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通用型软件框架的难题

假设我们希望开发一套通用型的软件框架，这个框架允许用户自定义大量不同的情况下的回调函数（方法），用来实现丰富多彩的业务逻辑功能，例如一个游戏脚本引擎，那么，其中一个实现方式，就是使用观察者模式，以事件的方式来驱动整个框架。用户通过定义各个事件的响应函数，来组织和实现业务逻辑。而框架也提供了自定义事件及其响应函数的入口。在一些实现代码中，我们可能会发现有大量的“注册事件”的代码，或者是使用一个巨大的switch…case…对事件函数进行分发调用。譬如我们想做一个服务器端的基本进程框架，这个框架让用户只需要填写一些回调函数，就能成为一个稳定持续运行的后台服务进程。其中一个部分，就是需要定义程序启动事件，以便用户自定义程序启动要做的事情。那么我们可以定义一个”Init”的字符串来代表这个事件，在一个事件响应函数的回调哈希表里面，记录上”Init”pfunInit()。又或者是用一个常量宏INIT=12来表示此事件，在程序的主循环处，利用switch…case…来检查代表每个事件的类型编码，如果发现是和INIT宏相等的，就调用case INIT下面的代码（往往是一个单独的函数，如pfunINit()）

维护长长的“注册事件”代码和长长的switch…case…都一样的让人昏昏欲睡，同时容易让人错漏百出。这些代码往往还带有大量的“常量”，因为用来作为回调函数的key的数据，往往都是一些自定义的常量。这些常量的同步维护，也往往让人筋疲力尽。这些长长的代码清单，经常还都需要由多个开发者一起来使用，自然就很容易发生你错改了我的，我覆盖了你的这一类问题。这些问题非常的“低级”，但是要找起来却一点都不容易。

[游戏的按键控制代码/JS]

难道我们的框架代码中，就一定会充斥着长长的字符串常量，或者整数常量吗？答案是否定的，因为很多编程语言，都提供能反射的功能。在编译型语言如C/C++里面，也可以利用代码生成技术，模拟出类似反射的能力。

什么是反射

要想知道什么是反射，我们可以先来看一个观察者模式的例子。假设我们在编写一个GUI的程序：在一个窗体上安放了一个按钮，此按钮的名字叫“ButtonA”，当这个按钮按下的时候，我们希望有一个我们自己写的函数被调用。根据观察者模式的设计，这个按钮被用户按下后，程序底层应该能监测到这个事情，然后在进程内部产生一个“事件”，这个“事件”对象往往会带有这个信息：被按下的按钮名字。如果我们用以前的注册事件的方法来编码，我们必须要在按钮被按下之前，比如程序初始化的时候，就向观察者对象注册这样一个回调函数：RegisterEvent(“ButtonA”, ONCLICK, myOnClick) —— ButtonA被按下的事件—myOnClick()。这里的函数myOnClick()就是我们想处理ButtonA被按下的事件的响应函数。但是，我们可以用另外一个更省事的方法来解决：我们把myOnClick()函数的名字改成ButtonA_OnClick()，然后观察者在发生“ButtonA”被按下的事件后，自动去找有没有叫“ButtonA_OnClick”这个名字的函数，如果找到的话，就调用这个函数。——显然这种做法无需预先手工去注册回调函数，而是仅仅根据函数名字的约定，简单的来决定要调用什么函数。一般来说，我们认为程序运行的过程中，这些函数名字、类名字、属性名字都不起什么重要的作用，以至于我们还会用一些“混淆器”软件来处理源代码，把这些自定义的名字都弄的乱七八糟，也不影响程序的运行。然而，如果我们使用反射的技术，程序就可以在运行时，实时的用一些常量，来检索并且获得源代码中，函数、类、属性名字所对应的实体，并且还能调用这些东西。

[Spring通过XML来配置对象的关系]

从代码维护的角度来看，类、成员、方法的名字，被程序以外的一些“配置文件”所管理和知道，是有一定风险的。因为我们常常不把配置文件看成是源代码那么重要的东西，错漏也没有编译器或者IDE协助，所以一些难以调试的BUG往往是从这些位置产生的。不过作为一种大大节省框架代码的技术，还是受到广泛欢迎。而上文所说的问题，现在渐渐由另外一种技术“元数据”（或者叫注解、特性），把配置文件和源代码合并起来，这样就能大大改善上述的问题。

反射的通信功能

我们在编写通信功能的程序时，传统的思路是要定义协议，也就是定义协议头部，协议包长度，协议包字段等等。在一个比较复杂的网络服务程序中，这样的协议很容易就有几十上百个。维护代码的程序员想要搞明白别人定义的如此众多的协议，实际上是不太容易的。我们很容易想到，能不能使用对象模型来代替通信协议的定义呢？答案是可以的。但是，使用对象模型又有一个新的问题：对象是一个在运行时的内存结构，如何把对象中的数据，通过网络接收和发送呢？最简单的做法，就是使用memcpy()，Linux提供了这个功能强大的API，可以让任何内存中的数据变成一段字节数组，然后我们就能直接通过网络发送了。但是，如果我们的对象不是一个简单的结构体（事实上简单的结构体也有问题），而是一个对象，这个对象里面可能存在指针类型的成员，这样的拷贝就不可能顾及到这些指针指向的数据了。而且，如果收发两端的程序，并不是同一种语言（操作系统、平台），这样的内存结构数据可能毫无意义，比如把一个C++的对象内存直接拷贝给JAVA程序，肯定无法直接使用。所以，我们想要用对象结构来定义通信协议，我们需要一个把对象转换成通用的字节数组的方法，这就是“序列化/反序列化”的能力。在这里我不打算说太多关于序列化的内容，我只想说，当这些对象具备序列化能力后，就能成为通信数据的载体。问题是，如果我们收到了一段对象序列化的数据，如何构建出对应数据的对象呢？答案就是使用反射，反射机能能从数据中获得对象类的名字，然后通过这个名字构造出对象来，然后从数据中继续获得余下成员的数据，一一复制到这个对象身上。由此看，只要我们有反射功能，我们可以让使用者，简单的构造一个对象，然后整个把这个对象发送给网络的另外一端，对方也能直接收到一个对象，这样在编写通信程序的时候，只要按照业务需求定义对象即可。对于阅读代码的程序员来说，不用在脑子装一根叫“编码、解码”的弦，只要“无脑”的定义、处理对象即可。

在通信程序中，有种叫命令模式的设计模式非常常见，它脱胎于传统的基于命令字的网络处理方式：解析出命令字通过switch…case调用对应的处理函数。命令模式下的通信程序往往很简单，就是定义一个类型，这个类型的成员属性（通信协议）是可以随便定义的，只要再定一个Process()方法即可——这个方法的内容，就是收到此类型对象，应该如何处理的容器。由于我们利用反射可以在网络另外一段重建这个对象，所以我们也可以调用这个预定义的Process()方法，这个方法由于和协议对象类定义在一起，所以它是知道所有的成员定义的，这样这个处理方法，就无需好像以前的程序那样，费劲的通过强制类型转换，来得到具体的数据内容。在命令模式的通信程序实现过程里，反射是至关重要的一环，因为当我们收到一个数据包时，必须要从数据包中得到其对应的对象的类名，然后建立这个类所对应的对象。一旦这个对象建立后，我们可以调用其反序列化函数，让对象的内容和数据包中一致，最后调用其Process()方法，就大功告成了。这种设计，可以用不同的语言，定义同结构的类对象，用来在不同的语言平台程序之间通讯，而无需定义很复杂的协议定义规范。一些强大的对象数据工具，比如Google Protocol Buffer和Apache Thrift，直接可以用一个通用的IDL语言，生成各种语言的类定义源代码，就更方便了。

[delphi上用界面设置ADO数据库控件的属性]

在JAVA中，JavaBean就是一个著名的利用反射来使用的“对象约定”：只要你编写的JAVA类型，其成员是类似setXXX()或者getXXX()的，很多框架都会自动识别和处理这些成员函数，从而实现诸如自动更新成员数据，自动关联界面内容等功能。另外一个类似的例子是JMX，这个JAVA的通用监控标准接口，可以把你定义的类对象解析出来，成员属性的值可以变成统计图线、可修改的表格项，方法变成按钮。在游戏开发领域，反射还广泛的用于，把图形美术资源和程序代码结合的目的：比如Flash Builder就可以通过反射，把一个Flash动画对象，绑定到一个MovieClip类型上，从而获得一个既具备美术效果，又能让用户自定义行为的对象。Unity3D在绑定了3D的游戏对象和脚本组件后，对于脚本中的Start()/Update()函数调用，也是通过反射进行的，这样开发者就不必要把脚本的类型，死死的和某个基类绑定到一块，而且这些反射调用的函数，还是可以有不同的返回值（不同的函数原型），从而实现协程或者非协程的调用。

[在flash编辑器里，对一个动画指定关联的自定义类]

反射由于可以把源代码中的信息提取出来，和其他的数据结合，让源代码的能力大大的提升，所以在开发工具方面，具有非常重要的地位。我们不再需要通过写代码，一遍遍的把源代码的数据和外部结构做对接，而是简单的开发一个反射能力框架，就能让我们实现某种源代码的“约定”，从而实现各种丰富的快捷开发能力。

反射的最佳搭档：元数据

在反射的使用过程中，我们往往会发现，源代码直接作为数据，还是会有一些问题。譬如我们的源代码可能会根据一些非业务因数做修改，改名、改参数类型是在重构的时候非常常见的。所以我们往往还是离不开配置文件，把源代码里的名字写到配置里面，然后框架再根据配置来运行。一个比较典型的例子就是Hibernate，这一款著名的ORM框架，能让你的源代码类型和数据库、表结构关联起来。按理说利用反射，我们可以直接建立一些和数据库表、字段名字同名的对象，就能直接关联了，但是我们的源代码如果需要修改这些名字，再去改数据库的内容，就显得太麻烦了。所以我们要编写很多配置文件，来关联什么表对应什么类，什么字段对应哪个属性……这些配置文件往往和使用数据库的表数量一样多，任何的修改都还要记得对应这些配置的修改，我们被迫同时维护：数据库结构、配置文件、源代码这三个东西。然而，如果我们的平台是支持“元数据”的话，问题就很好解决了。因为我们可以在源代码里面直接写配置文件项目。我们在源代码的类名前面，用类似注释的方式，标注这个类对应数据库的哪个表；在属性名前面，用注释标注对应的字段、默认值等等。这样我们只需要维护两个东西：数据库结构、源代码。这大大的减轻的项目的复杂程度。

我接触的最早最著名的元数据，是用来同步修改API文档的JavaDoc技术，这个技术让更新文档不再成为一个苦力活。由于可以在源代码的注释里面编写文档，所以在修改代码的同时也可以同时更新文档。更重要的是，javadoc标记自然的把源代码中的“名字表”和相关注释自动对应起来了，要知道，这种对应如果人工来做，可是要费相当大的功夫。在javadoc的教育下，我对于java的注解、C#的attribute(特性)都觉得非常亲切。以前那些需要登记大量类名、方法名的配置，统统都可以直接记录在源代码里面了。而一些和美术资源关联的客户端代码，也可以通过源代码的特殊标记，连接上正确的图形资源。

能让这些源代码里面的“元数据”生效的重要技术，其实就是反射。由于我们的元数据处理程序，一般都需要和源代码里面的类、方法名字对应起来，所以都要使用反射的方法。而这种反射，又为我们任意增加“元数据”提供了强大的机制。

反射给软件开发带来的改变

我们曾经相信：数据结构+算法=程序。但是从今天的软件产业来看，固然还是有很多专事计算的软件在被开发着，然而我们接触到更多的软件，都是所谓“信息管理系统”类的软件。这类软件要处理的并非是复杂的计算任务，而是对各种各样现实世界中的信息，增删查改是这些信息处理最通俗的描述。我们在处理这些信息的时候，如果还是把程序的载体源代码，仅仅看成是编译过程中不可缺少的一环而已，那么我们就必须额外处理大量的数据形式：数据库、配置文件、IDE配置……然而，在面向对象的风潮之下，源代码完全可以作为一种“树状”的数据承载方式。面向对象定义的类、成员、方法，就是一个个现实世界中的实体映像，他们所包含的结构和常量，往往直接可以成为系统中的数据源头。在MUD文字游戏中，几乎整个游戏世界，都是以源代码常量的形式编写的，这不但没有成为维护的难题，反而让真个游戏的开发变得更轻松，因为程序员还是最习惯于面对源代码去工作。

反射这种特性，能把源代码中的所有数据，包括“名字符号表”，都提供给开发者去使用，让软件开发过程，从单纯的算法实现过程，变成一个综合的信息管理的过程。这个做法看起来似乎不够专业，但是在编程已经不算“高科技”的年代，这种技术能帮助大量的开发者，以某种“约定”的方式去编写源代码，从而自动获得框架的强大支持。——制造这种允许“约定”方式运行源代码的框架，正式新的框架应该拥有的特点，因为人类的创造时间，不应该被浪费在大量的重复而类似的工作之上啊！

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