Spring（二）核心容器 - 简介 、BeanFactory、ApplicationContext

前言

在上篇文章中，和大家一起讨论了 Spring 的整体架构，其大致分为五个模块：核心容器、AOP、Web、Data 数据访问、Test模块。其中核心容器是 Spring 的核心部分，其它模块也都依赖于该容器。这里和就大家一起深入讨论 Spring 的容器，它的作用是什么、怎么实现的。

1、容器简介

容器顾名思义就是用来装东西的，装的是什么？装的是 Bean。

Bean 是 Spring 的基本单位，在基于 Spring 的 Java EE 应用中，所有的组件都被当成 Bean 处理，包括数据源、Hibernate 的 SessionFactory、事务管理器等。在 Spring 中，Bean 是一个非常广义的概念，任何 Java 对象、Java 组件都被当成 Bean 处理。

那容器仅仅是用来保存 Bean 这么简单么？不是。

当我们需要使用某个 Bean 时，容器会自动帮我们创建，并在适当时销毁。还有一种情况，当某个 Bean 中需创建另一个 Bean 时，也就是 Bean 之间有依赖关系，这种依赖的 Bean 也是由容器自动创建。在外界有一个标准的名词，前者称呼为 IOC，也就是控制反转，后者称呼为 DI，也就是依赖注入。

IOC/DI

IOC (Inversion of Control) 控制反转：所谓控制反转，就是当我们需要某个 Bean 时，将 Bean 的名称告知容器，由容器去创建该 Bean，而不是我们手动 new 一个，这里 Bean 创建管理的控制权都交给了容器，所以这是一种控制权的反转。其通俗点讲就是需要什么东西让别人送过来，而不是自己去拿。

DI (Dependency Injection) 依赖注入：就是指当 A Bean 里面需创建 B Bean 时，会在创建 A Bean 的时候，自动将依赖的 B Bean 注入进去，其 B Bean 是被动接受注入而不是自己主动去找。换句话说就是指 A Bean 不是从容器中查找它依赖的 B Bean，而是在容器创建 A Bean 候主动将它依赖的 B Bean 注入给它。

IOC 和 DI 其实归根结底实现的功能是相同的，只是同样的功能站在不同的角度来阐述罢了，不过我们通常喜欢将这两个概念统称为 IOC。当然，在真实场景中，交由 Spring 容器创建的 Bean 泛指在应用程序中的表现层、业务层、持久层等各层对应的 Bean，如 Controller、Service 等；进行数据交互的模型，如 DTO、VO 等就不需交由 Spring 来创建。

所以，容器本质上可以也可以看作是 Bean 工厂，该工厂管理 Bean 的生命周期，以及 Bean 之间的依赖关系。外界也将 Spring 容器称为 IOC 容器。当然，这里容器仅仅是 Spring 的抽象概念，代码中将其具象化为 BeanFactory 或 ApplicationContext，容器功能也由具象化的类进行处理。

2、容器的结构

容器的实现类并不是唯一的，Spring 框架提供了多个容器的实现，这些容器分为两套体系：一套是早期的 BeanFactory 体系；还有一套是现在常用的 ApplicationContext，也可称为应用上下文，它继承了 BeanFactory，它除了有 BeanFactory 的功能外
，还提供了其他服务，例如事务和 AOP 服务、国际化（il8n）的消息源以及应用程序事件处理等企业级的服务。

说到这，就不得不说 Spring 的两种配置方式，在早期都是 XML 配置文件的方式，而现在使用的是注解配置的方式。BeanFactory 体系的容器一般用来处理 XML 配置文件的方式，而 ApplicationContext 体系则都可以处理。

2.1 BeanFactory

BeanFactory 是容器最基础的类，它定义了容器的基本功能规范：

public interface BeanFactory {

    // 对 FactoryBean 的转义定义，因为如果使用 bean 的名字检索 FactoryBean 得到的对象是工厂生成的对象，
    // 如果需要得到工厂本身，需要转义（FactoryBean 在后续会详细介绍）
    String FACTORY_BEAN_PREFIX = "&";
    
    // 根据 bean 的名字，获取在容器中 bean 实例
    Object getBean(String name) throws BeansException;
    
    //根据 bean 的名字和 Class 类型来得到 bean 实例，增加了类型安全验证机制。
    <T> T getBean(String name, @Nullable 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;
    
    // 提供对 bean 的检索，看看是否在容器有这个名字的 bean
    boolean containsBean(String name);
    
    // 根据 bean 名字，判断这个 bean 是不是单例
    boolean isSingleton(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    
    // 根据 bean 名字，判断这个 bean 是不是原型
    boolean isPrototype(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    
    // 根据 bean 名字，判断是否与指定的类型匹配
    boolean isTypeMatch(String name, ResolvableType typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    boolean isTypeMatch(String name, @Nullable Class<?> typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    
    // 得到 bean 实例的 Class 类型
    Class<?> getType(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    
    // 得到bean 的别名，如果根据别名检索，那么其原名也会被检索出来
    String[] getAliases(String name);
}

在 BeanFactory 里只对容器的基本行为作了定义，其根本不关心你的 Bean 是如何定义怎样加载的。
正如我们只关心工厂里得到什么的产品对象，至于工厂是怎么生产这些对象的，这个基本的接口不关心。而要知道工厂是如何产生对象的，我们就需要看具体的容器了，也就是 BeanFactory 的子类。

BeanFactory 体系中常用的实现类有：

• ListableBeanFactory：提供容器中 bean 迭代的功能。如返回所有 Bean 的名字、容器中 Bean 的数量等。
• HierarchicalBeanFactory：提供父容器的访问功能，可通过 ConfigurableBeanFactory 的 setParentBeanFactory 方法设置父容器。
• AutowireCapableBeanFactory：为 Spring 容器之外的 Bean ，也就是未交由 Spring 管理的 Bean ，提供依赖注入的功能。

以上三个是 BeanFactory 的直系亲属，这个三个直系亲属下面又派生了两个复杂的容器：

• ConfigurableBeanFactory：其继承了 HierarchicalBeanFactory 和 SingletonBeanRegistry 这两个接口，其提供了很多方法，如：定义类加载器、类型转化、属性编辑器、注册依赖 Bean 、销毁 bean 等，且该接口被大多数的容器继承、实现。
• ConfigurableListableBeanFactory：这个接口继承了 ListableBeanFactory、 AutowireCapableBeanFactory、ConfigurableBeanFactory，自身主要提供用于分析和修改 bean 定义以及预先实例化单例 Bean 的方法。

最后是核心容器：

• DefaultListableBeanFactory：它实现了以上所有的接口，在 BeanFactory 体系中可以作为一个独立的容器使用。

BeanFactory 大致的继承关系如下：

其实以前常用的容器是 XmlBeanFactory ，它是 DefaultListableBeanFactory 的实现类，现已被废除，原因还未找到，有知道的小伙伴，可在底下留言告知。

但我们基本不单独使用 BeanFactory ，而是直接使用 ApplicationContext ，因为 ApplicationContext 包含了 BeanFactory。

2.2 ApplicationContext

上面说过 ApplicationContext 是 BeanFactory 子类，它不仅包含 BeanFactory 所有功能，还对其进行了扩展，而我们喜欢将 ApplicationContext 称为应用上下文，因为容器只是它的基本功能。

public interface ApplicationContext extends EnvironmentCapable, ListableBeanFactory, HierarchicalBeanFactory,
        MessageSource, ApplicationEventPublisher, ResourcePatternResolver {

    // 返回此应用程序上下文的唯一ID
    @Nullable
    String getId();

    // 返回此上下文所属的应用程序名称
    String getApplicationName();

    // 返回应用上下文具像化的类名
    String getDisplayName();

    // 返回第一次加载此上下文时的时间戳
    long getStartupDate();

    // 获取父级应用上下文
    @Nullable
    ApplicationContext getParent();

    // 将 AutowireCapableBeanFactory 接口暴露给外部使用
    AutowireCapableBeanFactory getAutowireCapableBeanFactory() throws IllegalStateException;
}

ApplicationContext 自身提供的方法非常简单，但它继承了六个接口，来扩展自身功能：

• EnvironmentCapable：获取 Environment。
• ListableBeanFactory、HierarchicalBeanFactory：这是 BeanFactory 体系接口，分别提供 Bean 迭代和访问父容器的功能。
• MessageSource：支持国际化功能。
• ApplicationEventPublisher：应用事件发布器，封装事件发布功能的接口。
• ResourcePatternResolver：该接口继承至 ResourceLoader ，作用是加载多个 Resource。

ApplicationContext 同样提供了非常多的实现类，其又可细分为两大类， ConfigurableApplicationContext 和 WebApplicationContext。

2.2.1 ConfigurableApplicationContext

该接口是比较重要的一个接口，几乎所有的应用上下文都实现了该接口。该接口在ApplicationContext的基础上提供了配置应用上下文的能力，此外提供了生命周期的控制能力。

public interface ConfigurableApplicationContext extends ApplicationContext, Lifecycle, Closeable {

    // 应用上下文配置时，这些符号用于分割多个配置路径
    String CONFIG_LOCATION_DELIMITERS = ",; \t\n";

    // BeanFactory中，ConversionService类所对应的bean的名字。如果没有此类的实例的话吗，则使用默认的转换规则
    String CONVERSION_SERVICE_BEAN_NAME = "conversionService";

    //LoadTimeWaver类所对应的Bean在容器中的名字。如果提供了该实例，上下文会使用临时的 ClassLoader ，这样，LoadTimeWaver就可以使用bean确切的类型了 
    String LOAD_TIME_WEAVER_BEAN_NAME = "loadTimeWeaver";

    // Environment 类在容器中实例的名字
    String ENVIRONMENT_BEAN_NAME = "environment";

    // System 系统变量在容器中对应的Bean的名字
    String SYSTEM_PROPERTIES_BEAN_NAME = "systemProperties";

    // System 环境变量在容器中对应的Bean的名字
    String SYSTEM_ENVIRONMENT_BEAN_NAME = "systemEnvironment";

    // 设置容器的唯一ID
    void setId(String id);

    // 设置此容器的父容器
    void setParent(@Nullable ApplicationContext parent);

    // 设置容器的 Environment 变量
    void setEnvironment(ConfigurableEnvironment environment);

    // 以 ConfigurableEnvironment 的形式返回此容器的环境变量。以使用户更好的进行配置
    @Override
    ConfigurableEnvironment getEnvironment();

    // 此方法一般在读取应用上下文配置的时候调用，用以向此容器中增加BeanFactoryPostProcessor。增加的Processor会在容器refresh的时候使用。
    void addBeanFactoryPostProcessor(BeanFactoryPostProcessor postProcessor);

    // 向容器增加一个 ApplicationListener，增加的 Listener 用于发布上下文事件，如 refresh 和 shutdown 等
    void addApplicationListener(ApplicationListener<?> listener);

    // 向容器中注入给定的 Protocol resolver
    void addProtocolResolver(ProtocolResolver resolver);

    // 这是初始化方法，因此如果调用此方法失败的情况下，要将其已经创建的 Bean 销毁。
    // 换句话说，调用此方法以后，要么所有的Bean都实例化好了，要么就一个都没有实例化
    void refresh() throws BeansException, IllegalStateException;

    // 向JVM注册一个回调函数，用以在JVM关闭时，销毁此应用上下文
    void registerShutdownHook();

    // 关闭此应用上下文，释放其所占有的所有资源和锁。并销毁其所有创建好的 singleton Beans
    @Override
    void close();

    // 检测此 FactoryBean 是否被启动过
    boolean isActive();

    // 返回此应用上下文的容器。
    // 千万不要使用此方法来对 BeanFactory 生成的 Bean 做后置处理，因为单例 Bean 在此之前已经生成。
    // 这种情况下应该使用 BeanFactoryPostProcessor 来在 Bean 生成之前对其进行处理
    ConfigurableListableBeanFactory getBeanFactory() throws IllegalStateException;
}

该接口下又有几个重要的实现类：

• AbstractApplicationContext：这是个抽象类，仅实现了公共的上下文特性。这个抽象类使用了模板方法设计模式，需要具体的实现类去实现这些抽象的方法。
• GenericApplicationContext：该类继承自 AbstractApplicationContext，是为通用目的设计的，它能加载各种配置文件，例如 xml，properties 等等。它的内部持有一个 DefaultListableBeanFactory 的实例，实现了 BeanDefinitionRegistry 接口，以便允许向其应用任何 bean 的定义的读取器。
• AnnotationConfigApplicationContext：该类继承自 GenericApplicationContext ，提供了注解配置（例如：@Configuration、@Component等）和类路径扫描（scan方法）的支持。

2.2.2 WebApplicationContext

该接口是专门为 Web 应用准备的，其允许从相对于 Web 根目录的路径中装载配置文件完成初始化。

public interface WebApplicationContext extends ApplicationContext {

    // 整个 Web 应用上下文是作为属性放置在 ServletContext 中的，该常量就是应用上下文在 ServletContext 属性列表中的 key
    String ROOT_WEB_APPLICATION_CONTEXT_ATTRIBUTE = WebApplicationContext.class.getName() + ".ROOT";

    // 定义了三个作用域的名称
    String SCOPE_REQUEST = "request";
    String SCOPE_SESSION = "session";
    String SCOPE_APPLICATION = "application";

    // 在工厂中的 bean 名称
    String SERVLET_CONTEXT_BEAN_NAME = "servletContext";

    // ServletContext 初始化参数名称
    String CONTEXT_PARAMETERS_BEAN_NAME = "contextParameters";

    // 在工厂中 ServletContext 属性值环境bean的名称
    String CONTEXT_ATTRIBUTES_BEAN_NAME = "contextAttributes";

    // 用来获取 ServletContext 对象
    @Nullable
    ServletContext getServletContext();
}

该接口的核心实现类有：

• ConfigurableWebApplicationContext：该接口同时继承了 WebApplicationContext 和 ConfigurableApplicationContext，提供了 Web 应用上下文的可配置的能力。
• GenericWebApplicationContext：该类继承自 GenericApplicationContext，实现了 ConfigurableWebApplicationContext。
• XmlWebApplicationContext：该上下文是使用 Xml 配置文件的方式，不过是在 Web 环境中使用的。
• AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext：该类是被 SpringBoot 扩展而来的，SpringBoot 使用的就是该上下文。

2.3 差异对比

从上面可以看出 BeanFactory 是 Sping 框架的基础接口，一般是面向 Spring 本身；而 ApplicationContext 是以 BeanFactory 为基础进行综合能力扩展，用于满足大型业务应用的创建， ApplicationContext 一般面向使用 Sping 框架的开发者。几乎所有的应用场合我们都是直接使用 ApplicationContet 而非底层的 BeanFactory。

下表列出了BeanFactory 和 ApplicationContext 接口和实现所提供的功能：

功能 / 特点	BeanFactory	ApplicationContext
Bean 实例化/装配	有	有
BeanPostProcessor 自动注册	没有	有
BeanFactoryPostProcessor 自动注册	没有	有
MessageSource 便捷访问（针对i18n）	没有	有
ApplicationEvent 发布	没有	有

两者还有一个区别是：

• ApplicationContext 在容器启动时，一次性创建了所有的 Bean。
• BeanFactory 在容器启动时，并未创建 Bean，直到第一次访问某个 Bean 时才创建目标 Bean。

3、ApplicationContext 准备启动

在真实环境中，一般通过集成 SSM 或者 SpringBoot 来自动创建 ApplicationContext。

先从 SSM 开始

1、在 web.xml 配置监听器

<!-- spring监听器 -->
<listener>
    <listener-class>org.springframework.web.context.ContextLoaderListener</listener-class>
</listener>

2、容器启动时会调用 ContextLoaderListener 中的 contextInitialized 方法。

public class ContextLoaderListener extends ContextLoader implements ServletContextListener {
    
    ...
    
    @Override
    public void contextInitialized(ServletContextEvent event) {
        initWebApplicationContext(event.getServletContext());
    }
    
    ...
}

3、调用父类的 initWebApplicationContext 方法，在该方法中创建、启动上下文。

public class ContextLoader {
    
    ...
    
    public WebApplicationContext initWebApplicationContext(ServletContext servletContext) {
        
        ...

        try {
            
            if (this.context == null) {
            
                // 通过 createWebApplicationContext 方法创建上下文，默认创建 XmlWebApplicationContext
                this.context = createWebApplicationContext(servletContext);
            }
            if (this.context instanceof ConfigurableWebApplicationContext) {
                ConfigurableWebApplicationContext cwac = (ConfigurableWebApplicationContext) this.context;
                if (!cwac.isActive()) {
                    
                    ...
                    // 在该方法中调用上下文的 refresh 方法，refresh 就是启动上下文的入口
                    configureAndRefreshWebApplicationContext(cwac, servletContext);
                }
            }
            ...
        }
        ...
    }
    ...
    
    protected void configureAndRefreshWebApplicationContext(ConfigurableWebApplicationContext wac, ServletContext sc) {
        
        ...    
        
        wac.refresh();
    }
    
    ...
}

SpringBoot 启动 ApplicationContext

1、从启动类开始

@SpringBootApplication
public class DiveInSpringBootApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DiveInSpringBootApplication.class, args);
    }
}

2、找到 SpringApplication 中，最后重载的 run 方法

public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {
    
    ...
    
    ConfigurableApplicationContext context = null;
    
    ...
    
    try {
        ...
        // 通过 createApplicationContext 方法创建上下文，根据 Web 环境不同创建的上下文也不同
        context = createApplicationContext();
    
        ...
        // 该方法用于启动上下文
        refreshContext(context);
        ...
    
    }
    catch (Throwable ex) {
        ...
    }
    
    context = createApplicationContext();
    
    ...
}

3、进入 refreshContext 方法，里面调用了 refresh 方法

private void refreshContext(ConfigurableApplicationContext context) {
    refresh(context);
    if (this.registerShutdownHook) {
        try {
            context.registerShutdownHook();
        }
        catch (AccessControlException ex) {
            // Not allowed in some environments.
        }
    }
}

4、这里，最终也是调用 ApplicationContext 的 refresh 方法来启动上下文

protected void refresh(ApplicationContext applicationContext) {
    Assert.isInstanceOf(AbstractApplicationContext.class, applicationContext);
    ((AbstractApplicationContext) applicationContext).refresh();
}

注：这里主要讨论容器的创建和启动部分，所以省略了其他部分的代码。其中 SpringBoot 启动上下文在前几篇 《SpringBoot系列》文章有详细介绍，感兴趣的伙伴可自行查阅

可以看到虽然 SSM 和 SpringBoot 的上下文对象不同，但最终都是调用上下文中的 refresh 方法来启动。该方法是 ApplicationContext 的核心，如 Bean 注册、注入、解析 XML 、解析注解等是从该方法开始，其内部实现大致如下：

public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
    synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
        // 1. 初始化 refresh 的上下文环境，就是记录下容器的启动时间、标记已启动状态、处理配置文件中的占位符
        prepareRefresh();

        // 2. 初始化 BeanFactory，加载并解析配置
        ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = this.obtainFreshBeanFactory();

        /* ---至此，已经完成了简单容器的所有功能，下面开始对简单容器进行增强--- */

        // 3. 对 BeanFactory 进行功能增强，如设置BeanFactory的类加载器，添加几个 BeanPostProcessor，手动注册几个特殊的 bean
        prepareBeanFactory(beanFactory);

        try {
            // 4. 后置处理 beanFactory，交由子类实现
            postProcessBeanFactory(beanFactory);

            // 5. 调用已注册的 BeanFactoryPostProcessor
            invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);

            // 6. 注册 BeanPostProcessor，仅仅是注册，调用在getBean的时候
            registerBeanPostProcessors(beanFactory);

            // 7. 初始化国际化资源
            initMessageSource();

            // 8. 初始化事件广播器
            initApplicationEventMulticaster();

            // 9. 留给子类实现的模板方法
            onRefresh();

            // 10. 注册事件监听器
            registerListeners();

            // 11. 实例化所有非延迟加载的单例
            finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

            // 12. 完成刷新过程，发布应用事件
            finishRefresh();
            
        } catch (BeansException ex) {
            if (logger.isWarnEnabled()) {
                logger.warn("Exception encountered during context initialization - cancelling refresh attempt: " + ex);
            }
            
            // 13.销毁已经初始化的 singleton 的 Beans，以免有些 bean 会一直占用资源
            this.destroyBeans();
            
            // Reset 'active' flag.
            this.cancelRefresh(ex);
            // Propagate exception to caller.
            throw ex;
        } finally {
            // Reset common introspection caches in Spring's core, since we
            // might not ever need metadata for singleton beans anymore...
            this.resetCommonCaches();
        }
    }
}

接下来的文章，也是对 refresh 方法中的各部分进行详细讨论。

4、总结

最后来做个整体的总结。文章从 Spring 的整体架构开始讨论，整体分为五个模块：核心容器、AOP、Web、Data 数据访问、Test模块，而核心容器又是 Spring 的基础。容器的作用是什么？提供 IOC/DI 功能；怎么实现的？其核心是 BeanFactory 和 ApplicationContext ，一般使用 ApplicationContext ，其包含了 BeanFactory 的所有功能，并对其进行扩展。在 SSM 和 SpringBoot 中自动创建 ApplicationContext 并调用它的 refresh 方法进行启动，它的 refresh 就是实现容器一系列功能的入口。
<br/><br/><br/>

以上就是本章内容，如果文章中有错误或者需要补充的请及时提出，本人感激不尽。

参考：

https://www.cnblogs.com/09120...
https://docs.spring.io/spring...
https://www.jianshu.com/p/285...
https://blog.csdn.net/baidu_3...
https://www.cnblogs.com/zhang...
https://www.cnblogs.com/sharp...