閒談軟體設計：Plug-in
更新於 2023/07/15閱讀時間約 14 分鐘
無限擴充
高中參加資訊社，社團有年度刊物，為了編輯與發行年度刊物，跟著學長學了 PageMaker 和 Photoshop，前者是出版業常用的排版軟體 (現今被 InDesign 取代)，後者不用多說，號稱是軟體界的 SK II，什麼照片都能修，手繪功力不好的我，常常玩的是 Photoshop 的多種濾鏡，在還有大補帖的時代，我就收集了許多濾鏡，只要把檔案丟到特定目錄，開啟 Photoshop 就可以多好幾種濾鏡可以用，那時就覺得好神奇，為什麼這樣就可以用了？
後來用 Eclipse 開發軟體時，再次為了其 plug-in 的架構感到好奇，不過 Eclipse 的 plug-in 底層運行架構是極為複雜的 OSGi，所以當初在執行國科會計畫時，試著想用自己設計的簡化版 plug-in 架構將兩個不同子計畫的 UI 整合在一起，計畫成果是成功的，不過後來回頭看架構，其實並不是很好的設計，因為沒有 plug-in 相依管理的設計，所以兩個子計畫的程式在彼此相依的情況下，無法單獨安裝也無法像 Eclipse 在安裝時能將相依的套件一併安裝或移除。
Plug-in pattern
後來自己閒暇之餘寫的看漫畫軟體 Comic Surfer，一開始並沒有 plug-in 架構，但後來想想，自己再怎麼寫，也不可能支援所有格式，所以在想有什麼方法可以讓別人擴充 Comic Surfer 能讀取的格式呢？答案很明顯，就是 plug-in 架構，事實上這已經是常用的一種架構模式 (architecture pattern)，如果看 Martin Fowler 的 《Pattern of Enterprise Application Architecture》描述何時使用 plug-in pattern？你會看到：
Use Plugin whenever you have behaviors that require different implementations based on runtime environment. — 《Pattern of Enterprise Application Architecture》
更簡單的說法：
Link classes during configuration rather than compilation. — David Rice and Matt Foemmel
不是在軟體建置之初就決定所有一切的行為，而是執行時根據配置 (configuration) 或執行時的環境 (例如：特定目錄有什麼 plug-in) 決定有哪些行為，話是這麼說，但要實作一個可以載入 plug-in 的軟體 (以下稱作 host application) 倒是有不少事情要考慮。
如何載入
首先是怎麼建立 plug-in 的實體 (instance)？以 Java 為例，有 Reflection 機制可以在執行期間動態地載入與建立物件，但要建立那個物件呢？總不能把特定目錄底下的所有 JAR 檔載入後，建立全部類別的實體吧？畢竟不是所有的物件都是作為 plug-in 使用，因此，設計 host application 時要先決定用什麼機制載入 plug-in，可能的機制有：
- 透過實作特定的介面：在還沒有 annotation 之前，是可以要求 plug-in 實作特定的介面，該介面可以是一個空介面，目的是讓 host application 可以透過掃描所有類別，看哪個類別有實作指定的介面，若有實作就視為是 plug-in 的主物件。
- 為 plug-in 物件加上特定annotation：自從 Java 可以自訂 annotation 後，主流就變成以 annotation 提供 metadata 了，所以 host application 可以掃描所有類別，看有沒有特定的 annotation，像 Spring framework 就大量使用這個機制載入元件。
- 透過文件提供 metadata：雖然說以現在 CPU 的能力，掃描所有類別應該花不上多少時間，但若有指定的規則，可以加速載入的時間，像 Eclipse 的 plugin.xml，裡面提供足夠的資訊讓 Eclipse 決定怎麼載入它，例如 Comic Surfer 就要求 plug-in 提供一個 reader.xml 的檔案，讓 Comic Surfer 知道該建立哪個物件：
不管是哪一種方式，都只是讓 host application 得知該載入哪個類別，但是要用 Reflection 建立物件，還是得知道建構子有哪些參數，最簡單的機制是要求 plug-in 的物件提供預設建構子，也就是零參數的建構子 (zero-argument constructor)，讓 host application 簡單地建立物件，但這就會讓 plug-in 失去 constrcutor-injetion，若要讓 plug-in 的建構子有參數，可以參考 Spring framework，用 XML 或 annotation 描述參數的來源。
提供服務
當 plug-in 的實體被載入，host application 怎麼知道該 plug-in 提供什麼服務呢？最單純的做法是由 host application 定義介面，然後由 plug-in 提供實作，以 Comic Surfer 為例，plug-in 能提供多個讀取器，透過 reader.xml 所建立第一個物件，必須實作 ComicBookSuiteReaderFactory，host application 可以呼叫 createReaders() 由 plug-in 自行建立讀取器的實體：
除此之外，Comic Surfer 還定義了許多介面要求讀取器實作，像是 ComicBookSuiteReader 負責讀取整套的漫畫，每套漫畫必須是實作 ComicBookSuite 的實體，一套漫畫中的每本漫畫是 ComicBook 的實體，最後每本漫畫的每一頁面是 Page 的實體，如此，Comic Surfer 根據這些介面知道這個讀取器能讀什麼漫畫 (透過 canRead(URI) 判斷)，當漫畫被讀進來後 (透過 read(URI))，可以知道這套漫畫有幾本，每本有幾頁，能讀取每一頁的內容，有了這些，所有換頁、換冊以及快取等機制都能正常運作。
Comic Surfer 會在程式啟動時檢查自身路徑底下的 readers 目錄是否有 plug-in，有的話就會讀取進來，一般來說這已經很足夠，如果要更進一步可以監控目錄是否有變化，這可以做到在程式運作時就能動態載入 plug-in 不須重新啟動應用程式，若搭配上安裝介面，就能做到安裝完就立即能使用。
參數
回頭看 Photoshop 的濾鏡，每個濾鏡都是一個 plug-in，不過由於每種濾鏡都需要不同類型、數量的參數才能使用，更重要的是提供預覽畫面。為此，host application 可以有幾種做法，第一種是 host application 定義一個函式，例如 preview(Image)，host application 將要套用濾鏡效果的原始圖副本 (讓使用者可以取消) 交給 plug-in，由 plug-in 自行建立預覽畫面與設定參數的 UI controls，按下確定後，host application 呼叫 apply(Image) 讓變動生效，這對 host application 較為簡單，因為預覽畫面的責任在 plug-in 身上。
但若為了 host application 整體 UI 的一致性，也可以由 host application 定義大多數參數的 UI controls，然後定義介面讓 plug-in 提供參數，host application 建立預覽畫面與控制項，然後將參數與控制項綁定，plug-in 則藉由事件綁定得知使用者調整了哪些參數，立即更新預覽的效果，這樣的話 host application 責任較大，但對開發 plug-in 的開發者就會比較輕鬆，專注在濾鏡的演算法上。
相容性
定義介面，然後由 plug-in 提供實作，但當 host application 需要 plug-in 提供更多功能時，一般會在介面上新增函式。某些語言，像 Objective C 可以將介面中某些函式宣告為 @optional，也就是說繼承的類別可以不需要提供實作，host application 可以在執行期間檢查是否有時做特定函式，若有才呼叫，若沒有則以預設的行為取代。
但並不是所有的語言都有這樣的設計，像 Java 在載入類別時會檢查類別是否滿足所實作的介面，若驗證失敗就不會載入該類別，因此 host application 在提供 SDK 讓第三方開發 plug-in 時，盡量提供一個抽象類別讓第三方繼承，而不是直接讓第三方實作介面，當要在介面新增函式時，可以在抽象類別中提供預設行為的實作，如此第三方即使不重新編譯，既有的 plug-in 也能繼續使用。不過，這是有預設行為的前提，若沒有的話還是會面臨不相容的問題。[2017/5/28 補充，若當初是使用 Java 8，那介面的 default methods 可以解決擴充引起的相容性問題。]
請求支援
到目前為止，都是由 host application 向 plug-in 請求服務，但 plug-in 有時候也會需要向 host application 請求資源才有辦法提供服務，例如可以向 Eclipse 請求取得目前檔案的 AST (abstract syntax tree)，進行語義的分析然後提供額外的服務。為了保護 host application 自身，並不會讓 plug-in 毫無限制取得任何資源或服務，因此，還是會定義一個介面作為 Facade，讓 plug-in 註冊事件、取得資源、操作資源等等，不在 Facade 介面中的函式 plug-in 就無法使用。如何讓 plug-in 取得該介面的實體呢？constructor injection 或 setter injection 都是可以使用的方法，要求 plug-in 提供注入 Facade 的建構子或是提供 setter 讓 host application 在建立 plug-in 後呼叫 setter 注入。
現在，host application 可以呼叫 plug-in 特定介面取得額外的服務，plug-in 也可以透過介面存取 host application 的服務與資源，那 plug-in 之間要交換資訊怎麼辦呢？原則上，plug-in 之間直接互動不是不行，但如此一來，plug-in 之間就變成較強的耦合，若想避免這情況，一個較好的做法是透過 host application 中介，plug-in 向 host application 請求服務，host application 看自身能否提供，若不能提供再詢問是否有其他 plug-in 提供該服務。
不過，不管是 plug-in 直接呼動或是透過 host application 中介，最後都會在交換的資料結構產生耦合，畢竟，直接存取資料物件會方便很多，特別是交換大量資料更是如此。若資料量不大，是可以轉成與特定物件格式無關的文字或文字檔，例如以 URL 的 query parameters 傳遞參數，以 JSON 格式回傳資料等等，但資料的解析還是省不掉 (至少要知道參數名稱)，因此由 host application 定義可能交換的資料格式或使用語言內建的資料格式也是一種方法，就看資料存取的方便性與 plug-in 之間獨立性的平衡點要抓在哪裡。
實例
設計 plug-in 架構還有很多東西可以考慮，例如怎麼安裝、移除、檢查相依性等等，但如果只是簡單的 plug-in 架構，上述的內容應該能滿足大多數的需求。最後，若以 plug-in 架構來看 Android，就可以知道什麼是 Intent，知道為什麼 Activity 必須要有 zero-argument constructor，還有為什麼要在 AndroidManifest.xml 宣告那麼多東西了？
簡單說，每個安裝到 Android 中的 apk 都可以視為是一個 plug-in，AndroidManifest.xml 告訴 Android (也就是 host application) 啟動這個 plug-in 要建立哪個 activity，該 plug-in 提供什麼 <service> 和 <provider> (資料)。而 plug-in 之間則是以 Android 中介，透過 Intent 告訴 Android 想要什麼服務或資料，Android 會根據每個 plug-in 的 <intent-filter> 描述決定啟動哪個 plug-in 來滿足請求，Intent 可以夾帶參數給另一個 plug-in，並在完成後回傳資料。
結語
雖說用 Android 的例子做結尾，但是我個人還是不喜歡 Activity 的建構子不能有參數，也不能自己建立 Activity 的物件，造成這的最主要原因是 Activity 身兼太多責任了，既是 plug-in，也是 MVP 中的 presenter (是的，不是 MVC)，實在不是一個 high cohesion 原則下該有的設計。
目前閒談軟體設計系列，每一篇大概都需要 1x 小時，包含構思、收集資料、撰寫與修稿，每個禮拜一篇已經是極限了，還好有龐大的 architecture pattern 素材，題材不是大問題，但要有自己的風格，內容還是盡量以實作及自身的經驗為主，撰寫起來還是要想蠻久的。話雖如此，有任何想知道的題材，可以留言告知，若本來就有打算寫相關的題材，可以盡量將該題材的 priority 往前移。
回頭搬這篇文章到方格子，有點感慨，當初應該繼續開發 ComicSurfer 的，雖然知道後續版權和取得授權都是很難的事，但至少是自己喜歡的東西，創業圈最不缺的就是點子，缺的是實現的能力與毅力，對於有想創業的人，共勉之。
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這是從 Medium 開始的一個專題，主要是想用輕鬆閒談的方式，分享這幾年軟體開發的心得，原本比較侷限於軟體架構，但這幾年的文章不僅限於架構，也聊不少流程相關的心得，所以趁換平台，順勢換成閒談軟體設計。
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