类就会白白实例化，造成性能浪费。

为了解决这个问题，我们增加一个bind函数，它支持绑定一个回调函数，在回调函数中实例化类。这样一来，我们只有在使用服务时，才回调这个函数，这样就实现了按需实例化。

这时候，我们获取服务时，就不只是从数组中拿到服务并返回了，还需要判断如果是回调函数，就要执行回调函数。所以我们把get方法的名字改成make。意思就是生产一个服务，这个服务可以是已绑定的服务，也可以是已绑定的回调函数，也可以是一个类名，如果是类名，我们就直接实例化该类并返回。

然后，我们增加一个新数组$bindings，用来存储绑定的回调函数。然后我们把bind方法改一下，判断下$instance如果是一个回调函数，就放到$bindings数组，否则就用make方法实例化类。

class DeferContainer extends BaseContainer
{
    // 已绑定的回调函数
    protected $bindings = [];

    // 绑定服务
    public function bind($name, $instance)
    {
        if ($instance instanceof Closure) {
            // 如果$instance是一个回调函数，就绑定到bindings。
            $this->bindings[$name] = $instance;
        } else {
            // 调用make方法，创建实例
            $this->instances[$name] = $this->make($name);
        }
    }

    // 获取服务
    public function make($name)
    {
        if (isset($this->instances[$name])) {
            return $this->instances[$name];
        }

        if (isset($this->bindings[$name])) {
            // 执行回调函数并返回
            $instance = call_user_func($this->bindings[$name]);
        } else {
            // 还没有绑定到容器中，直接new.
            $instance = new $name();
        }

        return $instance;
    }
}

// ----------- ↓↓↓↓示例代码↓↓↓↓ ----------- //

$container = new DeferContainer();
// 绑定服务
$container->bind('StdClass', function () {
    echo "我被执行了\n";
    return new StdClass();
});
// 获取服务
$stdClass = $container->make('StdClass');
var_dump($stdClass);

StdClass这个服务绑定的是一个回调函数，在回调函数中才会真正的实例化类。如果没有用到这个服务，那回调函数就不会被执行，类也不会被实例化。

4. 单例

从上面的代码中可以看出，每次调用make方法时，都会执行一次回调函数，并返回一个新的类实例。但是在某些情况下，我们希望这个实例是一个单例，无论make多少次，只实例化一次。

这时候，我们给bind方法增加第三个参数$shared，用来标记是否是单例，默认不是单例。然后把回调函数和这个标记都存到$bindings数组里。

为了方便绑定单例服务，再增加一个新的方法singleton，它直接调用bind，并且$shared参数强制为true。

对于make方法，我们也要做修改。在执行$bindings里的回调函数以后，做一个判断，如果之前绑定时标记的shared是true，就把回调函数返回的结果存储到$instances里。由于我们是先从$instances里找服务，所以这样下次再make的时候就会直接返回，而不会再次执行回调函数。这样就实现了单例的绑定。

class SingletonContainer extends DeferContainer
{
    // 绑定服务
    public function bind($name, $instance, $shared = false)
    {
        if ($instance instanceof Closure) {
            // 如果$instance是一个回调函数，就绑定到bindings。
            $this->bindings[$name] = [
                'callback' => $instance,
                // 标记是否单例
                'shared' => $shared
            ];
        } else {
            // 调用make方法，创建实例
            $this->instances[$name] = $this->make($name);
        }
    }

    // 绑定一个单例
    public function singleton($name, $instance)
    {
        $this->bind($name, $instance, true);
    }

    // 获取服务
    public function make($name)
    {
        if (isset($this->instances[$name])) {
            return $this->instances[$name];
        }

        if (isset($this->bindings[$name])) {
            // 执行回调函数并返回
            $instance = call_user_func($this->bindings[$name]['callback']);

            if ($this->bindings[$name]['shared']) {
                // 标记为单例时，存储到服务中
                $this->instances[$name] = $instance;
            }
        } else {
            // 还没有绑定到容器中，直接new.
            $instance = new $name();
        }

        return $instance;
    }
}

// ----------- ↓↓↓↓示例代码↓↓↓↓ ----------- //

$container = new SingletonContainer();
// 绑定服务
$container->singleton('anonymous', function () {
    return new class
    {
        public function __construct()
        {
            echo "我被实例化了\n";
        }
    };
});
// 无论make多少次，只会实例化一次
$container->make('anonymous');
$container->make('anonymous');
// 获取服务
$anonymous = $container->make('anonymous');
var_dump($anonymous)

上面的代码用singleton绑定了一个名为anonymous的服务，回调函数里返回了一个匿名类的实例。这个匿名类在被实例化时会输出一段文字。无论我们make多少次anonymous，这个回调函数只会被执行一次，匿名类也只会被实例化一次。

5. 自动注入

自动注入是Ioc容器的核心，没有自动注入就无法做到控制反转。

自动注入就是指，在实例化一个类时，用反射类来获取__construct所需要的参数，然后根据参数的类型，从容器中找到已绑定的服务。我们只要有了__construct方法所需的所有参数，就能自动实例化该类，实现自动注入。

现在，我们增加一个build方法，它只接收一个参数，就是类名。build方法会用反射类来获取__construct方法所需要的参数，然后返回实例化结果。

另外一点就是，我们之前在调用make方法时，如果传的是一个未绑定的类，我们直接new了这个类。现在我们把未绑定的类交给build方法来构建，因为它支持自动注入。

class InjectionContainer extends SingletonContainer
{

    // 获取服务
    public function make($name)
    {
        if (isset($this->instances[$name])) {
            return $this->instances[$name];
        }
        if (isset($this->bindings[$name])) {
            // 执行回调函数并返回
            $instance = call_user_func($this->bindings[$name]['callback']);

            if ($this->bindings[$name]['shared']) {
                // 标记为单例时，存储到服务中
                $this->instances[$name] = $instance;
            }
        } else {
            // 使用build方法构建此类
            $instance = $this->build($name);
        }

        return $instance;
    }

    // 构建一个类，并自动注入服务
    public function build($class)
    {

        $reflector = new ReflectionClass($class);

        $constructor = $reflector->getConstructor();

        if (is_null($constructor)) {
            // 没有构造函数，直接new
            return new $class();
        }

        $dependencies = [];

        // 获取构造函数所需的参数
        foreach ($constructor->getParameters() as $dependency) {
            if (is_null($dependency->getClass())) {
                // 参数类型不是类时，无法从容器中获取依赖
                if ($dependency->isDefaultValueAvailable()) {
                    // 查找参数的默认值，如果有就使用默认值
                    $dependencies[] = $dependency->getDefaultValue();
                } else {
                    // 无法提供类所依赖的参数
                    throw new Exception('找不到依赖参数：' . $dependency->getName());
                }
            } else {
                // 参数类型是类时，就用make方法构建该类
                $dependencies[] = $this->make($dependency->getClass()->name);
            }
        }

        return $reflector->newInstanceArgs($dependencies);
    }
}

// ----------- ↓↓↓↓示例代码↓↓↓↓ ----------- //

class Redis
{
}

class Cache
{
    protected $redis;

    // 构造函数中依赖Redis服务
    public function __construct(Redis $redis)
    {
        $this->redis = $redis;
    }
}

$container = new InjectionContainer();
// 绑定Redis服务
$container->singleton(Redis::class, function () {
    return new Redis();
});
// 构建Cache类
$cache = $container->make(Cache::class);
var_dump($cache);

6. 自定义依赖参数

现在有个问题，如果类依赖的参数不是类或接口，只是一个普通变量，这时候就无法从容器中获取依赖参数了，也就无法实例化类了。

那么接下来我们就支持一个新功能，在调用make方法时，支持传第二个参数$parameters，这是一个数组，无法从容器中获取的依赖，就从这个数组中找。

当然，make方法是用不到这个参数的，因为它不负责实例化类，它直接传给build方法。在build方法寻找依赖的参数时，就先从$parameters中找。这样就实现了自定义依赖参数。

需要注意的一点是，build方法是按照参数的名字来找依赖的，所以parameters中的键名也必须跟__construct中参数名一致。

class ParametersContainer extends InjectionContainer
{
    // 获取服务
    public function make($name, array $parameters = [])
    {
        if (isset($this->instances[$name])) {
            return $this->instances[$name];
        }
        if (isset($this->bindings[$name])) {
            // 执行回调函数并返回
            $instance = call_user_func($this->bindings[$name]['callback']);

            if ($this->bindings[$name]['shared']) {
                // 标记为单例时，存储到服务中
                $this->instances[$name] = $instance;
            }
        } else {
            // 使用build方法构建此类
            $instance = $this->build($name, $parameters);
        }

        return $instance;
    }

    // 构建一个类，并自动注入服务
    public function build($class, array $parameters = [])
    {
        $reflector = new ReflectionClass($class);

        $constructor = $reflector->getConstructor();

        if (is_null($constructor)) {
            // 没有构造函数，直接new
            return new $class();
        }

        $dependencies = [];

        // 获取构造函数所需的参数
        foreach ($constructor->getParameters() as $dependency) {

            if (isset($parameters[$dependency->getName()])) {
                // 先从自定义参数中查找
                $dependencies[] = $parameters[$dependency->getName()];
                continue;
            }

            if (is_null($dependency->getClass())) {
                // 参数类型不是类或接口时，无法从容器中获取依赖
                if ($dependency->isDefaultValueAvailable()) {
                    // 查找默认值，如果有就使用默认值
                    $dependencies[] = $dependency->getDefaultValue();
                } else {
                    // 无法提供类所依赖的参数
                    throw new Exception('找不到依赖参数：' . $dependency->getName());
                }
            } else {
                // 参数类型是类时，就用make方法构建该类
                $dependencies[] = $this->make($dependency->getClass()->name);
            }
        }

        return $reflector->newInstanceArgs($dependencies);
    }
}

// ----------- ↓↓↓↓示例代码↓↓↓↓ ----------- //

class Redis
{
}

class Cache
{
    protected $redis;

    protected $name;

    protected $default;

    // 构造函数中依赖Redis服务和name参数，name的类型不是类，无法从容器中查找
    public function __construct(Redis $redis, $name, $default = '默认值')
    {
        $this->redis = $redis;
        $this->name = $name;
        $this->default = $default;
    }
}

$container = new ParametersContainer();
// 绑定Redis服务
$container->singleton(Redis::class, function () {
    return new Redis();
});
// 构建Cache类
$cache = $container->make(Cache::class, ['name' => 'test']);
var_dump($cache);

提示：实际上，Laravel容器的build方法并没有第二个参数$parameters，它是用类属性来维护自定义参数。原理都是一样的，只是实现方式不一样。这里为了方便理解，不引入过多概念。

7. 服务别名

别名可以理解成小名、外号。服务别名就是给已绑定的服务设置一些外号，使我们通过外号也能找到该服务。

这个就比较简单了，我们增加一个新的数组$aliases，用来存储别名。再增加一个方法alias，用来让外部注册别名。

唯一需要我们修改的地方，就是在make时，要先从$aliases中找到真实的服务名。

class AliasContainer extends ParametersContainer
{
    // 服务别名
    protected $aliases = [];

    // 给服务绑定一个别名
    public function alias($alias, $name)
    {
        $this->aliases[$alias] = $name;
    }

    // 获取服务
    public function make($name, array $parameters = [])
    {
        // 先用别名查找真实服务名
        $name = isset($this->aliases[$name]) ? $this->aliases[$name] : $name;

        return parent::make($name, $parameters);
    }
}

// ----------- ↓↓↓↓示例代码↓↓↓↓ ----------- //

$container = new AliasContainer();

// 绑定服务
$container->instance('text', '这是一个字符串');
// 给服务注册别名
$container->alias('string', 'text');
$container->alias('content', 'text');

var_dump($container->make('string'));
var_dump($container->make('content'));

8. 扩展绑定

有时候我们需要给已绑定的服务做一个包装，这时候就用到扩展绑定了。我们先看一个实际的用法，理解它的作用后，才看它是如何实现的。

// 绑定日志服务
$container->singleton('log', new Log());

// 对已绑定的服务再次包装
$container->extend('log', function(Log $log){
    // 返回了一个新服务
    return new RedisLog($log);
});

现在我们看它是如何实现的。增加一个$extenders数组，用来存放扩展器。再增加一个extend方法，用来注册扩展器。

然后在make方法返回$instance之前，按顺序依次调用之前注册的扩展器。

class ExtendContainer extends AliasContainer
{
    // 存放扩展器的数组
    protected $extenders = [];

    // 给服务绑定扩展器
    public function extend($name, $extender)
    {
        if (isset($this->instances[$name])) {
            // 已经实例化的服务，直接调用扩展器
            $this->instances[$name] = $extender($this->instances[$name]);
        } else {
            $this->extenders[$name][] = $extender;
        }
    }

    // 获取服务
    public function make($name, array $parameters = [])
    {
        $instance = parent::make($name, $parameters);

        if (isset($this->extenders[$name])) {
            // 调用扩展器
            foreach ($this->extenders[$name] as $extender) {
                $instance = $extender($instance);
            }
        }

        return $instance;
    }
}

// ----------- ↓↓↓↓示例代码↓↓↓↓ ----------- //

class Redis
{
    public $name;

    public function __construct($name = 'default')
    {
        $this->name = $name;
    }

    public function setName($name)
    {
        $this->name = $name;
    }
}

$container = new ExtendContainer();

// 绑定Redis服务
$container->singleton(Redis::class, function () {
    return new Redis();
});

// 给Redis服务绑定一个扩展器
$container->extend(Redis::class, function (Redis $redis) {
    $redis->setName('扩展器');
    return $redis;
});
$redis = $container->make(Redis::class);
var_dump($redis->name);

9. 上下文绑定

有时侯我们可能有两个类使用同一个接口，但希望在每个类中注入不同的实现，例如两个控制器，分别为它们注入不同的Log服务。

class ApiController
{
    public function __construct(Log $log)
    {
    }
}

class WebController
{
    public function __construct(Log $log)
    {
    }
}

最终我们要用以下方式实现：

// 当ApiController依赖Log时，给它一个RedisLog
$container->addContextualBinding('ApiController','Log',new RedisLog());

// 当WebController依赖Log时，给它一个FileLog
$container->addContextualBinding('WebController','Log',new FileLog());

为了更直观更方便更语义化的使用，我们把这个过程改成链式操作：

$container->when('ApiController')
        ->needs('Log')
        ->give(new RedisLog());

我们增加一个$context数组，用来存储上下文。同时增加一个addContextualBinding方法，用来注册上下文绑定。以ApiController为例，$context的真实模样是：

$context['ApiController']['Log'] = new RedisLog();

然后build方法实例化类时，先从上下文中查找依赖参数，就实现了上下文绑定。

接下来，看看链式操作是如何实现的。

首先定义一个类Context，这个类有两个方法，needs和give。
然后在容器中，增加一个when方法，它返回一个Context对象。在Context对象的give方法中，我们已经具备了注册上下文所需要的所有参数，所以就可以在give方法中调用addContextualBinding来注册上下文了。

class ContextContainer extends ExtendContainer
{
    // 依赖上下文
    protected $context = [];

    // 构建一个类，并自动注入服务
    public function build($class, array $parameters = [])
    {
        $reflector = new ReflectionClass($class);

        $constructor = $reflector->getConstructor();

        if (is_null($constructor)) {
            // 没有构造函数，直接new
            return new $class();
        }

        $dependencies = [];

        // 获取构造函数所需的参数
        foreach ($constructor->getParameters() as $dependency) {

            if (isset($this->context[$class]) && isset($this->context[$class][$dependency->getName()])) {
                // 先从上下文中查找
                $dependencies[] = $this->context[$class][$dependency->getName()];
                continue;
            }

            if (isset($parameters[$dependency->getName()])) {
                // 从自定义参数中查找
                $dependencies[] = $parameters[$dependency->getName()];
                continue;
            }

            if (is_null($dependency->getClass())) {
                // 参数类型不是类或接口时，无法从容器中获取依赖
                if ($dependency->isDefaultValueAvailable()) {
                    // 查找默认值，如果有就使用默认值
                    $dependencies[] = $dependency->getDefaultValue();
                } else {
                    // 无法提供类所依赖的参数
                    throw new Exception('找不到依赖参数：' . $dependency->getName());
                }
            } else {
                // 参数类型是一个类时，就用make方法构建该类
                $dependencies[] = $this->make($dependency->getClass()->name);
            }
        }

        return $reflector->newInstanceArgs($dependencies);
    }

    // 绑定上下文
    public function addContextualBinding($when, $needs, $give)
    {
        $this->context[$when][$needs] = $give;
    }

    // 支持链式方式绑定上下文
    public function when($when)
    {
        return new Context($when, $this);
    }
}

class Context
{
    protected $when;

    protected $needs;

    protected $container;

    public function __construct($when, ContextContainer $container)
    {
        $this->when = $when;
        $this->container = $container;
    }

    public function needs($needs)
    {
        $this->needs = $needs;

        return $this;
    }

    public function give($give)
    {
        // 调用容器绑定依赖上下文
        $this->container->addContextualBinding($this->when, $this->needs, $give);
    }
}

// ----------- ↓↓↓↓示例代码↓↓↓↓ ----------- //

class Dog
{
    public $name;

    public function __construct($name)
    {
        $this->name = $name;
    }
}

class Cat
{
    public $name;

    public function __construct($name)
    {
        $this->name = $name;
    }
}

$container = new ContextContainer();

// 给Dog类设置上下文绑定
$container->when(Dog::class)
    ->needs('name')
    ->give('小狗');
// 给Cat类设置上下文绑定
$container->when(Cat::class)
    ->needs('name')
    ->give('小猫');

$dog = $container->make(Dog::class);
$cat = $container->make(Cat::class);
var_dump('Dog:' . $dog->name);
var_dump('Cat:' . $cat->name);

10. 完整代码

class Container
{
    // 已绑定的服务
    protected $instances = [];
    // 已绑定的回调函数
    protected $bindings = [];
    // 服务别名
    protected $aliases = [];
    // 存放扩展器的数组
    protected $extenders = [];
    // 依赖上下文
    protected $context = [];

    // 绑定服务实例
    public function instance($name, $instance)
    {
        $this->instances[$name] = $instance;
    }

    // 绑定服务
    public function bind($name, $instance, $shared = false)
    {
        if ($instance instanceof Closure) {
            // 如果$instance是一个回调函数，就绑定到bindings。
            $this->bindings[$name] = [
                'callback' => $instance,
                // 标记是否单例
                'shared' => $shared
            ];
        } else {
            // 调用make方法，创建实例
            $this->instances[$name] = $this->make($name);
        }
    }

    // 绑定一个单例
    public function singleton($name, $instance)
    {
        $this->bind($name, $instance, true);
    }

    // 给服务绑定一个别名
    public function alias($alias, $name)
    {
        $this->aliases[$alias] = $name;
    }

    // 给服务绑定扩展器
    public function extend($name, $extender)
    {
        if (isset($this->instances[$name])) {
            // 已经实例化的服务，直接调用扩展器
            $this->instances[$name] = $extender($this->instances[$name]);
        } else {
            $this->extenders[$name][] = $extender;
        }
    }

    // 获取服务
    public function make($name, array $parameters = [])
    {
        // 先用别名查找真实服务名
        $name = isset($this->aliases[$name]) ? $this->aliases[$name] : $name;

        if (isset($this->instances[$name])) {
            return $this->instances[$name];
        }

        if (isset($this->bindings[$name])) {
            // 执行回调函数并返回
            $instance = call_user_func($this->bindings[$name]['callback']);

            if ($this->bindings[$name]['shared']) {
                // 标记为单例时，存储到服务中
                $this->instances[$name] = $instance;
            }
        } else {
            // 使用build方法构建此类
            $instance = $this->build($name, $parameters);
        }

        if (isset($this->extenders[$name])) {
            // 调用扩展器
            foreach ($this->extenders[$name] as $extender) {
                $instance = $extender($instance);
            }
        }

        return $instance;
    }

    // 构建一个类，并自动注入服务
    public function build($class, array $parameters = [])
    {
        $reflector = new ReflectionClass($class);

        $constructor = $reflector->getConstructor();

        if (is_null($constructor)) {
            // 没有构造函数，直接new
            return new $class();
        }

        $dependencies = [];

        // 获取构造函数所需的参数
        foreach ($constructor->getParameters() as $dependency) {

            if (isset($this->context[$class]) && isset($this->context[$class][$dependency->getName()])) {
                // 先从上下文中查找
                $dependencies[] = $this->context[$class][$dependency->getName()];
                continue;
            }

            if (isset($parameters[$dependency->getName()])) {
                // 从自定义参数中查找
                $dependencies[] = $parameters[$dependency->getName()];
                continue;
            }

            if (is_null($dependency->getClass())) {
                // 参数类型不是类或接口时，无法从容器中获取依赖
                if ($dependency->isDefaultValueAvailable()) {
                    // 查找默认值，如果有就使用默认值
                    $dependencies[] = $dependency->getDefaultValue();
                } else {
                    // 无法提供类所依赖的参数
                    throw new Exception('找不到依赖参数：' . $dependency->getName());
                }
            } else {
                // 参数类型是一个类时，就用make方法构建该类
                $dependencies[] = $this->make($dependency->getClass()->name);
            }
        }

        return $reflector->newInstanceArgs($dependencies);
    }

    // 绑定上下文
    public function addContextualBinding($when, $needs, $give)
    {
        $this->context[$when][$needs] = $give;
    }

    // 支持链式方式绑定上下文
    public function when($when)
    {
        return new Context($when, $this);
    }
}

class Context
{
    protected $when;

    protected $needs;

    protected $container;

    public function __construct($when, Container $container)
    {
        $this->when = $when;
        $this->container = $container;
    }

    public function needs($needs)
    {
        $this->needs = $needs;

        return $this;
    }

    public function give($give)
    {
        // 调用容器绑定依赖上下文
        $this->container->addContextualBinding($this->when, $this->needs, $give);
    }
}