Spring-beans架构设计原理

2021-11-27 09:24:39

IOC

IOC，官方给的定义是依赖注入（Dependency Injection）或者控制反转（Inversion of Control）。光从字面理解起来还是比较费劲。但任何一种模式都是来自人的行为思考方式，只要想象下日常生产过程，在生产之前是客户下单，单子会详细注明需要的产品，包括产品的各方面规格属性，然后工厂据此生产。

IOC就是一个类似的过程，用户声明要什么，ioc就给用户生产什么。在过程中用户只是给出需求清单，而不用再费劲去new，以及不停设置各种属性。

Spring ioc

Spring-beans是ioc最著名的实现，而且已经没有之一，现在几乎就是ioc的代名词。虽然更多人倾向认为beans只是工厂，context才是容器，但context本身更类似是beans的外观--由它驱动beans，并且对内组合beans的功能；而且context本身也是基于beans之上的。spring最下方最牢靠的地基只有beans，它是spring的基石组件，所有的我们已知的spring组件都是基于它。

spring-beans整体架构

Spring-beans提供的优秀的可扩展能力使spring几乎能包容一切，用户只需遵循spring beans的相关规范--spring.schema定义配置文档的文法规范，spring.handler定义客户化配置的解析工具--就可以将bean接入到spring容器里。Bean接入后还可以通过实现BeanPostProcessor或者init-method对bean做后处理甚至替换bean。

Spring-beans的优秀设计使spring越来越像是一个生态圈，基于beans，aop、context、mvc、annotation等强大的组件都被接入进来，除此还有一些优秀的第三方组件，例如dubbo等。

以aop为例，先在parse阶段对aop的配置生成Advised bean（Advisor），然后在所有bean的后处理阶段get Advised bean，并通过filter判断是否适应于当前bean，适用则会对bean织入advice。后面如果有时间会专门做篇aop，这里不再继续深入。

Dubbo和aop略有区别，dubbo的扩展选择了init method中的afterPropertiesSet，所有严格意义上dubbo是无法去spring的，虽然dubbo声明是可以，但其实只能不适用spring功能，而不能去spring jar，dubbo bean在init阶段生成ref，其实也是个代理--封装了远程访问的细节。

Bean定义

Spring-beans的核心实体是BeanDefinition和BeanFactory。前者映射我们的定义，后者则是依据定义生产bean的工厂。

上图是spring beans的静态结构图，更多是偏重于bean解析，因为1. 理解了bean解析也就理解了一半spring扩展能力；2.BeanFactory的复杂不在于类之间的组织结构，而在于复杂的调用链路，也就没必要是静态结构方面做过多说明。需要说明的是，这只是概念模型，并不完全映射到类，因为spring的抽象层次太高，一个概念实体功能往往由多个类协同完成，画起来比较费劲，就类似BeanFactory，光搞清楚各个BeanFactory之间的关系就理得头痛，所以都尽可能从概念层面说明。

重要实体说明

DefaultListableBeanFactory是BeanDefintionRegistry的默认实现，它是个适配器，用于适配BeanFactory和BeanDefintionRegistry，工厂和定义通过它统一。它由ApplicationContext初始化，并被作为BeanDefinitionReader的registry。Reader对配置文档加载解析，生成definition并注册到registry--其实就是DefaultListableBeanFactory，这样工厂就拥有了类定义，bean初始化时也可以通过内部方法轻松获取到定义。
NamespaceHandlerResolver用于获取配置解析实体--NamespaceHandler。它和registry均内聚在上下文实体--ReaderContext中，parser内聚上下文从而可以间接访问handler和registry获得解析和注册的能力。

其他几个实体都比较直观便于理解，不再一一赘述。

整体交互过程

BeanDefinitionReader是整个bean解析的聚合根，它由ApplicationContext创建，并将DefaultListableBeanFactory作为registry传递给它。

BeanDefinitionReader创建文档读取实体--DocuemntReader用于加载解析，并在step3加载文档时创建上下文--ReaderContext传递给文档读取实体。上下文贯穿于整个解析过程始终，它在文档读取实体使用parser解析时也会被传入parser中。

Parse过程是整个加载过程的核心，默认parser通过间接关联的识别器可以依据不同配置节点进行parser切换，当读到非默认配置时，则切换到对应客户化parser解析。解析完成后再通过间接关联的registry进行注册，从而配置定义进入spring管理，待getBean时使用。

客户化配置节点解析

客户化配置是spring非常重要的扩展点，spring强大的扩展能力有一半功能要归功于它，另一半中的80%就是后面要介绍的大名鼎鼎的BeanPostProcessor。不仅仅一些第三方扩展（例如开篇提到的dubbo）基于它，spring本身的很多模块也是基于它，例如spring-aop，spring-context等等，spring体系内除了默认的beans命名空间其余都基于它扩展的。

NamespaceHandlerResolver由BeanDefinitionReader初始化，后者在第一次被访问时读取spring.handlers文件。.handlers文件定义namespace uri和对应处理类的映射关系。例如：

http\://www.springframework.org/schema/context=org.springframework.context.config.ContextNamespaceHandler

上面的这行配置就是配置声明的解析类。

NamespaceHandlerResolver依据节点namespace获得NamespaceHandler，然后使用handler处理自定义配置节点。

public interface NamespaceHandler {
    void init();
    
    BeanDefinition parse(Element element, ParserContext parserContext);

    BeanDefinitionHolder decorate(Node source, BeanDefinitionHolder definition, ParserContext parserContext);

}

init方法注册localName和自定义parser的关系，parser和localName的关系由handler的提供者自己注册。例如：

public void init() {
        // In 2.0 XSD as well as in 2.1 XSD.
        registerBeanDefinitionParser("config", new ConfigBeanDefinitionParser());
        registerBeanDefinitionParser("aspectj-autoproxy", new AspectJAutoProxyBeanDefinitionParser());
        registerBeanDefinitionDecorator("scoped-proxy", new ScopedProxyBeanDefinitionDecorator());

        // Only in 2.0 XSD: moved to context namespace as of 2.1
        registerBeanDefinitionParser("spring-configured", new SpringConfiguredBeanDefinitionParser());
    }

上面就是aop注册parser的代码片段。config，aspectj-autoproxy这些就是localName，parse过程中不同的localName会切换到不同的parser解析。

spring先通过命名空间定位到handler，handler处理时再基于localName取相应的parser解析当前结点。比如这个配置，aop是命名空间，aspectj-autoproxy是localName。整个读取解析过程中先通过aop找到AopNamespaceHandler，再在解析到aspectj-autoproxy节点时使用AspectJAutoProxyBeanDefinitionParser来解析。如果要研究spring源码，一定要先找到对应parser，知道每个配置项对应到运行时的bean结构才能更好理解spring；而且parser可能会生成一些默认的BeanPostProcessor，如果意识不到这些后处理器，那么对代码的读取将会断片，陷入完全无法理解的境地。比如spring-aop就是由parser默认生成AopAutoProxyCreator这个BeanPostProcessor，在bean初始化后由这个processor对bean生成代理。

Bean获取

上图是getBean过程，整个过程很简洁，实际深入代码会发现非常繁琐。

BeanFactory和BeanDefinitionRegistry在spring里是统一的，参见第一节，图上为了方便理解，拆成两个概念实体。

需要注意的是第4步和第6步，bean配置时可以指定parent属性，如果有parent，则beanFactory会对local和parent做merge，merge的策略是对parent做覆盖，也可以理解为是对parent做继承。这和parent bean factory完全是两个概念，一定要区分开。

在beans的实体静态结构里，分别注明了parent bean definition和parent bean factory。两者都是被关联的，而不是被继承。后者有点像jvm的双亲委托模型，parent和child有各自的上下文，类似于jvm的命名空间。parent bean factory由applicationContext设置，无法配置。比如spring mvc就是两个父子两个容器，在容器refresh时相应的也会把父容器的BeanFactory设置成子容器BeanFactory的parentBeanFactory。

spring bean状态

Bean主要经过instantiate，populate，initializeBean和registerDisposableBean4个状态，在状态流转中会调用很多spring预留的扩展接口。

awareMethod
如果bean继承了BeanFactoryAware，BeanNameAware，BeanClassLoaderAware，则会在initialize阶段将BeanFactory, BeanName和bean ClassLoader设置给Bean。

注意它和ApplicationContextAware是不一样的，后者是由BeanPostProcessor做后处理set的。

init method
method不仅仅包括配置的init-method方法还包括InitializedBean的afterPropertiesSet回调接口，这两者均是无参的，完全可以互相替代，两者中afterPropertiesSet调用在前。

BeanPostProcessor

上文提到过，spring另一半的扩展能力是由BeanPostProcessor提供的。先看下其接口定义

public interface BeanPostProcessor {
    Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException;

    Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException;
}

两个方法分别在init-method调用前后，对bean做后处理。需要特别注意的就是postProcessAfterInitialization，大部分的spring扩展就是由它来完成的，比如上文提到的aop就是在这个阶段对bean做后处理生成代理。相应的也可以使用postProcessBeforeInitialization，但是此时init-method并未执行，后处理需要保证init-method带来的影响，@PostConstruct的方法执行就是在这个阶段。

实例化后处理器

InstantiationAwareBeanPostProcessor继承了BeanPostProcessor，主要用于在bean实例化前后做处理。

public interface InstantiationAwareBeanPostProcessor extends BeanPostProcessor {
    Object postProcessBeforeInstantiation(Class<?> beanClass, String beanName) throws BeansException;

    boolean postProcessAfterInstantiation(Object bean, String beanName) throws BeansException;

    PropertyValues postProcessPropertyValues(
            PropertyValues pvs, PropertyDescriptor[] pds, Object bean, String beanName)
            throws BeansException;
}

实例化前处理，这个方法的参数是beanClass和beanName，在bean实例化前调用，如果这个方法的返回值不为空则getBean结束，用户收到的就是这个该方法的返回值。这个扩展点主要是留给预处理的，用户可以直接生成一个同类型的bean，替换实际bean，此时实际bean不会被实例化。
实例化后处理连同属性后处理是spring内部非常重要的扩展点，annotation的field注入就是在这两个阶段完成。主要有两个关键实现：
CommonAnnotationBeanPostProcessor，该类在实例化后处理阶段做属性注入，主要用于@Resource

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor，该类在属性后处理阶段做属性注入，主要用于@Autowired
前者还继承了InitDestroyAnnotationBeanPostProcessor类，该类会在init-method被执行前调用@PostConstruct方法。

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IOC