「原理分析」Spring Boot启动时基于spring.factories自动读取远端Environment实现的原理源码分析

采用Spring标准的事件/监听器模型，通过Spring SPI的方式，在Spring Boot启动时，自动读取远端「远程服务器、本地硬盘等」Environment配置，方便在Spring Boot启动前，对配置进行灵活调整，增加灵活性，减少硬编码。

本文先从原理进行分析，表明其可行性，下一篇文章再展示具体的代码实现。首先从SPI的基础开始讲起。

1. 服务发现的基础：SPI

注：此小节内容描述主要参考此文章 spring.factories
在Spring Boot中有一种非常解耦的扩展机制：Spring Factories。这种扩展机制实际上是仿照Java中的SPI扩展机制来实现的。

1.1 背景描述

系统中各个模块，往往有很多不同的实现方案，如日志组件、JDBC驱动、XML解析组件等。面向对象的程序设计中，推荐使用面向接口编程，业务程序中如需使用某项功能，须依赖通用的标准接口。基于可拔插的设计原则，此时如需更换功能模块的底层实现，直接予以替换即可「如替换Jar、替换maven依赖等」，业务代码无需任何改动。上述想法很美好，但是程序使用依赖的功能模块时，必须进行指明，不然程序运行时可能找不到相应的实现类，但是为了解耦，我们不想在业务代码中声明具体的实现，有什么解决方法吗？

这就需要一种服务发现机制。Java SPI就是提供这样的一个机制。Java SPI机制「Service Provider Interface」主要用于插件等，如需详细了解可参考java.util.ServiceLoader的文档。

1.2 Java SPI约定

Java SPI的具体约定为：当服务的提供者，提供了服务接口的一种实现之后，在jar包的META-INF/services/目录里同时创建一个以服务接口命名的文件。该文件里就是实现该服务接口的具体实现类。而当外部程序装配这个模块的时候，就能通过该jar包META-INF/services/里的配置文件找到具体的实现类名，并装载实例化，完成模块的注入。 基于这样一个约定就能很好的找到服务接口的实现类，而不需要再在代码里指定。JDK中提供了服务实现查找的一个工具类：java.util.ServiceLoader

1.3 Spring Boot中的SPI机制

在Spring中也有一种类似与Java SPI的加载机制。它在META-INF/spring.factories文件中配置接口的实现类名称，然后在程序中读取这些配置文件并实例化。这种自定义的SPI机制是Spring Boot Starter实现的基础。

2. Spring Boot实现SPI的源码分析

下面就根据Spring Boot应用的启动过程，对源码进行简要分析。当然Spring Boot本质是对Spring的再封装，故以下内容适用于Spring，只是部分源码是Spring Boot专属的。要注意的是，为了节省篇幅，避免喧宾夺主，会对实际源码进行精简，以突出要表述的内容。

首先展示最经典的Spring Boot启动代码，本节从此处讲起，如下：

public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication application = new SpringApplication(Application.class);
        application.run(args);
    }
}

2.1 实例化SpringApplication对象

在实例化SpringApplication对象时，可以看到程序调用了如下构造方法。在执行到setInitializers((Collection)getSpringFactoriesInstances(ApplicationContextInitializer.class));时，即触发了Spring实现的SPI。

public SpringApplication(ResourceLoader resourceLoader, Class<?>... primarySources) {
    this.resourceLoader = resourceLoader;
    Assert.notNull(primarySources, "PrimarySources must not be null");
    this.primarySources = new LinkedHashSet<>(Arrays.asList(primarySources));
    this.webApplicationType = WebApplicationType.deduceFromClasspath();
    setInitializers((Collection) getSpringFactoriesInstances(
            ApplicationContextInitializer.class));
    setListeners((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationListener.class));
    this.mainApplicationClass = deduceMainApplicationClass();
}

继续深入看该方法的具体实现，定位到该方法：org.springframework.boot.SpringApplication#getSpringFactoriesInstances，该方法的源码如下：

private <T> Collection<T> getSpringFactoriesInstances(Class<T> type,
        Class<?>[] parameterTypes, Object... args) {
    ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    Set<String> names = new LinkedHashSet<>(
            SpringFactoriesLoader.loadFactoryNames(type, classLoader));
    List<T> instances = createSpringFactoriesInstances(type, parameterTypes,
            classLoader, args, names);
    AnnotationAwareOrderComparator.sort(instances);
    return instances;
}

Spring-Core包里定义了SpringFactoriesLoader类，该类实现了检索META-INF/spring.factories文件，并获取指定接口的配置的功能。在这个类中定义了两个对外的方法：
loadFactories：根据接口类获取其实现类的实例，这个方法返回的是对象列表。
loadFactoryNames：根据接口获取其接口类的名称，这个方法返回的是类名的列表。
上面的两个方法的关键都是从指定的ClassLoader中获取spring.factories文件，并解析得到类名列表，

此处使用的是loadFactoryNames方法。继续深入发现实际调用的是loadSpringFactories方法：

private static Map<String, List<String>> loadSpringFactories(@Nullable ClassLoader classLoader) {
    MultiValueMap<String, String> result = cache.get(classLoader);
    if (result != null) {
        return result;
    }
    try {
        Enumeration<URL> urls = (classLoader != null ?
                classLoader.getResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION) :
                ClassLoader.getSystemResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION));
        result = new LinkedMultiValueMap<>();
        while (urls.hasMoreElements()) {
            URL url = urls.nextElement();
            UrlResource resource = new UrlResource(url);
            Properties properties = PropertiesLoaderUtils.loadProperties(resource);
            for (Map.Entry<?, ?> entry : properties.entrySet()) {
                List<String> factoryClassNames = Arrays.asList(
                        StringUtils.commaDelimitedListToStringArray((String) entry.getValue()));
                result.addAll((String) entry.getKey(), factoryClassNames);
            }
        }
        cache.put(classLoader, result);
        return result;
    }
    catch (IOException ex) {
        throw new IllegalArgumentException("Unable to load factories from location [" +
                FACTORIES_RESOURCE_LOCATION + "]", ex);
    }
}

其中静态常量FACTORIES_RESOURCE_LOCATION = "META-INF/spring.factories"

2.2 加载factories文件

java.lang.ClassLoader#getResources方法会遍历整个项目「包含依赖」的META-INF/spring.factories文件，取得其绝对路径，如/Users/bitkylin/.m2/repository/cn/bitkylin/test/1.0.0/test.jar/META-INF/spring.factories，使用PropertiesLoaderUtils#loadProperties方法从路径加载，并最终将接口和其实现类的全名缓存在cache对象中。cache对象的结构如下：

一颗多叉树。将spring.factories中配置的所有接口和其实现类的全名都读取了出来。此接口将接口org.springframework.context.ApplicationListener的实现类的类名的集合作为结果返回，而后org.springframework.boot.SpringApplication#createSpringFactoriesInstances方法将上述实现类均进行实例化，此时监听器就都创建好并注册了。

spring.factories是通过Properties解析得到的，我们可以按照如下规则编写：

com.xxx.interface=com.xxx.classname

key是接口，value是实现类。系统会自动将其初始化为如图所示的结构，方便使用。

2.3 Spring Boot启动

调用org.springframework.boot.SpringApplication#run方法，开始启动Spring Boot。在启动最开始阶段，程序就会调用到org.springframework.boot.SpringApplication#prepareEnvironment方法，并最终调用到经典的org.springframework.context.event.SimpleApplicationEventMulticaster#invokeListener方法「典型的观察者模式，标准的Spring事件/监听器模型」，源码如下：

protected void invokeListener(ApplicationListener<?> listener, ApplicationEvent event) {
    ErrorHandler errorHandler = getErrorHandler();
    if (errorHandler != null) {
        try {
            doInvokeListener(listener, event);
        }
        catch (Throwable err) {
            errorHandler.handleError(err);
        }
    }
    else {
        doInvokeListener(listener, event);
    }
}

通过该方法，将事件ApplicationEnvironmentPreparedEvent传递到所有已注册的监听器，可以借此实现Spring Boot启动时自动读取远端Environment。具体做法下节再讲述。

参考链接

spring.factories