.NET8 依賴注入
依賴注入(Dependency Injection,簡稱DI)是一種設計模式,用于解耦組件(服務)之間的依賴關系。它通過將依賴關系的創(chuàng)建和管理交給外部容器來實現,而不是在組件(服務)內部直接創(chuàng)建依賴對象。
? 咱就是通過 IServiceCollection
和 IServiceProvider
來實現的,他們直接被收入到了runtime libraries,在整個.NET平臺下通用!
1.1 ServiceCollection
? IServiceCollection
本質是一個 ServiceDescriptor
而 ServiceDescriptor
則是用于描述服務類型,實現和生命周期
public interface IServiceCollection : IList<ServiceDescriptor>, ICollection<ServiceDescriptor>, IEnumerable<ServiceDescriptor>, IEnumerable;
? 官方提供一些列拓展幫助我們向服務容器中添加服務描述,具體在 ServiceCollectionServiceExtensions
builder.Services.AddTransient<StudentService>(); builder.Services.AddKeyedTransient<IStudentRepository, StudentRepository>("a"); builder.Services.AddKeyedTransient<IStudentRepository, StudentRepository2>("b"); builder.Services.AddTransient<TransientService>(); builder.Services.AddScoped<ScopeService>(); builder.Services.AddSingleton<SingletonService>();
1.2 ServiceProvider
? IServiceProvider
定義了一個方法 GetService
,幫助我們通過給定的服務類型,獲取其服務實例
public interface IServiceProvider { object? GetService(Type serviceType); }
? 下面是 GetService
的默認實現(如果不給定engine scope,則默認是root)
public object? GetService(Type serviceType) => GetService(ServiceIdentifier.FromServiceType(serviceType), Root);
? 也就是
internal object? GetService(ServiceIdentifier serviceIdentifier, ServiceProviderEngineScope serviceProviderEngineScope) { if (_disposed) { ThrowHelper.ThrowObjectDisposedException(); } // 獲取服務標識符對應的服務訪問器 ServiceAccessor serviceAccessor = _serviceAccessors.GetOrAdd(serviceIdentifier, _createServiceAccessor); // 執(zhí)行解析時的hock OnResolve(serviceAccessor.CallSite, serviceProviderEngineScope); DependencyInjectionEventSource.Log.ServiceResolved(this, serviceIdentifier.ServiceType); // 通過服務訪問器提供的解析服務,得到服務實例 object? result = serviceAccessor.RealizedService?.Invoke(serviceProviderEngineScope); System.Diagnostics.Debug.Assert(result is null || CallSiteFactory.IsService(serviceIdentifier)); return result; }
? 其中,服務標識符 ServiceIdentifier
其實就是包了一下服務類型,和服務Key(為了.NET8的鍵化服務)
internal readonly struct ServiceIdentifier : IEquatable<ServiceIdentifier> { public object? ServiceKey { get; } public Type ServiceType { get; } }
? 顯而易見的,我們的服務解析是由 serviceAccessor.RealizedService
提供,而創(chuàng)建服務訪問器 serviceAccessor
只有一個實現 CreateServiceAccessor
private ServiceAccessor CreateServiceAccessor(ServiceIdentifier serviceIdentifier) { // 通過 CallSiteFactory 獲取服務的調用點(CallSite),這是服務解析的一個表示形式。 ServiceCallSite? callSite = CallSiteFactory.GetCallSite(serviceIdentifier, new CallSiteChain()); // 如果調用站點不為空,則繼續(xù)構建服務訪問器。 if (callSite != null) { DependencyInjectionEventSource.Log.CallSiteBuilt(this, serviceIdentifier.ServiceType, callSite); // 觸發(fā)創(chuàng)建調用站點的相關事件。 OnCreate(callSite); // 如果調用站點的緩存位置是根(Root),即表示這是一個單例服務。 if (callSite.Cache.Location == CallSiteResultCacheLocation.Root) { // 直接拿緩存內容 object? value = CallSiteRuntimeResolver.Instance.Resolve(callSite, Root); return new ServiceAccessor { CallSite = callSite, RealizedService = scope => value }; } // 通過引擎解析 Func<ServiceProviderEngineScope, object?> realizedService = _engine.RealizeService(callSite); return new ServiceAccessor { CallSite = callSite, RealizedService = realizedService }; } // 如果調用點為空,則它的實現服務函數總是返回 null。 return new ServiceAccessor { CallSite = callSite, RealizedService = _ => null }; }
1.2.1 ServiceProviderEngine
? ServiceProviderEngine
是服務商解析服務的執(zhí)行引擎,它在服務商被初始化時建立。有兩種引擎,分別是動態(tài)引擎和運行時引擎,在 NETFRAMEWORK || NETSTANDARD2_0 默認使用動態(tài)引擎。
private ServiceProviderEngine GetEngine() { ServiceProviderEngine engine; #if NETFRAMEWORK || NETSTANDARD2_0 engine = CreateDynamicEngine(); #else if (RuntimeFeature.IsDynamicCodeCompiled && !DisableDynamicEngine) { engine = CreateDynamicEngine(); } else { // Don't try to compile Expressions/IL if they are going to get interpreted engine = RuntimeServiceProviderEngine.Instance; } #endif return engine; [UnconditionalSuppressMessage("AotAnalysis", "IL3050:RequiresDynamicCode", Justification = "CreateDynamicEngine won't be called when using NativeAOT.")] // see also https://github.com/dotnet/linker/issues/2715 ServiceProviderEngine CreateDynamicEngine() => new DynamicServiceProviderEngine(this); }
? 由于.NET Aot技術與dynamic技術沖突,因此Aot下只能使用運行時引擎,但動態(tài)引擎在大多情況下仍然是默認的。
動態(tài)引擎使用了emit技術,這是一個動態(tài)編譯技術,而aot的所有代碼都需要在部署前編譯好,因此運行時無法生成新的代碼。那運行時引擎主要使用反射,目標是在不犧牲太多性能的情況下,提供一個在aot環(huán)境中可行的解決方案。
? 我們展開動態(tài)引擎來看看它是如何解析服務的。
public override Func<ServiceProviderEngineScope, object?> RealizeService(ServiceCallSite callSite) { // 定義一個局部變量來跟蹤委托被調用的次數 int callCount = 0; return scope => { // 當委托被調用時,先使用CallSiteRuntimeResolver.Instance.Resolve方法來解析服務。這是一個同步操作,確保在編譯優(yōu)化之前,服務可以被正常解析。 var result = CallSiteRuntimeResolver.Instance.Resolve(callSite, scope); // 委托第二次被調用,通過UnsafeQueueUserWorkItem在后臺線程上啟動編譯優(yōu)化 if (Interlocked.Increment(ref callCount) == 2) { // 將一個工作項排隊到線程池,但不捕獲當前的執(zhí)行上下文。 _ = ThreadPool.UnsafeQueueUserWorkItem(_ => { try { // 用編譯優(yōu)化后的委托替換當前的服務訪問器,主要用到emit/expression技術 _serviceProvider.ReplaceServiceAccessor(callSite, base.RealizeService(callSite)); } catch (Exception ex) { DependencyInjectionEventSource.Log.ServiceRealizationFailed(ex, _serviceProvider.GetHashCode()); Debug.Fail($"We should never get exceptions from the background compilation.{Environment.NewLine}{ex}"); } }, null); } return result; }; }
這個實現的關鍵思想是,第一次解析服務時使用一個簡單的運行時解析器,這樣可以快速返回服務實例。然后,當服務再被解析,它會在后臺線程上啟動一個編譯過程,生成一個更高效的服務解析委托。一旦編譯完成,新的委托會替換掉原來的委托,以后的服務解析將使用這個新的、更高效的委托。這種方法可以在不影響應用程序啟動時間的情況下,逐漸優(yōu)化服務解析的性能。
1.2.2 ServiceProviderEngineScope
? ServiceProviderEngineScope
閃亮登場,他是我們服務商的代言人,從定義不難看出他對外提供了服務商所具備的一切能力
internal sealed class ServiceProviderEngineScope : IServiceScope, IServiceProvider, IKeyedServiceProvider, IAsyncDisposable, IServiceScopeFactory { // this scope中所有實現IDisposable or IAsyncDisposable的服務 private List<object>? _disposables; // 解析過的服務緩存(其實就是scope生命周期的服務緩存,singleton生命周期的服務緩存都直接掛在調用點上了) internal Dictionary<ServiceCacheKey, object?> ResolvedServices { get; } // 實錘服務商代言人 public IServiceProvider ServiceProvider => this; // 沒錯啦,通過root scope我們又能繼續(xù)創(chuàng)建無數個scope,他們彼此獨立 public IServiceScope CreateScope() => RootProvider.CreateScope(); }
? 我們來觀察他獲取服務的邏輯,可以發(fā)現他就是很樸實無華的用著我們根服務商 ServiceProvider
,去解析服務,那 engine scope 呢,就是 this。現在我們已經隱約可以知道engine scope,就是為了滿足scope生命周期而生。而 ResolvedServices
中存的呢,就是該scope中的所有scope生命周期服務實例啦,在這個scope中他們是唯一的。
public object? GetService(Type serviceType) { if (_disposed) { ThrowHelper.ThrowObjectDisposedException(); } return RootProvider.GetService(ServiceIdentifier.FromServiceType(serviceType), this); }
? 再來看另一個核心的方法:CaptureDisposable
,實現disposable的服務會被添加到 _disposables。
internal object? CaptureDisposable(object? service) { // 如果服務沒有實現 IDisposable or IAsyncDisposable,那么不需要捕獲,直接原路返回 if (ReferenceEquals(this, service) || !(service is IDisposable || service is IAsyncDisposable)) { return service; } bool disposed = false; lock (Sync) { if (_disposed) // 如果scope已經銷毀則進入銷毀流程 { disposed = true; } else { _disposables ??= new List<object>(); _disposables.Add(service); } } // Don't run customer code under the lock if (disposed) // 這表示我們在試圖捕獲可銷毀服務時,scope就已經被銷毀 { if (service is IDisposable disposable) { disposable.Dispose(); } else { // sync over async, for the rare case that an object only implements IAsyncDisposable and may end up starving the thread pool. object? localService = service; // copy to avoid closure on other paths Task.Run(() => ((IAsyncDisposable)localService).DisposeAsync().AsTask()).GetAwaiter().GetResult(); } // 這種case會拋出一個ObjectDisposedException ThrowHelper.ThrowObjectDisposedException(); } return service; }
? 在engine scope銷毀時,其作用域中所有scope生命周期且實現了disposable的服務(其實就是_disposable)呢,也會被一同的銷毀。
public ValueTask DisposeAsync() { List<object>? toDispose = BeginDispose(); // 獲取_disposable if (toDispose != null) { // 從后往前,依次銷毀服務 } }
? 那么有同學可能就要問了:單例實例既然不存在root scope中,而是單獨丟到了調用點上,那他是咋銷毀的?壓根沒看到啊,那不得泄露了?
? 其實呀,同學們并不用擔心這個問題。首先,單例服務的實例確實是緩存在調用點上,但 disable 服務仍然會被 scope 捕獲呀(在下文會詳細介紹)。在 BeginDispose 中的,我們會去判斷,如果是 singleton case,且root scope 沒有被銷毀過,我們會主動去銷毀喔~
if (IsRootScope && !RootProvider.IsDisposed()) RootProvider.Dispose();
1.3 ServiceCallSite
? ServiceCallSite
的主要職責是封裝服務解析的邏輯,它可以代表一個構造函數調用、屬性注入、工廠方法調用等。DI系統(tǒng)使用這個抽象來表示服務的各種解析策略,并且可以通過它來生成服務實例。
internal abstract class ServiceCallSite { protected ServiceCallSite(ResultCache cache) { Cache = cache; } public abstract Type ServiceType { get; } public abstract Type? ImplementationType { get; } public abstract CallSiteKind Kind { get; } public ResultCache Cache { get; } public object? Value { get; set; } public object? Key { get; set; } public bool CaptureDisposable => ImplementationType == null || typeof(IDisposable).IsAssignableFrom(ImplementationType) || typeof(IAsyncDisposable).IsAssignableFrom(ImplementationType); }
1.3.1 ResultCache
? 其中 ResultCache
定義了我們如何緩存解析后的結果
public CallSiteResultCacheLocation Location { get; set; } // 緩存位置 public ServiceCacheKey Key { get; set; } // 服務key(鍵化服務用的)
? CallSiteResultCacheLocation
是一個枚舉,定義了幾個值
Root
:表示服務實例應該在根級別的IServiceProvider
中緩存。這通常意味著服務實例是單例的(Singleton),在整個應用程序的生命周期內只會創(chuàng)建一次,并且在所有請求中共享。Scope
:表示服務實例應該在當前作用域(Scope)中緩存。對于作用域服務(Scoped),實例會在每個作用域中創(chuàng)建一次,并在該作用域內的所有請求中共享。Dispose
:盡管這個名稱可能會讓人誤解,但在ResultCache
的上下文中,Dispose
表示著服務是瞬態(tài)的(每次請求都創(chuàng)建新實例)。None
:表示沒有緩存服務實例。
? ServiceCacheKey
結構體就是包了一下服務標識符和一個slot,用于適配多實現的
internal readonly struct ServiceCacheKey : IEquatable<ServiceCacheKey> { public ServiceIdentifier ServiceIdentifier { get; } public int Slot { get; } // 那最后一個實現的slot是0 }
1.3.2 CallSiteFactory.GetCallSite
? 那我們來看看調用點是怎么創(chuàng)建的吧,其實上面已經出現過一次了:
private ServiceCallSite? CreateCallSite(ServiceIdentifier serviceIdentifier, CallSiteChain callSiteChain) { if (!_stackGuard.TryEnterOnCurrentStack()) // 防止棧溢出 { return _stackGuard.RunOnEmptyStack(CreateCallSite, serviceIdentifier, callSiteChain); } // 獲取服務標識符對應的鎖,以確保在創(chuàng)建調用點時的線程安全。 // 是為了保證并行解析下的調用點也只會被創(chuàng)建一次,例如: // C -> D -> A // E -> D -> A var callsiteLock = _callSiteLocks.GetOrAdd(serviceIdentifier, static _ => new object()); lock (callsiteLock) { // 檢查當前服務標識符是否會導致循環(huán)依賴 callSiteChain.CheckCircularDependency(serviceIdentifier); // 首先嘗試創(chuàng)建精確匹配的服務調用站點,如果失敗,則嘗試創(chuàng)建開放泛型服務調用站點,如果還是失敗,則嘗試創(chuàng)建枚舉服務調用站點。如果所有嘗試都失敗了,callSite將為null。 ServiceCallSite? callSite = TryCreateExact(serviceIdentifier, callSiteChain) ?? TryCreateOpenGeneric(serviceIdentifier, callSiteChain) ?? TryCreateEnumerable(serviceIdentifier, callSiteChain); return callSite; } }
? 那服務點的創(chuàng)建過程我就簡單概述一下啦
- 查找調用點緩存,存在就直接返回啦
- 服務標識符會被轉成服務描述符
ServiceDescriptor
(key化服務不指定key默認取last) - 計算
ServiceCallSite
,依次是:TryCreateExact計算
ResultCache
如果已經有實現實例了,則返回
ConstantCallSite
:表示直接返回已經創(chuàng)建的實例的調用點。如果有實現工廠,則返回
FactoryCallSite
:表示通過工廠方法創(chuàng)建服務實例的調用點。如果有實現類型,則返回
TryCreateOpenGenericConstructorCallSite
:表示通過構造函數創(chuàng)建服務實例的調用點。根據泛型定義獲取服務描述符
ServiceDescriptor
計算
ResultCache
使用服務標識符中的具體泛型參數來構造實現的閉合類型
AOT兼容性測試(因為不能保證值類型泛型的代碼已經生成)
如果成功閉合,則返回
TryCreateEnumerableConstructorCallSite
:表示通過構造函數創(chuàng)建服務實例的調用點。確定類型是
IEnumerable<T>
AOT兼容性測試(因為不能保證值類型數組的代碼已經生成)
如果
T
不是泛型類型,并且可以找到對應的服務描述符集合,則循環(huán) TryCreateExact否則,方向循環(huán) TryCreateExact,然后方向循環(huán) TryCreateOpenGeneric
1.4 CallSiteVisitor
? 好了,有了上面的了解我們可以開始探索服務解析的內幕了。服務解析說白了就是引擎圍著 CallSiteVisitor
轉圈圈,所謂的解析服務,其實就是訪問調用點了。
protected virtual TResult VisitCallSite(ServiceCallSite callSite, TArgument argument) { if (!_stackGuard.TryEnterOnCurrentStack()) // 一些校驗,分棧啥的 { return _stackGuard.RunOnEmptyStack(VisitCallSite, callSite, argument); } switch (callSite.Cache.Location) { case CallSiteResultCacheLocation.Root: // 單例 return VisitRootCache(callSite, argument); case CallSiteResultCacheLocation.Scope: // 作用域 return VisitScopeCache(callSite, argument); case CallSiteResultCacheLocation.Dispose: // 瞬態(tài) return VisitDisposeCache(callSite, argument); case CallSiteResultCacheLocation.None: // 不緩存(ConstantCallSite) return VisitNoCache(callSite, argument); default: throw new ArgumentOutOfRangeException(); } }
? 為了方便展示,我們這里的解析器都拿運行時來說,因為內部是反射,而emit、expression實在是難以觀看。
1.4.1 VisitRootCache
? 那我們來看看單例的情況下,是如何訪問的:
protected override object? VisitRootCache(ServiceCallSite callSite, RuntimeResolverContext context) { if (callSite.Value is object value) { // Value already calculated, return it directly return value; } var lockType = RuntimeResolverLock.Root; // 單例都是直接放根作用域的 ServiceProviderEngineScope serviceProviderEngine = context.Scope.RootProvider.Root; lock (callSite) { // 這里搞了個雙檢鎖來確保在多線程環(huán)境中,同一時間只有一個線程可以執(zhí)行接下來的代碼塊。 // Lock the callsite and check if another thread already cached the value if (callSite.Value is object callSiteValue) { return callSiteValue; } object? resolved = VisitCallSiteMain(callSite, new RuntimeResolverContext { Scope = serviceProviderEngine, AcquiredLocks = context.AcquiredLocks | lockType }); // 捕獲可銷毀的服務 serviceProviderEngine.CaptureDisposable(resolved); // 緩存解析結果到調用點上 callSite.Value = resolved; return resolved; } }
? 好,可以看到真正解析調用點的主角出來了 VisitCallSiteMain
,那這里的 CallSiteKind
上面計算 ServiceCallSite
時呢已經講的很清楚啦,咱對號入座就行了
protected virtual TResult VisitCallSiteMain(ServiceCallSite callSite, TArgument argument) { switch (callSite.Kind) { case CallSiteKind.Factory: return VisitFactory((FactoryCallSite)callSite, argument); case CallSiteKind.IEnumerable: return VisitIEnumerable((IEnumerableCallSite)callSite, argument); case CallSiteKind.Constructor: return VisitConstructor((ConstructorCallSite)callSite, argument); case CallSiteKind.Constant: return VisitConstant((ConstantCallSite)callSite, argument); case CallSiteKind.ServiceProvider: return VisitServiceProvider((ServiceProviderCallSite)callSite, argument); default: throw new NotSupportedException(SR.Format(SR.CallSiteTypeNotSupported, callSite.GetType())); } }
? 我們就看看最經典的通過構造函數創(chuàng)建服務實例的調用點 ConstructorCallSite
,很顯然就是new嘛,只不過可能構造中依賴其它服務,那就遞歸創(chuàng)建唄。easy,其它幾種太簡單了大家自己去看看吧。
protected override object VisitConstructor(ConstructorCallSite constructorCallSite, RuntimeResolverContext context) { object?[] parameterValues; if (constructorCallSite.ParameterCallSites.Length == 0) { parameterValues = Array.Empty<object>(); } else { parameterValues = new object?[constructorCallSite.ParameterCallSites.Length]; for (int index = 0; index < parameterValues.Length; index++) { // 遞歸構建依賴的服務 parameterValues[index] = VisitCallSite(constructorCallSite.ParameterCallSites[index], context); } } // new (xxx) return constructorCallSite.ConstructorInfo.Invoke(BindingFlags.DoNotWrapExceptions, binder: null, parameters: parameterValues, culture: null); }
1.4.2 VisitScopeCache
? 在訪問單例緩存的時候呢,僅僅通過了一個double check lock就搞定了,因為人家全局的嘛,咱再來看看訪問作用域緩存,會不會有什么不一樣
protected override object? VisitScopeCache(ServiceCallSite callSite, RuntimeResolverContext context) { // Check if we are in the situation where scoped service was promoted to singleton // and we need to lock the root return context.Scope.IsRootScope ? VisitRootCache(callSite, context) : VisitCache(callSite, context, context.Scope, RuntimeResolverLock.Scope); }
? 哈哈,它果然很不一般啊,上來就來檢查我們是否是 root scope。如果是這種case呢,則走 VisitRootCache
。但是奇怪啊,為什么訪問 scope cache,所在 engine scope 能是 root scope?
? 還記得 ServiceProvider
獲取的服務實例的核心方法嗎?engine scope 他是傳進來的,如果我們給一個 root scope,自然就出現的這種case,只是這種 case 特別罕見。
internal object? GetService(ServiceIdentifier serviceIdentifier, ServiceProviderEngineScope serviceProviderEngineScope)
? VisitCache
的同步模型寫的實在是酷,我們看 RuntimeResolverLock
的枚舉就兩個:Scope = 1
和 Root = 2
AcquiredLocks=Scope時
那 AcquiredLocks&false==0 顯然成立,申請鎖,也就是嘗試獨占改作用域的ResolvedServices
申請成功進入同步塊,重新計算AcquiredLocks|true=1
如此,在該engine scope 中這條鏈路上的調用點都被占有,直到結束
AcquiredLocks=Root 時
- 那顯然 engine scope 也應該是 root scope,那么走
VisitRootCache
case - 在
VisitRootCache
通過DCL鎖住 root scope 上鏈路涉及的服務點,直至結束
- 那顯然 engine scope 也應該是 root scope,那么走
? 至此我們應該不難看出這個設計的精妙之處,即在非 root scope(scope生命周期)中,scope之間是互相隔離的,沒有必要像 root scope(singleton生命周期)那樣,在所有scope中獨占服務點。
private object? VisitCache(ServiceCallSite callSite, RuntimeResolverContext context, ServiceProviderEngineScope serviceProviderEngine { bool lockTaken = false; object sync = serviceProviderEngine.Sync; Dictionary<ServiceCacheKey, object?> resolvedServices = serviceProviderEngine.ResolvedServices; if ((context.AcquiredLocks & lockType) == 0) { Monitor.Enter(sync, ref lockTaken); } try { // Note: This method has already taken lock by the caller for resolution and access synchronization. // For scoped: takes a dictionary as both a resolution lock and a dictionary access lock. if (resolvedServices.TryGetValue(callSite.Cache.Key, out object? resolved)) { return resolved; } // scope服務的解析結果是放在engine scope的ResolvedServices上的,而非調用點 resolved = VisitCallSiteMain(callSite, new RuntimeResolverContext { Scope = serviceProviderEngine, AcquiredLocks = context.AcquiredLocks | lockType }); serviceProviderEngine.CaptureDisposable(resolved); resolvedServices.Add(callSite.Cache.Key, resolved); return resolved; } finally { if (lockTaken) { Monitor.Exit(sync); } } }
1.4.3 VisitDisposeCache
? 我們看最后一個,也就是 Transient
case
protected override object? VisitDisposeCache(ServiceCallSite transientCallSite, RuntimeResolverContext context) { return context.Scope.CaptureDisposable(VisitCallSiteMain(transientCallSite, context)); }
? 異常的簡單,我們沿用了scope的設計,但是我們沒有進行任何緩存行為。即,每次都去訪問調用點。
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