C#.NET 依赖注入详解

简介

在 C#.NET 中，依赖注入（Dependency Injection，简称 DI） 是一种设计模式，用于实现控制反转（Inversion of Control，IoC），以降低代码耦合、提高可测试性和可维护性。

依赖注入是将一个对象的依赖（即它所需的其他对象或服务）通过外部提供（注入）的方式传递给它，而不是由对象自身创建或查找依赖。

其核心思想是将对象的创建和依赖管理交给容器（IoC 容器），从而解耦代码。DI 是现代 .NET 开发（尤其是 ASP.NET Core）的核心特性之一，广泛应用于企业级应用。

• 传统模式（紧耦合）：

public class UserService {
    private readonly DbContext _dbContext = new SqlDbContext(); // 直接创建依赖
    public void SaveUser(User user) { _dbContext.Save(user); }
}

• 依赖注入模式（松耦合）：

public class UserService {
    private readonly DbContext _dbContext;
    // 依赖通过构造函数注入
    public UserService(DbContext dbContext) { _dbContext = dbContext; }
    public void SaveUser(User user) { _dbContext.Save(user); }
}

NET DI 的核心实现机制

依赖注入（DI）三种形式

• 构造函数注入（Constructor Injection）——最常用，依赖通过构造器参数传入。
• 属性注入（Property Injection）——容器通过公有可写属性注入依赖。
• 方法注入（Method Injection）——依赖作为某个方法的参数，由容器在调用时提供。

// 三种注入方式示例
public class SampleService {
    // 构造函数注入（必须依赖）
    private readonly ILogger _logger;
    public SampleService(ILogger logger) { _logger = logger; }
    
    // 属性注入（可选依赖）
    public ICache Cache { get; set; }
    
    // 方法注入（临时依赖）
    public void ProcessData(IDataProcessor processor) {
        processor.Process();
    }
}

IServiceProvider 与 ServiceCollection

.NET 从 Core 3.0 开始内置依赖注入框架，核心组件包括：

• IServiceCollection：用于注册服务的接口
• IServiceProvider：用于解析服务的接口
• ServiceLifetime：定义服务的生命周期

服务生命周期（Service Lifetime）

生命周期	实例作用域	典型场景
Transient	每次从容器解析（或每次注入）都会创建新实例	无状态、轻量、并发安全；如邮件发送、日志记录
Scoped	在同一个作用域（Scope）内重用，通常对应 HTTP 请求	Web 请求中同一 DbContext、同一事务
Singleton	容器生命周期内仅创建一次，所有请求共享同一实例	配置、缓存、跨请求共享的服务

// 注册示例（Startup.cs 或 Program.cs）
services.AddSingleton();         // 单例
services.AddScoped();            // 作用域
services.AddTransient(); // 瞬时

// 配置选项模式
builder.Services.Configure(builder.Configuration.GetSection("Email"));

DI 容器工作流程（RRR 原则）

注册Register->解析Resolve->释放Release

• 注册：在启动时配置服务与实现的映射（如 services.AddScoped()）
• 解析：容器自动构建依赖树，按需创建实例（递归解析构造函数参数）
• 释放：对实现了 IDisposable 的服务，容器自动调用 Dispose()（作用域结束时释放作用域服务）

注入方式

构造函数注入

public class UserService : IUserService
{
    private readonly IUserRepository _repo;
    private readonly IEmailSender _email;

    public UserService(IUserRepository repo, IEmailSender email)
    {
        _repo   = repo;
        _email  = email;
    }
    // …
}

• 优点：依赖清晰、强制性高，易于单元测试。
• 缺点：参数过多时构造函数臃肿，可考虑组合参数对象或拆分职责。

属性注入

public class ReportGenerator
{
    [Inject]  // 或容器约定：仅对 public 可写属性注入
    public ILogger Logger { get; set; }

    public void Generate() => Logger.Log("Report");
}

• 使用场景：当依赖为可选，或用在框架层（如 MVC Controller 中 [FromServices] 注入）。

方法注入

public class DataImporter
{
    public void Import([FromServices] IDataReader reader)
    {
        reader.Read();
    }
}

• 典型场景：ASP.NET Core 中的 Action 方法参数注入。

高级特性

工厂模式注册

services.AddTransient(sp =>
{
    var cfg = sp.GetRequiredService();
    return new SqlConnection(cfg.GetConnectionString("Default"));
});

// 注册工厂函数
services.AddTransient(provider => 
{
    var config = provider.GetRequiredService();
    return config["ServiceType"] == "A" 
        ? new ServiceA() 
        : new ServiceB();
});

• 在注册时通过 IServiceProvider 动态创建实例。

装饰器模式与拦截器一

// 注册日志装饰器
services.AddScoped(typeof(ILogger<>), typeof(LoggingDecorator<>));

services.AddScoped();
services.Decorate();
services.Decorate();

装饰器模式与拦截器二

public interface ICommandHandler
{
    void Handle(T command);
}

public class LoggingDecorator : ICommandHandler
{
    private readonly ICommandHandler _inner;
    private readonly ILogger _logger;

    public LoggingDecorator(ICommandHandler inner, ILogger> logger)
    {
        _inner = inner;
        _logger = logger;
    }

    public void Handle(T command)
    {
        _logger.LogInformation("Handling command");
        _inner.Handle(command);
    }
}

// 注册装饰器
builder.Services.AddScoped(typeof(ICommandHandler<>), typeof(LoggingDecorator<>));
builder.Services.AddScoped, MyCommandHandler>();

泛型与开放式泛型注册

services.AddScoped(typeof(IRepository<>), typeof(Repository<>));

// 使用
public class ProductService
{
    public ProductService(IRepository productRepo)
    {
        // ...
    }
}

• 支持同时注册一类类型的泛型接口与实现。

条件注册

根据环境或配置动态注册服务

if (builder.Environment.IsDevelopment())
{
    builder.Services.AddScoped();
}
else
{
    builder.Services.AddScoped();
}

多实现处理

// 注册多个实现
services.AddTransient();
services.AddTransient();
services.AddTransient();

// 注入所有实现
public class NotificationManager
{
    private readonly IEnumerable _services;
    
    public NotificationManager(IEnumerable services)
    {
        _services = services;
    }
    
    public void SendAll(string message)
    {
        foreach (var service in _services)
        {
            service.Send(message);
        }
    }
}

选项模式(Options Pattern)

// 配置类
public class EmailSettings
{
    public string Host { get; set; }
    public int Port { get; set; }
}

// 注册配置
services.Configure(Configuration.GetSection("Email"));

// 注入使用
public class EmailService
{
    private readonly EmailSettings _settings;
    
    public EmailService(IOptions options)
    {
        _settings = options.Value;
    }
}

服务覆盖

// 默认注册
services.AddScoped();

// 环境特定覆盖
if (env.IsDevelopment())
{
    services.AddScoped();
}

生命周期验证

// 在开发环境启用验证
if (builder.Environment.IsDevelopment())
{
    builder.Services.AddOptions().ValidateOnStart();
}

避免服务定位器反模式

反模式示例（直接通过 ServiceProvider 解析服务）

破坏单一职责原则，导致代码难以测试和维护

public class BadService {
    private readonly IServiceProvider _provider;
    public BadService(IServiceProvider provider) { _provider = provider; }
    public void DoWork() {
        var logger = _provider.GetService(); // 服务定位器反模式
        logger.Log("Work done");
    }
}

依赖注入与异步初始化

当服务需要异步初始化时（如数据库连接），可使用工厂模式

public class AsyncService : IAsyncService {
    private readonly HttpClient _httpClient;
    private bool _isInitialized = false;
    
    public AsyncService(HttpClient httpClient) {
        _httpClient = httpClient;
    }
    
    public async Task InitializeAsync() {
        if (!_isInitialized) {
            // 异步初始化逻辑
            await _httpClient.GetStringAsync("https://api.example.com/init");
            _isInitialized = true;
        }
    }
}

// 注册时使用工厂确保异步初始化
services.AddTransient(provider => {
    var service = new AsyncService(provider.GetRequiredService());
    _ = service.InitializeAsync(); // 非阻塞初始化
    return service;
});

性能优化

// 使用TryAdd防止重复注册
services.TryAddSingleton();

// 预编译服务提供者
var serviceProvider = services.BuildServiceProvider(
    new ServiceProviderOptions
    {
        ValidateScopes = true,
        ValidateOnBuild = true
    });

生命周期验证工具

// dotnet add package Microsoft.Extensions.DependencyInjection.Diagnostic
var analyzer = new DependencyInjectionDiagnosticAnalyzer();
analyzer.AnalyzeServices(builder.Services); // 检测生命周期冲突

异常处理

构造函数中检查依赖是否为 null

public MyService(IUserService userService)
{
    _userService = userService ?? throw new ArgumentNullException(nameof(userService));
}

模块化注册

将服务注册逻辑封装到扩展方法

public static class ServiceCollectionExtensions
{
    public static IServiceCollection AddMyServices(this IServiceCollection services)
    {
        services.AddScoped();
        return services;
    }
}

// 使用
builder.Services.AddMyServices();

依赖注入在 ASP.NET Core 中的应用

内置 DI 与中间件集成

// Program.cs 配置示例
var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);

// 注册服务
builder.Services.AddControllers();
builder.Services.AddDbContext(); // 自动使用Scoped生命周期
builder.Services.AddSingleton(builder.Configuration);

var app = builder.Build();

// 在中间件中使用依赖注入
app.Use(async (context, next) => {
    var logger = context.RequestServices.GetRequiredService>();
    logger.LogInformation("请求开始");
    await next();
    logger.LogInformation("请求结束");
});

控制器与依赖注入

ASP.NET Core 控制器自动支持构造函数注入

public class UserController : ControllerBase {
    private readonly IUserService _userService;
    private readonly ILogger _logger;
    
    public UserController(IUserService userService, ILogger logger) {
        _userService = userService;
        _logger = logger;
    }
    
    [HttpGet]
    public IActionResult GetAll() {
        var users = _userService.GetAll();
        _logger.LogInformation("获取用户列表");
        return Ok(users);
    }
}

典型 Web API 项目 示例

// 模型和接口
public record User(int Id, string Name);

public interface IUserRepository
{
    User GetUser(int id);
}

public interface IUserService
{
    string GetUserName(int id);
}

// 实现
public class UserRepository : IUserRepository
{
    public User GetUser(int id) => new User(id, $"User_{id}");
}

public class UserService : IUserService
{
    private readonly IUserRepository _repository;

    public UserService(IUserRepository repository)
    {
        _repository = repository;
    }

    public string GetUserName(int id) => _repository.GetUser(id).Name;
}

// 注册服务
builder.Services.AddScoped();
builder.Services.AddScoped();

// 控制器
public class UsersController : ControllerBase
{
    private readonly IUserService _userService;

    public UsersController(IUserService userService)
    {
        _userService = userService;
    }

    [HttpGet("{id}")]
    public IActionResult Get(int id)
    {
        return Ok(_userService.GetUserName(id));
    }
}

依赖注入的测试与调试

单元测试中的依赖注入

使用 Moq 等框架模拟依赖

[Test]
public void UserService_ShouldSaveUser() {
    // 1. 创建模拟依赖
    var mockRepo = new Mock();
    var mockLogger = new Mock>();
    
    // 2. 注入模拟对象
    var service = new UserService(mockRepo.Object, mockLogger.Object);
    
    // 3. 设置预期行为
    mockRepo.Setup(x => x.Save(It.IsAny())).Returns(true);
    
    // 4. 执行测试
    var result = service.Save(new User { Id = 1, Name = "Test" });
    
    // 5. 验证结果
    Assert.IsTrue(result);
    mockRepo.Verify(x => x.Save(It.IsAny()), Times.Once);
}

运行时依赖注入调试

使用 .NET 内置的 IServiceProvider 诊断工具

// 打印所有注册的服务
var serviceDescriptors = builder.Services
    .Where(sd => sd.ImplementationType != null)
    .Select(sd => $"{sd.Lifetime}: {sd.ServiceType.Name} -> {sd.ImplementationType.Name}");
foreach (var descriptor in serviceDescriptors) {
    Console.WriteLine(descriptor);
}

第三方容器集成

Autofac 集成

// 安装包: Autofac.Extensions.DependencyInjection
builder.Host.UseServiceProviderFactory(new AutofacServiceProviderFactory());

// 配置模块
builder.Host.ConfigureContainer(builder => 
{
    builder.RegisterModule();
});

DryIoc 集成

// 安装包: DryIoc.Microsoft.DependencyInjection
builder.Host.UseServiceProviderFactory(new DryIocServiceProviderFactory());

常见陷阱及解决方案

陷阱	现象	解决方案
生命周期不匹配	作用域服务注入单例服务	确保依赖的生命周期 <= 消费者
捕获依赖	单例服务持有瞬时服务引用	使用IServiceScopeFactory创建作用域
循环依赖	StackOverflow异常	重构设计，引入中介者模式
过多构造函数参数	类职责过重	应用领域驱动设计，拆分聚合