Spring源码阅读-IoC容器解析

2023-08-16 08:01:52

在Spring框架中最重要的是Spring IoC容器，它是Spring框架的核心。本文将从更高的角度来解析Sping IoC容器，了解其是如何设计的。了解一样东西最好的办法是从其核心本质出发，只要把握住了这样一个核心，其他的一些东西也迎刃而解了。这是一个很好的开端，我们一起开始吧...

Spring IoC容器

org.springframework.context.ApplicationContext 接口代表Spring IoC容器，主要负责bean的实例化、配置、装配，简而言之，Spring IoC容器是管理这些bean的（这里所说的bean指的是组成你的应用程序中的对象，并且这些对象被Spring所管理）。容器如何知道哪些对象要进行实例化、配置和装配的呢？是通过读取配置文件元数据来达到这个效果的，配置文件元数据是用xml配置、Java注解和Java代码配置来表示的。这使得作为程序员的我们，只需要向Spring容器提供配置元数据，Spring容器就能在我们的应用中实例化、配置和装配这些对象。org.springframework.beans 和org.springframework.context 包是Spring IoC容器的基础。Spring提供了很多Application接口的实现。在单独的应用中，创建ClassPathXmlApplicationContext 和FileSystemXmlApplicationContext 的实例是非常常用的做法。示例如下：

ApplicationContext ac = new ClassPathXmlApplicationContext("applicationContext.xml");

Hello hello = (Hello) ac.getBean("hello");

hello.sayHello();

然而在大部分的应用场景中，不需要实例化一个或者多个Spring IoC容器的实例。例如在web应用的场景下，只需要在web.xml中创建七行样板配置的代码如下：

<context-param>

	<param-name>contextConfigLocation</param-name>

	<param-value>/WEB-INF/applicationContext.xml</paramvalue>

</context-param>

<listener>

	<listener-class>org.springframework.web.context.ContextLoaderListener</listener-class>

</listener>

下面这张图从更高的视角展示了Spring是怎样工作的。你的应用程序中的类是和配置元数据组合在一起，以便在ApplicationContext创建和初始化之后，你拥有了一个完全配置的、可执行的系统。

Spring源码阅读-IoC容器解析

ApplicationContext设计解析

为了方便对ApplicationContext接口的层次结构有一个大概的认识，下面使用IDEA来生成ApplicationContext的继承关系图。（选中ApplicationContext接口->右键->Diagrams->Show Diagrams...）

（温馨提示：点击图片可以查看高清大图）

Spring源码阅读-IoC容器解析

从上图就能很清楚的看出ApplicationContext继承的接口分为五类：

  • BeanFactory：提供了能够管理任何对象的高级配置机制，这个接口是Spring框架中比较重要的一个接口。
    • ListableBeanFactory：从该接口的名字就能知道，该接口除了拥有BeanFactory的功能外，该接口还有能列出factory中所有bean的实例的能力。
    • HierarchicalBeanFactory：该接口除了拥有BeanFactory的功能外，还提供了BeanFactory分层的机制，查找bean的时候，除了在自身BeanFactory查找外，如果没有查找到，还会在父级BeanFactory进行查找。
  • MessageSource：消息资源的处理，用于国际化。
  • ApplicationEventPublisher：用于处理事件发布机制。
  • EnvironmentCapable：提供了Environment的访问能力。
  • ResourceLoader：用于加载资源的策略接口（例如类路径下的资源、系统文件下的资源等等）。
    • ResourcePatternResolver：用于将位置模式（例如Ant风格的路径模式）解析成资源对象的策略接口。classpath*:前缀能匹配所以类路径下的资源。

先看一下在ApplicationContext中定义的方法：

String getId(); // 获取ApplicationContext的唯一id

String getApplicationName(); // 该上下文所属的已经部署了的应用的名字，默认为""

String getDisplayName(); // 友好的展示名字

long getStartupDate(); // 该上下文第一次加载的时间

ApplicationContext getParent(); // 父级ApplicationContext

AutowireCapableBeanFactory getAutowireCapableBeanFactory() throws IllegalStateException;

前四个方法用于获取该ApplicationContext的一些基本信息，getAutowireCapableBeanFactory()用于暴露AutowireCapableBeanFactory的功能，这通常不是提供给用于代码使用的，除非你想要在应用上下文的外面初始化bean的实例，关于AutowireCapableBeanFactory后面会有更加详细的解析。

BeanFactory

BeanFactory是Spring框架中比较重要的一个接口，下面列出了这个接口中的方法的定义：

// 获取bean

Object getBean(String name) throws BeansException;

<T> T getBean(String name, Class<T> requiredType) throws BeansException;

Object getBean(String name, Object... args) throws BeansException;

<T> T getBean(Class<T> requiredType) throws BeansException;

<T> T getBean(Class<T> requiredType, Object... args) throws BeansException;

// 获取bean的提供者（对象工厂）

<T> ObjectProvider<T> getBeanProvider(Class<T> requiredType);

<T> ObjectProvider<T> getBeanProvider(ResolvableType requiredType);

boolean containsBean(String name); // 是否包含指定名字的bean

boolean isSingleton(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException; // 是否为单例

boolean isPrototype(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException; // 是否为原型

// 指定名字的bean是否和指定的类型匹配

boolean isTypeMatch(String name, ResolvableType typeToMatch);

boolean isTypeMatch(String name, Class<?> typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;

Class<?> getType(String name)

    throws NoSuchBeanDefinitionException; // 获取指定名字的bean的类型

String[] getAliases(String name); // 获取指定名字的bean的所有别名

这些方法大致可以分为三类：

  • getBean()方法用于获取匹配的bean的实例对象（有可能是Singleton或者Prototype的），如果没有找到匹配的bean则抛出BeansException子类的异常。如果在当前的工厂实例中没有找到匹配的bean，会在父级的工厂中进行查找。带有args参数的getBean()方法，允许显式的去指定构造器或者工厂方法的参数，会覆盖了在bean的定义中定义的参数，这仅仅在创建一个新的实例的时候才起作用，而在获取一个已经存在的实例是不起作用的。

  • getBeanProvider()方法用于获取指定bean的提供者，可以看到它返回的是一个ObjectProvider，其父级接口是ObjectFactory。首先来看一下ObjectFactory，它是一个对象的实例工厂，只有一个方法：

    T getObject() throws BeansException;

    调用这个方法返回的是一个对象的实例。此接口通常用于封装一个泛型工厂，在每次调用的时候返回一些目标对象新的实例。ObjectFactory和FactoryBean是类似的，只不过FactoryBean通常被定义为BeanFactory中的服务提供者（SPI）实例，而ObjectFactory通常是以API的形式提供给其他的bean。简单的来说，ObjectFactory一般是提供给开发者使用的，FactoryBean一般是提供给BeanFactory使用的。

    ObjectProvider继承ObjectFactory，特为注入点而设计，允许可选择性的编程和宽泛的非唯一性的处理。在Spring 5.1的时候，该接口从Iterable扩展，提供了对Stream的支持。该接口的方法如下：

    // 获取对象的实例，允许根据显式的指定构造器的参数去构造对象
    
T getObject(Object... args) throws BeansException;
    
// 获取对象的实例，如果不可用，则返回null
    
T getIfAvailable() throws BeansException;
    
T getIfAvailable(Supplier<T> defaultSupplier) throws BeansException;
    
void ifAvailable(Consumer<T> dependencyConsumer) throws BeansException;
    
// 获取对象的实例，如果不是唯一的或者没有首先的bean，则返回null
    
T getIfUnique() throws BeansException;
    
T getIfUnique(Supplier<T> defaultSupplier) throws BeansException;
    
void ifUnique(Consumer<T> dependencyConsumer) throws BeansException;

// 获取多个对象的实例
    
Iterator<T> iterator();
    
Stream<T> stream();
    
Stream<T> orderedStream()

    这些接口是分为两类，

    • 一类是获取单个对象，getIfAvailable()方法用于获取可用的bean（没有则返回null），getIfUnique()方法用于获取唯一的bean（如果bean不是唯一的或者没有首选的bean返回null）。getIfAvailable(Supplier<T> defaultSupplier)和getIfUnique(Supplier<T> defaultSupplier)，如果没有获取到bean，则返回defaultSupplier提供的默认值，ifAvailable(Consumer<T> dependencyConsumer)和ifUnique(Consumer<T> dependencyConsumer)提供了以函数式编程的方式去消费获取到的bean。
    • 另一类是获取多个对象，stream()方法返回连续的Stream，不保证bean的顺序（通常是bean的注册顺序）。orderedStream()方法返回连续的Stream，预先会根据工厂的公共排序比较器进行排序，一般是根据org.springframework.core.Ordered的约定进行排序。

  • 其他的是一些工具性的方法：

    • 通过名字判断是否包含指定bean的定义的containsBean(String name)方法
    • 判断是单例和原型的isSingleton(String name)和isPrototype(String name)方法
    • 判断给定bean的名字是否和类型匹配的isTypeMatch方法
    • 根据bean的名字来获取其类型的getType(String name)方法
    • 根据bean的名字来获取其别名的getAliases(String name)方法

或许你已经注意到了，有两个方法含有类型是ResolvableType的参数，那么ResolvableType是什么呢？假如说你要获取泛型类型的bean：MyBean<TheType>，根据Class来获取，肯定是满足不了要求的，泛型在编译时会被擦除。使用ResolvableType就能满足此需求，代码如下：

ResolvableType type = ResolvableType.forClassWithGenerics(MyType.class, TheType.class);

ObjectProvider<MyType<TheType>> op = applicationContext.getBeanProvider(type);

MyType<TheType> bean = op.getIfAvailable()

简单的来说，ResolvableType是对Java java.lang.reflect.Type的封装，并且提供了一些访问该类型的其他信息的方法（例如父类， 泛型参数，该类）。从成员变量、方法参数、方法返回类型、类来构建ResolvableType的实例。

ListableBeanFactory

ListableBeanFactory接口有能列出工厂中所有的bean的能力，下面给出该接口中的所有方法：

boolean containsBeanDefinition(String beanName); // 是否包含给定名字的bean的定义

int getBeanDefinitionCount(); // 工厂中bean的定义的数量

String[] getBeanDefinitionNames(); // 工厂中所有定义了的bean的名字

// 获取指定类型的bean的名字

String[] getBeanNamesForType(ResolvableType type);

String[] getBeanNamesForType(Class<?> type);

String[] getBeanNamesForType(Class<?> type, boolean includeNonSingletons, boolean allowEagerInit);

// 获取所有使用提供的注解进行标注的bean的名字

String[] getBeanNamesForAnnotation(Class<? extends Annotation> annotationType);

// 查找指定bean中的所有指定的注解（会考虑接口和父类中的注解）

<A extends Annotation> A findAnnotationOnBean(String beanName, Class<A> annotationType)

    throws NoSuchBeanDefinitionException;

// 根据指定的类型来获取所有的bean

<T> Map<String, T> getBeansOfType(Class<T> type) throws BeansException;

<T> Map<String, T> getBeansOfType(Class<T> type, boolean includeNonSingletons, boolean allowEagerInit)

    throws BeansException;

// 获取所有使用提供的注解进行标注了的bean

Map<String, Object> getBeansWithAnnotation(Class<? extends Annotation> annotationType) throws BeansException;

上面的这些方法都不考虑祖先工厂中的bean，只会考虑在当前工厂中定义的bean。

  • 前八个方法用于获取bean的一些信息
  • 最后的三个方法用于获取所有满足条件的bean，返回结果Map中的键为bean的名字，值为bean的实例。这些方法都会考虑通过FactoryBean创建的bean，这也意味着FactoryBean会被初始化。为什么这里的三个方法不返回List？Map不光包含这些bean的实例，而且还包含bean的名字，而List只包含bean的实例。也就是说Map比List更加的通用。

HierarchicalBeanFactory

HierarchicalBeanFactory接口定义了BeanFactory之间的分层结构，ConfigurableBeanFactory中的setParentBeanFactory方法能设置父级的BeanFactory，下面列出了HierarchicalBeanFactory中定义的方法：

BeanFactory getParentBeanFactory(); // 获取父级的BeanFactory

// 本地的工厂是否包含指定名字的bean

boolean containsLocalBean(String name);

这两个方法都比较直接明了，getParentBeanFactory方法用于获取父级BeanFactory。containsLocalBean

用于判断本地的工厂是否包含指定的bean，忽略在祖先工厂中定义的bean。

MessageSource

MessageSource主要用于消息的国际化，下面是该接口中的方法定义：

// 获取消息

String getMessage(String code, Object[] args, String defaultMessage, Locale locale);

String getMessage(String code, Object[] args, Locale locale) throws NoSuchMessageException;

String getMessage(MessageSourceResolvable resolvable, Locale locale) throws NoSuchMessageException;

以上的三个方法都是用于获取消息的，第一个方法提供了默认消息，第二个接口如果没有获取到指定的消息会抛出异常。第三个接口中的MessageSourceResolvable参数是对代码、参数值、默认值的一个封装。

ApplicationEventPublisher

ApplicationEventPublisher接口封装了事件发布功能，提供Spring中事件的机制。接口中的方法定义如下：

// 发布事件

void publishEvent(ApplicationEvent event);

void publishEvent(Object event);

第一个方法用于发布特定于应用程序事件。第二个方法能发布任意的事件，如果事件不是ApplicationEvent，那么会被包裹成PayloadApplicationEvent事件。

EnvironmentCapable

EnvironmentCapable提供了访问Environment的能力，该接口只有一个方法：

Environment getEnvironment();

Environment表示当前正在运行的应用的环境变量，它分为两个部分：profiles和properties。它的父级接口PropertyResolver提供了property的访问能力。

ResourceLoader和ResourcePatternResolver

先来看一下ResourceLoader，该接口是用来加载资源（例如类路径或者文件系统中的资源）的策略接口。该接口中的方法如下：

Resource getResource(String location); // 根据指定的位置获取资源

ClassLoader getClassLoader(); // 获取该资源加载器所使用的类加载器

该接口只有简单明了的两个方法，一个是用来获取指定位置的资源，一个用于获取资源加载器所使用的类加载器。Resource是从实际类型的底层资源（例如文件、类路径资源）进行抽象的资源描述符。先看下Resource中的方法：



boolean exists(); // 资源实际上是否存在

boolean isReadable(); // 资源是否可读

boolean isOpen(); // 检查资源是否为打开的流

boolean isFile(); // 资源是否为文件系统上的一个文件

URL getURL() throws IOException; // 获取url

URI getURI() throws IOException; // 获取URI

File getFile() throws IOException; // 获取文件

ReadableByteChannel readableChannel() throws IOException; // 获取ReadableByteChannel

long contentLength() throws IOException; // 资源的内容的长度

long lastModified() throws IOException; // 资源的最后修改时间

// 相对于当前的资源创建一个新的资源

Resource createRelative(String relativePath) throws IOException;

String getFilename(); // 获取资源的文件名

String getDescription(); // 获取资源的描述信息

Resource的父级接口InputStreamSource，可以简单的理解为InputStream的来源，只有一个方法，如下：

InputStream getInputStream() throws IOException; // 获取输入流

接下来在来看一下ResourcePatternResolver，该接口用于解析一个位置模式（例如Ant风格的路径模式），该接口只有一个方法，如下：

// 将给定的位置模式解析成资源对象

Resource[] getResources(String locationPattern) throws IOException;

Spring IoC容器设计复盘

假如让你设计IoC容器，你该如何去做呢？首先你应该要明确你设计的容器的功能和特性，然后根据这些功能和特性设计出合理的接口。下面只是粗略的分析一下：

  • IoC容器对bean的配置和管理，那么是不是需要设计一个接口来完成这些功能呢？（BeanFactory）
  • 既然需要这些元数据的配置，那么是不是需要设计一个接口来完成对一些配置文件的读取。（ResourceLoader和Resource）
  • 在IoC容器初始化、摧毁的时候，是不是可能要执行一些操作呢？那么是不是需要使用事件机制来完成呢？（ApplicationEventPublisher）
  • ....

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