Google Android Architecture Component
作者：国风
Architecture Components 是在 2017 年 Google I/O 大会上，推出的一个构建 Android 应用架构的库。旨在为已经掌握开发 APP 基础的人员在构建鲁棒，高质量的 APP 方面提供最佳实践。
1. 开发者常见的问题
大部分传统桌面应用都是有一个固定的桌面启动入口，在独立的进程运行，很少与其他应用交互。多应用通过用户桌面进行切换，已经是高生产力的PC 使用标准。与之相反的是，移动端的应用结构更加复杂。典型的 Android APP 由 Activity, Service, BroadcastReceivers, ContentProviders, Fragment等系统组件构成，并且在固定的配置文件中声明组件以及组件交互协议。一个手机终端同时只能展示一个 APP(画中画、多窗口除外)，用户能够在APP 之间无缝互相调用切换，而不会感觉到明显差异。
特别值得注意的是，移动端设备往往在内存，处理器等方面是受限的，所以任何时候，系统都有可能回收一些后台 APP，为其他 APP 腾出空间。所以 APP 所使用的系统组件通常声明周期十分短暂，并且受系统控制。所以不能在系统组件中保存任何状态，而且组件之间尽量减少依赖，以保证 APP 正常运行。
以上限制导致了 APP 开发中经常出现各种违背生命周期的操作，引起 APP crash。为了解决上述问题，Google 推出了 Architecture Components 组件，以辅助开发者开发更加稳定的 APP。
2. 开发原则
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分离关注点：不要把所有的代码逻辑全部写到 Activity 或者 Fragment 里面。任何和 UI 操作无关的代码，应该单独抽离出来，保证 Activty、Fragment 尽可能的瘦，因为他们只是系统用来和 APP 进行通信的组件，由系统控制。系统可以在任何时候回收，比如用户操作或者系统内存不足。
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通过 model 模型驱动 UI（持久化模型），如果模型能够持久化，就算系统回收杀死 APP 或者网络不好，用户也能继续使用。模型主要用来处理 APP 数据，保证 UI 尽可能简单，而且具备良好的可测试性和可维护性。
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总体架构图如下：
3. 使用架构组件
本文参考 Google Developer 官方例子进行说明： Demo github 地址 假设我们正在构建一个显示用户个人信息的 UI。用户的个人信息将使用 REST API 从我们自己的私有后端获取。
3.1 构建用户界面
UI 包含一个 fragment 文件 UserProfileFragment.java 和其布局文件 user_profile_layout.xml。 为了驱动 UI，数据模型需要持有两个数据元素。 用户名称 ：用户的标识符。最好使用 fragment 的参数将用户 name 传到 fragment 中。如果 Android OS 销毁进程，该 name 将会被保存，以便下次应用重启时该 name 可用。 用户对象：保存用户数据的普通 Java 对象（POJO）。
我们将会基于 ViewModel 来创建一个 UserProfileViewModel 来保存这些信息。 为指定的 UI 组件（如：fragment 或 activity）提供数据，并且负责与数据处理的业务部分的交互，例如：调用其它组件获取数据或转发用户的操作。ViewModel 对于 View 并不了解并且不受配置改变（如：由于旋转导致 activity 的重新创建）的影响。ViewModel 能够存活的声明周期如下:
通过 ViewModel 获取数据替代了传统的 Loader 模式：
现在有 3 个文件
user_profile.xml：屏幕上的 UI 定义。
UserProfileViewModel.java：为 UI 准备数据的类。
UserProfileFragment.java：用于在 ViewModel 中显示数据并对用户交互做出反应的 UI 控制器。
下面是我们的初始实现（简单起见省略布局文件）：
public class UserProfileViewModel extends ViewModel {
private String userId;
private User user;
public void init(String userId) {
this.userId = userId;
}
public User getUser() {
return user;
}
}
public class UserProfileFragment extends LifecycleFragment {
private static final String UID_KEY = "uid";
private UserProfileViewModel viewModel;
@Override
public void onActivityCreated(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
super.onActivityCreated(savedInstanceState);
String userId = getArguments().getString(UID_KEY);
viewModel = ViewModelProviders.of(this).get(UserProfileViewModel.class);
viewModel.init(userId);
}
@Override
public View onCreateView(LayoutInflater inflater,
@Nullable ViewGroup container, @Nullable Bundle savedInstanceState) {
return inflater.inflate(R.layout.user_profile, container, false);
}
}
注：上面的例子继承了 LifecycleFragment 而不是 Fragment 类。在 Architecture Components 中的生命周期 API 稳定后， Android 支持包中的 Fragment 类将会实现 LifecycleOwner 接口。
现在我们有了 3 个代码模块，怎样连接它们？最后，当 ViewModel 的用户字段被设置时，需要一种方式来通知 UI。这正是 LiveData 的用武之地。
LiveData 是一个可观察的数据持有者。它允许应用程序中的组件观察 LiveData进行改变，而不会在组件之间创建显示的，固定的依赖。另外，LiveData 还遵守应用程序组件（如：activity，fragment，service）的生命周期状态，并且防止对象泄漏使应用不会消耗更多的内存。 其生命周期与状态对应关系如下图:
注：如果你已经再使用像 RxJava 或 Agera 的库，你可以继续使用它们而不用换成 LiveData。但是当使用它们或其它的方式时，请确保正确处理生命周期，如：当相关 LifecycleOwner 停止时暂停数据流或在 LifecycleOwner 被销毁时销毁数据流。可以添加 android.arch.lifecycle:reactivestreams 工具，和其它的响应流库（如：RxJava2）一起使用 LiveData。
将 UserProfileViewModel 中的 User 字段替换为 LiveData
public class UserProfileViewModel extends ViewModel {
// private User user;
private LiveData<User> user;
public LiveData<User> getUser() {
return user;
}
}
修改 UserprofileFragment 来观察数据并更新 UI。
@Override
public void onActivityCreated(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
super.onActivityCreated(savedInstanceState);
viewModel.getUser().observe(this, user -> {
// 更新 UI
});
}
每次更新用户数据时，将会调用 onChange 回调并且更新 UI。
如果你熟悉其它库的可观察回调的使用，可能已经意识到我们没有重写 fragment 的 onStop() 方法来停止观察数据。这对于 LiveData 来说是不必要的，因为 LiveData 是证明周期感知的，这意味着除非 fragment 处于活动状态（收到了 onStart() 但还没有收到 onStop()），否则它不会调用回调。当 fragment 收到 onDestroy() 时 LiveData 会自动移除观察者。
我们没有做任何事情来特别是处理配置的变化（如：用户旋转屏幕）。当配置发生变化时 ViewModel 将会自动恢复，所以，只要新的 fragment 启动，它将会收到属于 ViewModel 的相同实例，并且使用最新的数据立即调用回调。这就是为什么 ViewModel 不应该直接引用 View，ViewModel 可能存活的比 View 的生命周期长。请参阅 ViewModel 的生命周期。
3.2 获取数据
我们已经将 ViewModel 链接到了 fragment，但是 ViewModel 怎样获取数据呢？这个例子中，假设我们的后端提供了一个 REST API。我们将会使用 Retrofit 库来访问后端，你也可以自由的使用其它库来达到同样的目的。
这是 retrofit 的 Webservice 类，用于和后端通讯：
public interface Webservice {
/**
* @GET declares an HTTP GET request
* @Path("user") annotation on the userId parameter marks it as a
* replacement for the {user} placeholder in the @GET path
*/
@GET("/users/{user}")
Call<User> getUser(@Path("user") String userId);
}
一个简单的 ViewModel 实现可以直接调用 Webservice 获取数据并将其分配给用户对象。即使这样可以使用，但是应用程序将会随着增长而难以维护。将太多的职责交给 ViewModel 这违反了我们前面提到的关注点分离的原则。此外，ViewModel 的作用域依赖于 Activity 或 Fragment 的生命周期，因此在 Activity 或 Fragment 的生命周期结束时丢失所有的数据是一种不好的用户体验。故而，我们的 ViewModel 将把这项工作委托给一个新的 Repository 模块。
Repository模块负责处理数据操作。它们为应用程序的其它部分提供了一个干净的 API。它们知道在数据更新时从哪里获取数据和调用哪些 API。可以将其视为不同数据源（持久化模型，Web 服务，缓存等）之间的中间层。
下面的 UserRepository 类使用 WebService 来获取用户数据。
public class UserRepository {
private Webservice webservice;
// ...
public LiveData<User> getUser(int userId) {
// 这是最佳的实现，下面会有解释
final MutableLiveData<User> data = new MutableLiveData<>();
webservice.getUser(userId).enqueue(new Callback<User>() {
@Override
public void onResponse(Call<User> call, Response<User> response) {
// 为了简单起见省略错误的情况
data.setValue(response.body());
}
});
return data;
}
}
虽然 Repository 模块看起来是不必要的，但是它起着一个重要的作用；它抽象了应用程序其它部分的数据源。现在 ViewModel 不知道数据是由 Webservice 获取的，这意味着可以根据需求将其切换为其它实现。
注：为了简单起见，我们忽略了网络错误的情况。有关于暴露错误和加载状态的可选实现方式，请参阅附录：暴露网络状态。
3.3 管理组件之间的依赖
上面的 UserRepository 类需要一个 Webservice 的实例来完成其工作。可以简单的创建 Webservice，但是这需要知道 Webservice 的依赖来构造它。这将会显著的使代码复杂和重复（例如：需要 Webservice 实例的每个类都需要知道如何使用它的依赖来构造它）。另外，UserRepostory 可能不是唯一需要 Webservice 的类。如果每个类都创建一个新的 Webservice，这将会造成非常大的资源负担。
有两种模式可以解决这个问题：
依赖注入：依赖注入允许类定义其依赖而不构造它们。在运行时，另一个类负责提供这些依赖。推荐使用 Google 的 Dagger 2 库在 Android 应用中实现依赖注入。Dagger 2 通过遍历依赖关系树自动构建对象并为依赖提供编译时保障。
服务定位：服务定位提供了一个注册表，类可以从中获取它们的依赖关系，而不是构造它们。与依赖注入（DI）相比，服务定位实现起来相对容易，所以如果不熟悉 DI，请使用服务定位代替。
这些模式允许你扩展代码，因为它们提供清晰的模式来管理依赖关系，而不会重复代码或增加复杂性。两者都允许替换实现进行测试；这是使用它们的主要好处之一。
在这个例子中，我们将使用 Dagger 2 来管理依赖。
连接 ViewModel 和 Repository 修改 UserProfileViewModel 以使用 Repository。
public class UserProfileViewModel extends ViewModel {
private LiveData<User> user;
private UserRepository userRepo;
@Inject // UserRepository 参数由 Dagger 2 提供
public UserProfileViewModel(UserRepository userRepo) {
this.userRepo = userRepo;
}
public void init(String userId) {
if (this.user != null) {
// ViewModel 是由 Fragment 创建的
// 所以我们知道 userId 不会改变
return;
}
user = userRepo.getUser(userId);
}
public LiveData<User> getUser() {
return this.user;
}
}
3.4 缓存数据
上述 Repository 的实现对于抽象调用 Web 服务是很好的，但是因为它仅依赖于一个数据源所以不是很实用。
上述 UserRepository 的实现的问题是在获取到数据之后没有把数据保存下来。如果用户离开 UserProfileFragment 然后返回回来，应用将会重新获取数据。这样是很不好的，原因有两个：一是浪费了宝贵的网络带宽；二是迫使用户等待新的查询完成。为了解决这个问题，我们将在 UserRepository 中添加一个新的数据源，用以在内存中缓存 User 对象。
@Singleton // 告诉 Dagger 这个类只应该构造一次
public class UserRepository {
private Webservice webservice;
// 简单的内存缓存，为了简单忽略相关细节
private UserCache userCache;
public LiveData<User> getUser(String userId) {
LiveData<User> cached = userCache.get(userId);
if (cached != null) {
return cached;
}
final MutableLiveData<User> data = new MutableLiveData<>();
userCache.put(userId, data);
// 这还不是最好的但比以前的好。
// 一个完整的实现必须处理错误的情况。
webservice.getUser(userId).enqueue(new Callback<User>() {
@Override
public void onResponse(Call<User> call, Response<User> response) {
data.setValue(response.body());
}
});
return data;
}
}
3.5 持久化数据
在当前的实现中，如果用户旋转屏幕或离开并返回应用，已存在的 UI 将会立即可见，因为 Repository 从内存缓存中取回数据。但是，如果用户离开应用并在几个小时后（Android OS 已经杀死进程后）返回又会发生什么？
如果是目前的实现，将会需要再次从网络获取数据。这不仅是一个不好的用户体验，并且也是浪费，因为这将会使用移动数据重新获取同样的数据。可以通过缓存 Web 请求来简单的解决这个问题，但是这会导致新的问题。如果相同的用户数据来自另一种请求并显示（例如：获取朋友列表）将会怎样？这时应用会显示不一致的数据，这是最令人困惑的用户体验。例如：相同用户的数据可能会显示的不同，因为朋友列表的请求和用户个人信息的请求可能会在不同的时间执行。应用程序需要合并它们以避免显示不一致的数据。
解决这个问题的正确方法是使用持久化模型。这就是持久化库 Room 的用武之地了。Room 是一个以最少的样板代码提供本地数据持久化的对象映射库。在编译时，它会根据模式验证每个查询，所以损坏的 SQL 查询只会导致编译时错误，而不是运行时崩溃。Room 抽象出一些使用原始 SQL 表查询的底层实现细节。它还允许观察数据库数据（包括集合和连接查询）的变化，并通过 LiveData 对象暴露这些变化。另外，它明确定义了线程约束以解决常见问题（如在主线程访问存储）。
注：如果你熟悉其它的持久化解决方案，如：SQLite ORM 或像 Realm 等其他的数据库，你不需要用更换为 Room，除非 Room 的功能对你的用例更加适用。
使用 Room，需要定义我们的局部模式。首先，用 @Entity 注释 User 类，将其标记为数据库中的一个表。
@Entity
class User {
@PrimaryKey
private int id;
private String name;
private String lastName;
// 字段的 get 和 set 方法
}
然后，通过继承 RoomDatabase 为应用创建一个数据库。
@Database(entities = {User.class}, version = 1)
public abstract class MyDatabase extends RoomDatabase {
}
请注意，MyDatabase 是抽象类，Room 会自动提供其实现类。详细信息请参阅 Room 的文档。
现在需要一种方法来将用户数据插入数据库。为此，我们将创建一个数据库访问对象（ DAO ）。
@Dao
public interface UserDao {
@Insert(onConflict = REPLACE)
void save(User user);
@Query("SELECT * FROM user WHERE id = :userId")
LiveData<User> load(String userId);
}
然后，在数据库类中引用 DAO。
@Database(entities = {User.class}, version = 1)
public abstract class MyDatabase extends RoomDatabase {
public abstract UserDao userDao();
}
请注意，load 方法的返回值是 LiveData
注：从 alpha 1 版本开始，Room 基于表修改的检查无效，这意味着它可能会发送错误的通知。
现在修改 UserRepository 来整合 Room 的数据源。
@Singleton
public class UserRepository {
private final Webservice webservice;
private final UserDao userDao;
private final Executor executor;
@Inject
public UserRepository(Webservice webservice, UserDao userDao, Executor executor) {
this.webservice = webservice;
this.userDao = userDao;
this.executor = executor;
}
public LiveData<User> getUser(String userId) {
refreshUser(userId);
// 直接从数据库返回一个 LiveData。
return userDao.load(userId);
}
private void refreshUser(final String userId) {
executor.execute(() -> {
// 在后台线程中运行
// 检查最近是否获取过 user
boolean userExists = userDao.hasUser(FRESH_TIMEOUT);
if (!userExists) {
// 刷新数据
Response response = webservice.getUser(userId).execute();
// TODO 检查错误等。
// 更新数据库。LiveData 将会自动刷新
// 所以除了更新数据库外不需要任何操作。
userDao.save(response.body());
}
});
}
}
请注意，即使我们更改了 UserRepository 中的数据来源，我们也不需要更改 UserProfileViewModel 或 UserProfileFragment。这是抽象带来的灵活性。这样也非常易于测试，因为在测试 UserProfileViewModel 可以提供一个假的 UserRepository。
现在我们的代码是完整的，如果用户日后再回到相同的 UI，他们会立即看到用户信息，因为我们已经将其持久化了。同时，如果数据过期，Repository 将会在后台更新数据。当然，根据你的用例，如果持久化的数据太旧你可能不希望显示它们。
在一些用例中，如下拉刷新，在进行网络操作时显示用户数据对于 UI 来说非常重要。将 UI 操作从实际数据中分离是一个很好的做法，因为其可能由于各种原因而被更新（例如：如果获取一个朋友列表，可能会再次获取到相同的 user 并触发 LiveData
这种用例有两种常见的解决方案：
更改 getUser 以返回包含网络操作状态的 LiveData。在附录：暴露网络状态部分提供了一个实现例子。
在 Repository 类中提供一个可以返回 User 刷新状态的公共方法。如果只是为了响应明确的用户操作而在 UI 中显示网络状态（如：下拉刷新），则这种方式是更好的选择。
3.6 单一数据源
不同的 REST API 接口返回相同的数据是很常见的。例如，如果后端有另一个返回朋友列表的接口，相同的用户对象（也许是不同的粒度）可能来自两个不同的 API 接口。如果 UserRepository 把从 Webservice 请求获取到的响应原样返回，码么 UI 可能会显示不一致的数据，因为在这些请求之间数据可能在服务端发生了改变。这就是为什么在 UserRepository 的实现中 Web 服务的回调只是将数据保存到了数据库。然后，对数据库的更改将会触发处于活动状态的 LiveData 对象上的回调。
在这个模型中，数据库服务作为单一数据源，应用程序的其它部分通过 Repository 来访问它。无论是否是否磁盘缓存，建议 Repository 指定一个数据源作为应用程序其它部分的单一数据源。
4. 测试
我们已经提到分离的好处之一是可测试性。让我们看看如何测试每个代码模块。
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用户界面或用户交互：这将是唯一一次需要 Android UI Instrumentation test。测试 UI 代码的最佳方式是创建一个 Espresso 测试。可以创建一个 fragment 并为其提供一个模拟的 ViewModel。因为 fragment 只和 ViewModel 交互，随意模拟 ViewModel 足以完全测是 UI。
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ViewModel：可以使用 JUnit test 来测试 ViewModel。只需要模拟 UserRepository 来测试它。
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UserRepository：也可以使用 JUnit test 来测试 UserRepository。需要模拟 Webservice 和 DAO。可以测试 UserRepository 是否进行了正确的 Web 服务调用，将结构保存到数据库，如果数据被缓存且是最新的，则不会发起任何不必要的请求。因为 WebService 和 UserDao 都是接口，所以可以模拟它们或者为更复杂的测试用例创建假的实现。
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UserDao：推荐使用 Instrumentation 测试的方式测试 DAO 类。因为 Instrumentation 测试不需要任何 UI，它们会运行的很快。对于每个测试，可以创建一个内存数据库以确保测试没有任何副作用（例如：改变磁盘上的数据库文件）。
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Room 还允许指定数据库实现，所以可以通过向其提供 SupportSQLiteOpenHelper 的 JUnit 实现来测试它。通常不推荐这种方式，因为设备上运行的 SQLite 版本可能和主机上的 SQLite 版本不同。
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Webservice：重点是使测试相对于外部独立，所以 Webservice 的测试要避免通过网络调用后端。有许多库可以帮助完成该测试。例如：MockWebServer 是一个很好的库，可以帮助为测试创建一个假的本地服务。
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测试工件架构组件提供了一个 maven 工件来控制其后台线程。在 android.arch.core:core-testing 工件中，有两个 JUnit 规则：
InstantTaskExecutorRule：该规则可用于强制架构组件立即执行调用线程上的任何后台操作。
CountingTaskExecutorRule：该规则可用于 Instrumentation 测试，以等待架构组件的后台操作，或将其连接到 Espresso 作为闲置资源。
5. 总结
Android Architecture Component 架构指南给我们 APP开发提供了很好的参考，通过使用标准架构组件，能够是我们的 APP 更加健壮、可测试、可维护。Demo 中暂时未添加 Dagger2，保证 Demo 简洁，能够对整体架构组件有一个清晰的认识。但是仅仅使用这些组件是不够的，后续还有一篇 Android Clean Architecture 将专注于 APP 架构分离，掌握了这两个知识点，相信应该能够胜任一般 APP 框架搭建和业务开发。