.NET8 依赖注入 - .NET

依赖注入（Dependency Injection，简称DI）是一种设计模式，用于解耦组件（服务）之间的依赖关系。它通过将依赖关系的创建和管理交给外部容器来实现

依赖注入（Dependency Injection，简称DI）是一种设计模式，用于解耦组件（服务）之间的依赖关系。它通过将依赖关系的创建和管理交给外部容器来实现，而不是在组件（服务）内部直接创建依赖对象。

咱就是通过 IServiceCollection 和 IServiceProvider 来实现的，他们直接被收入到了runtime libraries，在整个.NET平台下通用！

1.1 ServiceCollection

IServiceCollection 本质是一个 ServiceDescriptor 而 ServiceDescriptor 则是用于描述服务类型，实现和生命周期

public interface IServiceCollection : 
    IList<ServiceDescriptor>,
    ICollection<ServiceDescriptor>,
    IEnumerable<ServiceDescriptor>,
    IEnumerable;

官方提供一些列拓展帮助我们向服务容器中添加服务描述，具体在 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 定义了一个方法 GetService，帮助我们通过给定的服务类型，获取其服务实例

public interface IServiceProvider
{
  object? GetService(Type serviceType);
}

下面是 GetService 的默认实现（如果不给定engine scope，则默认是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();
    }
    // 获取服务标识符对应的服务访问器
    ServiceAccessor serviceAccessor = _serviceAccessors.GetOrAdd(serviceIdentifier, _createServiceAccessor);
    // 执行解析时的hock
    OnResolve(serviceAccessor.CallSite, serviceProviderEngineScope);
    DependencyInjectionEventSource.Log.ServiceResolved(this, serviceIdentifier.ServiceType);
    // 通过服务访问器提供的解析服务，得到服务实例
    object? result = serviceAccessor.RealizedService?.Invoke(serviceProviderEngineScope);
    System.Diagnostics.Debug.Assert(result is null || CallSiteFactory.IsService(serviceIdentifier));
    return result;
}

其中，服务标识符 ServiceIdentifier 其实就是包了一下服务类型，和服务Key（为了.NET8的键化服务）

internal readonly struct ServiceIdentifier : IEquatable<ServiceIdentifier>
{
    public object? ServiceKey { get; }
    public Type ServiceType { get; }
}

显而易见的，我们的服务解析是由 serviceAccessor.RealizedService 提供，而创建服务访问器 serviceAccessor 只有一个实现 CreateServiceAccessor

private ServiceAccessor CreateServiceAccessor(ServiceIdentifier serviceIdentifier)
{
    // 通过 CallSiteFactory 获取服务的调用点（CallSite），这是服务解析的一个表示形式。
    ServiceCallSite? callSite = CallSiteFactory.GetCallSite(serviceIdentifier, new CallSiteChain());
    // 如果调用站点不为空，则继续构建服务访问器。
    if (callSite != null)
    {
        DependencyInjectionEventSource.Log.CallSiteBuilt(this, serviceIdentifier.ServiceType, callSite);
        // 触发创建调用站点的相关事件。
        OnCreate(callSite);
        // 如果调用站点的缓存位置是根（Root），即表示这是一个单例服务。
        if (callSite.Cache.Location == CallSiteResultCacheLocation.Root)
        {
            // 直接拿缓存内容
            object? value = CallSiteRuntimeResolver.Instance.Resolve(callSite, Root);
            return new ServiceAccessor { CallSite = callSite, RealizedService = scope => value };
        }
        // 通过引擎解析
        Func<ServiceProviderEngineScope, object?> realizedService = _engine.RealizeService(callSite);
        return new ServiceAccessor { CallSite = callSite, RealizedService = realizedService };
    }
    // 如果调用点为空，则它的实现服务函数总是返回 null。
    return new ServiceAccessor { CallSite = callSite, RealizedService = _ => null };
}

1.2.1 ServiceProviderEngine

ServiceProviderEngine 是服务商解析服务的执行引擎，它在服务商被初始化时建立。有两种引擎，分别是动态引擎和运行时引擎，在 NETFRAMEWORK || NETSTANDARD2_0 默认使用动态引擎。

        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技术与dynamic技术冲突，因此Aot下只能使用运行时引擎，但动态引擎在大多情况下仍然是默认的。

动态引擎使用了emit技术，这是一个动态编译技术，而aot的所有代码都需要在部署前编译好，因此运行时无法生成新的代码。那运行时引擎主要使用反射，目标是在不牺牲太多性能的情况下，提供一个在aot环境中可行的解决方案。

我们展开动态引擎来看看它是如何解析服务的。

public override Func<ServiceProviderEngineScope, object?> RealizeService(ServiceCallSite callSite)
{
    // 定义一个局部变量来跟踪委托被调用的次数
    int callCount = 0;
    return scope =>
    {
        // 当委托被调用时，先使用CallSiteRuntimeResolver.Instance.Resolve方法来解析服务。这是一个同步操作，确保在编译优化之前，服务可以被正常解析。
        var result = CallSiteRuntimeResolver.Instance.Resolve(callSite, scope);
        // 委托第二次被调用，通过UnsafeQueueUserWorkItem在后台线程上启动编译优化
        if (Interlocked.Increment(ref callCount) == 2)
        {
            // 将一个工作项排队到线程池，但不捕获当前的执行上下文。
            _ = ThreadPool.UnsafeQueueUserWorkItem(_ =>
            {
                try
                {
                    // 用编译优化后的委托替换当前的服务访问器，主要用到emit/expression技术
                    _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;
    };
}

这个实现的关键思想是，第一次解析服务时使用一个简单的运行时解析器，这样可以快速返回服务实例。然后，当服务再被解析，它会在后台线程上启动一个编译过程，生成一个更高效的服务解析委托。一旦编译完成，新的委托会替换掉原来的委托，以后的服务解析将使用这个新的、更高效的委托。这种方法可以在不影响应用程序启动时间的情况下，逐渐优化服务解析的性能。

1.2.2 ServiceProviderEngineScope

ServiceProviderEngineScope 闪亮登场，他是我们服务商的代言人，从定义不难看出他对外提供了服务商所具备的一切能力

internal sealed class ServiceProviderEngineScope : IServiceScope, IServiceProvider, IKeyedServiceProvider, 			IAsyncDisposable, IServiceScopeFactory
{
    // this scope中所有实现IDisposable or IAsyncDisposable的服务
    private List<object>? _disposables;
    // 解析过的服务缓存（其实就是scope生命周期的服务缓存，singleton生命周期的服务缓存都直接挂在调用点上了）
    internal Dictionary<ServiceCacheKey, object?> ResolvedServices { get; }
    // 实锤服务商代言人
    public IServiceProvider ServiceProvider => this;
    // 没错啦，通过root scope我们又能继续创建无数个scope，他们彼此独立
    public IServiceScope CreateScope() => RootProvider.CreateScope();
}

我们来观察他获取服务的逻辑，可以发现他就是很朴实无华的用着我们根服务商 ServiceProvider，去解析服务，那 engine scope 呢，就是 this。现在我们已经隐约可以知道engine scope，就是为了满足scope生命周期而生。而 ResolvedServices 中存的呢，就是该scope中的所有scope生命周期服务实例啦，在这个scope中他们是唯一的。

public object? GetService(Type serviceType)
{
    if (_disposed)
    {
        ThrowHelper.ThrowObjectDisposedException();
    }
    return RootProvider.GetService(ServiceIdentifier.FromServiceType(serviceType), this);
}

再来看另一个核心的方法：CaptureDisposable，实现disposable的服务会被添加到 _disposables。

internal object? CaptureDisposable(object? service)
{
    // 如果服务没有实现 IDisposable or IAsyncDisposable，那么不需要捕获，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已经销毁则进入销毁流程
        {
            disposed = true;
        }
        else
        {
            _disposables ??= new List<object>();
            _disposables.Add(service);
        }
    }
    // Don't run customer code under the lock
    if (disposed) // 这表示我们在试图捕获可销毁服务时，scope就已经被销毁
    {
        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();
        }
        // 这种case会抛出一个ObjectDisposedException
        ThrowHelper.ThrowObjectDisposedException();
    }
    return service;
}

在engine scope销毁时，其作用域中所有scope生命周期且实现了disposable的服务（其实就是_disposable）呢，也会被一同的销毁。

public ValueTask DisposeAsync()
{
    List<object>? toDispose = BeginDispose(); // 获取_disposable
    if (toDispose != null)
    {
        // 从后往前，依次销毁服务
    }
}

那么有同学可能就要问了：单例实例既然不存在root scope中，而是单独丢到了调用点上，那他是咋销毁的？压根没看到啊，那不得泄露了？

其实呀，同学们并不用担心这个问题。首先，单例服务的实例确实是缓存在调用点上，但 disable 服务仍然会被 scope 捕获呀（在下文会详细介绍）。在 BeginDispose 中的，我们会去判断，如果是 singleton case，且root scope 没有被销毁过，我们会主动去销毁喔~

if (IsRootScope && !RootProvider.IsDisposed()) RootProvider.Dispose();

1.3 ServiceCallSite

ServiceCallSite 的主要职责是封装服务解析的逻辑，它可以代表一个构造函数调用、属性注入、工厂方法调用等。DI系统使用这个抽象来表示服务的各种解析策略，并且可以通过它来生成服务实例。

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 定义了我们如何缓存解析后的结果

public CallSiteResultCacheLocation Location { get; set; } // 缓存位置
public ServiceCacheKey Key { get; set; } // 服务key（键化服务用的）

CallSiteResultCacheLocation 是一个枚举，定义了几个值

Root：表示服务实例应该在根级别的 IServiceProvider 中缓存。这通常意味着服务实例是单例的（Singleton），在整个应用程序的生命周期内只会创建一次，并且在所有请求中共享。
Scope：表示服务实例应该在当前作用域（Scope）中缓存。对于作用域服务（Scoped），实例会在每个作用域中创建一次，并在该作用域内的所有请求中共享。
Dispose：尽管这个名称可能会让人误解，但在 ResultCache 的上下文中，Dispose 表示着服务是瞬态的（每次请求都创建新实例）。
None：表示没有缓存服务实例。

ServiceCacheKey 结构体就是包了一下服务标识符和一个slot，用于适配多实现的

internal readonly struct ServiceCacheKey : IEquatable<ServiceCacheKey>
{
    public ServiceIdentifier ServiceIdentifier { get; }
    public int Slot { get; } // 那最后一个实现的slot是0
}

1.3.2 CallSiteFactory.GetCallSite

那我们来看看调用点是怎么创建的吧，其实上面已经出现过一次了：

private ServiceCallSite? CreateCallSite(ServiceIdentifier serviceIdentifier, CallSiteChain callSiteChain)
{
    if (!_stackGuard.TryEnterOnCurrentStack()) // 防止栈溢出
    {
        return _stackGuard.RunOnEmptyStack(CreateCallSite, serviceIdentifier, callSiteChain);
    }
    // 获取服务标识符对应的锁，以确保在创建调用点时的线程安全。
    // 是为了保证并行解析下的调用点也只会被创建一次，例如：
    // C -> D -> A
    // E -> D -> A
    var callsiteLock = _callSiteLocks.GetOrAdd(serviceIdentifier, static _ => new object());
    lock (callsiteLock)
    {
        // 检查当前服务标识符是否会导致循环依赖
        callSiteChain.CheckCircularDependency(serviceIdentifier);
        // 首先尝试创建精确匹配的服务调用站点，如果失败，则尝试创建开放泛型服务调用站点，如果还是失败，则尝试创建枚举服务调用站点。如果所有尝试都失败了，callSite将为null。
        ServiceCallSite? callSite = TryCreateExact(serviceIdentifier, callSiteChain) ??
                                   TryCreateOpenGeneric(serviceIdentifier, callSiteChain) ??
                                   TryCreateEnumerable(serviceIdentifier, callSiteChain);
        return callSite;
    }
}

那服务点的创建过程我就简单概述一下啦

查找调用点缓存，存在就直接返回啦
服务标识符会被转成服务描述符 ServiceDescriptor （key化服务不指定key默认取last）
计算ServiceCallSite，依次是：TryCreateExact
计算 ResultCache

如果已经有实现实例了，则返回 ConstantCallSite：表示直接返回已经创建的实例的调用点。

如果有实现工厂，则返回 FactoryCallSite：表示通过工厂方法创建服务实例的调用点。

如果有实现类型，则返回 ConstructorCallSite：表示通过构造函数创建服务实例的调用点。
TryCreateOpenGeneric
根据泛型定义获取服务描述符 ServiceDescriptor

计算 ResultCache

使用服务标识符中的具体泛型参数来构造实现的闭合类型

AOT兼容性测试（因为不能保证值类型泛型的代码已经生成）

如果成功闭合，则返回 ConstructorCallSite：表示通过构造函数创建服务实例的调用点。
TryCreateEnumerable
确定类型是 IEnumerable<T>

AOT兼容性测试（因为不能保证值类型数组的代码已经生成）

如果 T 不是泛型类型，并且可以找到对应的服务描述符集合，则循环 TryCreateExact

否则，方向循环 TryCreateExact，然后方向循环 TryCreateOpenGeneric

1.4 CallSiteVisitor

好了，有了上面的了解我们可以开始探索服务解析的内幕了。服务解析说白了就是引擎围着 CallSiteVisitor 转圈圈，所谓的解析服务，其实就是访问调用点了。

protected virtual TResult VisitCallSite(ServiceCallSite callSite, TArgument argument)
{
    if (!_stackGuard.TryEnterOnCurrentStack()) // 一些校验，分栈啥的
    {
        return _stackGuard.RunOnEmptyStack(VisitCallSite, callSite, argument);
    }
    switch (callSite.Cache.Location)
    {
        case CallSiteResultCacheLocation.Root: // 单例
            return VisitRootCache(callSite, argument);
        case CallSiteResultCacheLocation.Scope: // 作用域
            return VisitScopeCache(callSite, argument);
        case CallSiteResultCacheLocation.Dispose: // 瞬态
            return VisitDisposeCache(callSite, argument);
        case CallSiteResultCacheLocation.None: // 不缓存（ConstantCallSite）
            return VisitNoCache(callSite, argument);
        default:
            throw new ArgumentOutOfRangeException();
    }
}

为了方便展示，我们这里的解析器都拿运行时来说，因为内部是反射，而emit、expression实在是难以观看。

1.4.1 VisitRootCache

那我们来看看单例的情况下，是如何访问的：

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;
    // 单例都是直接放根作用域的
    ServiceProviderEngineScope serviceProviderEngine = context.Scope.RootProvider.Root;
    lock (callSite)
    {
        // 这里搞了个双检锁来确保在多线程环境中，同一时间只有一个线程可以执行接下来的代码块。
        // 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
        });
        // 捕获可销毁的服务
        serviceProviderEngine.CaptureDisposable(resolved);
        // 缓存解析结果到调用点上
        callSite.Value = resolved;
        return resolved;
    }
}

好，可以看到真正解析调用点的主角出来了 VisitCallSiteMain，那这里的 CallSiteKind 上面计算 ServiceCallSite 时呢已经讲的很清楚啦，咱对号入座就行了

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()));
    }
}

我们就看看最经典的通过构造函数创建服务实例的调用点 ConstructorCallSite，很显然就是new嘛，只不过可能构造中依赖其它服务，那就递归创建呗。easy，其它几种太简单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++)
        {
            // 递归构建依赖的服务
            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

在访问单例缓存的时候呢，仅仅通过了一个double check lock就搞定了，因为人家全局的嘛，咱再来看看访问作用域缓存，会不会有什么不一样

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，上来就来检查我们是否是 root scope。如果是这种case呢，则走 VisitRootCache。但是奇怪啊，为什么访问 scope cache，所在 engine scope 能是 root scope？

还记得 ServiceProvider 获取的服务实例的核心方法吗？engine scope 他是传进来的，如果我们给一个 root scope，自然就出现的这种case，只是这种 case 特别罕见。

internal object? GetService(ServiceIdentifier serviceIdentifier, ServiceProviderEngineScope serviceProviderEngineScope)

VisitCache 的同步模型写的实在是酷，我们看 RuntimeResolverLock 的枚举就两个：Scope = 1 和 Root = 2

AcquiredLocks=Scope时
那 AcquiredLocks&false==0 显然成立，申请锁，也就是尝试独占改作用域的ResolvedServices
申请成功进入同步块，重新计算AcquiredLocks|true=1
如此，在该engine scope 中这条链路上的调用点都被占有，直到结束
AcquiredLocks=Root 时
- 那显然 engine scope 也应该是 root scope，那么走 VisitRootCache case
- 在 VisitRootCache 通过DCL锁住 root scope 上链路涉及的服务点，直至结束

至此我们应该不难看出这个设计的精妙之处，即在非 root scope（scope生命周期）中，scope之间是互相隔离的，没有必要像 root scope（singleton生命周期）那样，在所有scope中独占服务点。

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服务的解析结果是放在engine scope的ResolvedServices上的，而非调用点
        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

我们看最后一个，也就是 Transient case

protected override object? VisitDisposeCache(ServiceCallSite transientCallSite, RuntimeResolverContext context)
{
    return context.Scope.CaptureDisposable(VisitCallSiteMain(transientCallSite, context));
}

异常的简单，我们沿用了scope的设计，但是我们没有进行任何缓存行为。即，每次都去访问调用点。

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