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一站式WPF--依赖属性（DependencyProperty）一

2015-05-19 12:01 399 查看

Windows Presentation Foundation (WPF) 提供了一组服务，这些服务可用于扩展公共语言运行时 (CLR) 属性的功能，这些服务通常统称为 WPF 属性系统。由 WPF 属性系统支持的属性称为依赖项属性。　　这段是MSDN上对依赖属性（DependencyProperty）的描述。主要介绍了两个方面，WPF中提供了可用于扩展CLR属性的服务；被这个服务支持的属性称为依赖属性。　　单看描述，云里雾里的，了解一个知识，首先要知道它产生的背景和为什么要有它，那么WPF引入依赖属性是为了解决什么问题呢？

从属性说起

　　属性是我们很熟悉的，封装类的字段，表示类的状态，编译后被转化为get_，set_方法，可以被类或结构等使用。一个常见的属性如下:

1: public class NormalObject

2: {

3:     private string _unUsedField;

4:

5:     private string _name;

6:     public string Name

7:     {

8:         get

9:         {

10:             return _name;

11:         }

12:         set

13:         {

14:             _name = value;

15:         }

16:     }

17: }

　　在面向对象的世界里，属性大量存在，比如Button，就大约定义了70-80个属性来描述其状态。那么属性的不足又在哪里呢？　　当然，所谓的不足，要针对具体环境来说。拿Button来讲，它的继承树是Button->ButtonBase->ContentControl->Control->FrameworkElement->UIElement->Visual->DependencyObject->…　　每次继承，父类的私有字段都被继承下来。当然，这个继承是有意思的，不过以Button来说，大多数属性并没有被修改，仍然保持着父类定义时的默认值。通常情况，在整个Button对象的生命周期里，也只有少部分属性被修改，大多数属性一直保持着初始值。每个字段，都需要占用4K等不等的内存，这里，就出现了期望可以优化的地方：因继承而带来的对象膨胀。每次继承，父类的字段都被继承，这样，继承树的低端对象不可避免的膨胀。

大多数字段并没有被修改，一直保持着构造时的默认值，可否把这些字段从对象中剥离开来，减少对象的体积。

依赖属性的原型

　　根据前面提出的需求，依赖属性就应运而生了。一个简单的依赖属性的原型如下：DependencyProperty:

1: public class DependencyProperty

2: {

3:     internal static Dictionary<object, DependencyProperty> RegisteredDps = new Dictionary<object, DependencyProperty>();

4:     internal string Name;

5:     internal object Value;

6:     internal object HashCode;

7:

8:     private DependencyProperty(string name, Type propertyName, Type ownerType, object defaultValue)

9:     {

10:         this.Name = name;

11:         this.Value = defaultValue;

12:         this.HashCode = name.GetHashCode() ^ ownerType.GetHashCode();

13:     }

14:

15:     public static DependencyProperty Register(string name, Type propertyType, Type ownerType, object defaultValue)

16:     {

17:         DependencyProperty dp = new DependencyProperty(name, propertyType, ownerType, defaultValue);

18:         RegisteredDps.Add(dp.HashCode, dp);

19:         return dp;

20:     }

21: }

22:

DependencyObject:

1: public class DependencyObject

2: {

3:     private string _unUsedField;

4:

5:     public static readonly DependencyProperty NameProperty =

6: DependencyProperty.Register("Name", typeof(string), typeof(DependencyObject), string.Empty);

7:

8:     public object GetValue(DependencyProperty dp)

9:     {

10:         return DependencyProperty.RegisteredDps[dp.HashCode].Value;

11:     }

12:

13:     public void SetValue(DependencyProperty dp, object value)

14:     {

15:         DependencyProperty.RegisteredDps[dp.HashCode].Value = value;

16:     }

17:

18:     public string Name

19:     {

20:         get

21:         {

22:             return (string)GetValue(NameProperty);

23:         }

24:         set

25:         {

26:             SetValue(NameProperty, value);

27:         }

28:     }

29: }

30:

　　这里，首先定义了依赖属性DependencyProperty，它里面存储前面我们提到希望抽出来的字段。DP内部维护了一个全局的Map用来储存所有的DP，对外暴露了一个Register方法用来注册新的DP。当然，为了保证在Map中键值唯一，注册时需要根据传入的名字和注册类的的HashCode取异或来生成Key。这里最关键的就是最后一个参数，设置了这个DP的默认值。　　然后定义了DependencyObject来使用DP。首先使用DependencyProperty.Register方法注册了一个新的DP（NameProperty)，然后提供了GetValue和SetValue两个方法来操作DP。最后，类似前面例子中的NormalObject，同样定义了一个属性Name，和NormalObject的区别是，实际的值不是用字段来保存在DependencyObject中的，而是保存在NameProperty这个DP中，通过GetValue和SetValue来完成属性的赋值取值操作。　　当然，作为一个例子，为了简洁，很多情况没有考虑，现在来测试一下是否解决了前面的问题。　　新建两个对象，NormalObject和DependencyObject，在VS下打开SOS查看：

.load sos
extension C:\WINDOWS\Microsoft.NET\Framework\v2.0.50727\sos.dll loaded
!DumpHeap -stat -type NormalObject
total 1 objects
Statistics:
MT    Count    TotalSize Class Name
009e30d0        1           16 DPDemonstration.NormalObject
Total 1 objects
!DumpHeap -stat -type DependencyObject
total 1 objects
Statistics:
MT    Count    TotalSize Class Name
009e31a0        1           12 DPDemonstration.DependencyObject
Total 1 objects

　　这里在对象中分别建立了一个_unUsedField的字段，.Net的GC要求对象的最小Size为12字节。如果对象的Size不足12字节，则会自动补齐。默认的Object对象占用8字节，Syncblk(4字节)以及TypeHandle（4字节），为了演示方便，加入了一个_unUsedField（4字节）来补齐。　　这里，DependencyObject相比NormalObject，减少了_name的储存空间4字节。

再进一步

　　万里长征第一步，这个想法可以解决我们希望的问题，这个做法还不能让人接受。在这个实现中，所有DependencyObject共用一个DP，这个可以理解，但修改一个对象的属性后，所有对象的属性相当于都被修改了，这个就太可笑了。　　所以对象属性一旦被修改，这个还是要维护在自己当中的，修改一下前面的DependencyObject，引入一个有效（Effective）的概念。改进的DependencyObject，加入了_effectiveValues:

1: public class DependencyObject

2: {

3:     private List<EffectiveValueEntry> _effectiveValues = new List<EffectiveValueEntry>();

4:

5:     public static readonly DependencyProperty NameProperty =

6: DependencyProperty.Register("Name", typeof(string), typeof(DependencyObject), string.Empty);

7:

8:     public object GetValue(DependencyProperty dp)

9:     {

10:         EffectiveValueEntry effectiveValue = _effectiveValues.FirstOrDefault((i) => i.PropertyIndex == dp.Index);

11:         if (effectiveValue.PropertyIndex != 0)

12:         {

13:             return effectiveValue.Value;

14:         }

15:         else

16:         {

17:             return DependencyProperty.RegisteredDps[dp.HashCode].Value;

18:         }

19:     }

20:

21:     public void SetValue(DependencyProperty dp, object value)

22:     {

23:         EffectiveValueEntry effectiveValue = _effectiveValues.FirstOrDefault((i) => i.PropertyIndex == dp.Index);

24:         if (effectiveValue.PropertyIndex != 0)

25:         {

26:             effectiveValue.Value = value;

27:         }

28:         else

29:         {

30:             effectiveValue = new EffectiveValueEntry() { PropertyIndex = dp.Index, Value = value };

31:             _effectiveValues.Add(effectiveValue);

32:         }

33:     }

34:

35:     public string Name

36:     {

37:         get

38:         {

39:             return (string)GetValue(NameProperty);

40:         }

41:         set

42:         {

43:             SetValue(NameProperty, value);

44:         }

45:     }

46: }

新引进的EffectiveValueEntry：

1: internal struct EffectiveValueEntry

2: {

3:     internal int PropertyIndex { get; set; }

4:

5:     internal object Value { get; set; }

6: }

改进的DependencyProperty，加入了ProperyIndex:

1: public class DependencyProperty

2: {

3:     private static int globalIndex = 0;

4:     internal static Dictionary<object, DependencyProperty> RegisteredDps = new Dictionary<object, DependencyProperty>();

5:     internal string Name;

6:     internal object Value;

7:     internal int Index;

8:     internal object HashCode;

9:

10:     private DependencyProperty(string name, Type propertyName, Type ownerType, object defaultValue)

11:     {

12:         this.Name = name;

13:         this.Value = defaultValue;

14:         this.HashCode = name.GetHashCode() ^ ownerType.GetHashCode();

15:     }

16:

17:     public static DependencyProperty Register(string name, Type propertyType, Type ownerType, object defaultValue)

18:     {

19:         DependencyProperty dp = new DependencyProperty(name, propertyType, ownerType, defaultValue);

20:         globalIndex++;

21:         dp.Index = globalIndex;

22:         RegisteredDps.Add(dp.HashCode, dp);

23:         return dp;

24:     }

25: }

　　在DependencyObject加入了一个_effectiveValues，就是把所有修改过的DP都保存在EffectiveValueEntry里，这样，就可以达到只保存修改的属性，未修改过的属性仍然读取DP的默认值，优化了属性的储存。

更进一步的发展

　　到目前为止，从属性到依赖属性的改造一切顺利。但随着实际的使用，又一个问题暴露出来了。使用继承，子类可以重写父类的字段，换句话说，这个默认值应该是可以子类化的。那么怎么处理，子类重新注册一个DP，传入新的默认值？　　当然，不会实现的这么丑陋。同一个DP，要想支持不同的默认值，那么内部就要维护一个对应不同DependencyObjectType的一个List，可以根据传入的DependencyObject的类型来读取它对应的默认值。　　DP内需要维护一个自描述的List，按照微软的命名规则，添加新的类型属性元数据（PropertyMetadata）：

1: public class PropertyMetadata

2: {

3:     public Type Type { get; set; }

4:     public object Value { get; set; }

5:

6:     public PropertyMetadata(object defaultValue)

7:     {

8:         this.Value = defaultValue;

9:     }

10: }

对应修改DependencyProperty

1: public class DependencyProperty

2: {

3:     private static int globalIndex = 0;

4:     internal static Dictionary<object, DependencyProperty> RegisteredDps = new Dictionary<object, DependencyProperty>();

5:     internal string Name;

6:     internal object Value;

7:     internal int Index;

8:     internal object HashCode;

9:     private List<PropertyMetadata> _metadataMap = new List<PropertyMetadata>();

10:     private PropertyMetadata _defaultMetadata;

11:

12:     private DependencyProperty(string name, Type propertyName, Type ownerType, object defaultValue)

13:     {

14:         this.Name = name;

15:         this.Value = defaultValue;

16:         this.HashCode = name.GetHashCode() ^ ownerType.GetHashCode();

17:

18:         PropertyMetadata metadata = new PropertyMetadata(defaultValue) { Type = ownerType };

19:         _metadataMap.Add(metadata);

20:         _defaultMetadata = metadata;

21:     }

22:

23:     public static DependencyProperty Register(string name, Type propertyType, Type ownerType, object defaultValue)

24:     {

25:         DependencyProperty dp = new DependencyProperty(name, propertyType, ownerType, defaultValue);

26:         globalIndex++;

27:         dp.Index = globalIndex;

28:         RegisteredDps.Add(dp.HashCode, dp);

29:         return dp;

30:     }

31:

32:     public void OverrideMetadata(Type forType, PropertyMetadata metadata)

33:     {

34:         metadata.Type = forType;

35:         _metadataMap.Add(metadata);

36:     }

37:

38:     public PropertyMetadata GetMetadata(Type type)

39:     {

40:         PropertyMetadata medatata = _metadataMap.FirstOrDefault((i) => i.Type == type) ??

41:             _metadataMap.FirstOrDefault((i) => type.IsSubclassOf(i.Type));

42:         if (medatata == null)

43:         {

44:             medatata = _defaultMetadata;

45:         }

46:         return medatata;

47:     }

48: }

修改DenpendencyObject中的GetValue并更改_effectiveValues，为了简洁去掉了NameProperty以及SetValue.

1: public class DependencyObject

2: {

3:    private List<EffectiveValueEntry> _effectiveValues = new List<EffectiveValueEntry>();

4:

5:    public object GetValue(DependencyProperty dp)

6:    {

7:        EffectiveValueEntry effectiveValue = _effectiveValues.FirstOrDefault((i) => i.PropertyIndex == dp.Index);

8:        if (effectiveValue.PropertyIndex != 0)

9:        {

10:            return effectiveValue.Value;

11:        }

12:        else

13:        {

14:            PropertyMetadata metadata;

15:            metadata = DependencyProperty.RegisteredDps[dp.HashCode].GetMetadata(this.GetType());

16:            return metadata.Value;

17:        }

18:    }

19: }

这样，就可以定义一个SubDependencyObject，调用OverrideMedata向DP的_metadataMap中加入新的Metadata。

1: public class SubDependencyObject : DependencyObject

2: {

3:     static SubDependencyObject()

4:     {

5:         NameProperty.OverrideMetadata(typeof(SubDependencyObject), new PropertyMetadata("SubName"));

6:     }

7: }

　　创建一个DependencyObject以及SubDependencyObject，可以发现，Name的值已经被改为”SubName”了。当然，实际DP中对Metadata的操作比较繁琐，当子类调用OverrideMetadata时会涉及到Merge操作，把新的Metadata与父类的合二为一。并且在GetMetadata中，要取得自己或者是与它最近的父类的Metadata，为了可以获得最近的父类，WPF引入了一个DependencyObjectType的类，在构造时传入BaseType=this.base.GetType()，这里为了简单，忽略不计。

WPF对依赖属性的扩展

　　前面的例子里，依据优化储存的思想，我们打造了一个DependencyProperty。当然，有了这样一门利器，不好好打磨打磨真是对不起它，WPF在这个基础上对DP进行了扩展，使其更加的强大。　　对通常的CLR属性来说，在Set中加入一些逻辑判断是很正常的，当然也可以在Set中发出一些事件或者更改其他一些属性。那么依赖属性，它对此又有什么支持呢？　　顺水推舟，WPF在DP的PropertyMedata中加入了PropertyChangedCallback以及CoerceValueCallback等。这些Delegate可以在构造PropertyMetadata时传入，在SetValue过程中，会取得对应的PropertyMetadata，然后回调PropertyChangedCallback。这个PropertyMetadata可以在构建DP时传入，也可以在子类调用OverrideMetadata时传入，这就保证了同一个DP不同的DependencyObject可以有不同的应用。WPF对此进行了很多扩展，定义了一套属性赋值的规则，包括计算（calculate）、限制（Coerce）、验证（Validate）等等。　　当然，这些扩展说开了会很多，WPF对此也进行了精巧的设计，这也就是我们开篇提到的WPF提供了一组服务，用于扩展CLR属性。

多属性值

　　发展都是由需求来推动的，在WPF的实现过程中，又产生了这样一个需要：　　WPF是原生支持动画的，一个DP属性，比如Button的Width，你可以加入动画使他在1秒内由100变为200，在动画结束后，又希望它能恢复原来的属性值。同理，你可以在XAML表达式中对属性进行赋值，当表达式失效时同样期望他恢复成原来的属性值。这个需求来自于，对同一个属性的赋值可能发生在不同的场合，当对象状态改变时属性也要发生相应的变化，这里就产生了两个需要：属性对外暴露一个值，但内部可以存放多个值，根据状态（条件）的改变来确定当前值。

这些状态（条件）要定义优先级，根据优先级来判断当前应取哪个值。

　　同一个属性有多个值，这个对CLR属性来说有些难为它了。但是对DP来说却很简单，本来DP的值就是保存在我们定义的EffectiveValueEntry中的，以前是保存一个Value，现在定义多个值就可以了。

1: internal struct EffectiveValueEntry

2: {

3:     private object _value;

4:

5:     internal int PropertyIndex { get; set; }

6:

7:     internal object Value

8:     {

9:         get

10:         {

11:             return _value;

12:         }

13:         set

14:         {

15:             _value = value;

16:         }

17:     }

18:

19:     internal ModifiedValue ModifiedValue

20:     {

21:         get

22:         {

23:             if (this._value != null)

24:             {

25:                 return (this._value as ModifiedValue);

26:             }

27:             return null;

28:         }

29:     }

30: }

对应的ModifiedValue：

1: internal class ModifiedValue

2: {

3:     internal object AnimatedValue { get; set; }

4:     internal object BaseValue { get; set; }

5:     internal object CoercedValue { get; set; }

6:     internal object ExpressionValue { get; set; }

7: }

　　当属性没有被修改过，ModifiedValue为空，当修改过后，ModifiedValue被赋值。这里EffectiveValueEntry定义了很多方法如SetExpressionValue(object value), SetAnimatedValue(object value)等来向ModifiedValue中写入对应值；并且EffectiveValueEntry提供了IsAnimated，IsExpression等属性来表示当前的状态。当然，这个赋值的操作比较复杂，这个优先级分两大类：一 ModifiedValue中各属性的优先级；二对于ExpressionValue来说，它又有自己的优先级，Local>Style>Template…这里就不详细解释了。

依赖属性的优点

　　回过头来，总结一下依赖属性的优点：优化了属性的储存，减少了不必要的内存使用。

加入了属性变化通知，限制、验证等，

可以储存多个值，配合Expression以及Animation等，打造出更灵活的使用方式

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