Spring源码之IoC容器的基本实现

Spring源码之容器的基本实现

概述

Spring是一个开放源代码的设计层面框架，他解决的是业务逻辑层和其他各层的松耦合问题，因此它将面向接口的编程思想贯穿整个系统应用。Spring是于2003 年兴起的一个轻量级的Java 开发框架，由Rod Johnson创建。简单来说，Spring是一个分层的JavaSE/EE full-stack(一站式) 轻量级开源框架。

本文以Spring 5.1.X版本为前提

Spring的结构组成

Spring框架是一个分层架构，它包含一系列的功能要素，并被分为大约20个模块，如下图所示：

Spring容器类型

Spring提供了两种不同的类型的容器

Spring BeanFactory容器:它是最简单的容器，给 DI 提供了基本的支持ApplicationContext容器 :ApplicationContext 容器继承自BeanFactory,它包括 BeanFactory 容器的所有功能，所以通常建议使用。

Spring容器的类别及其特点

IoC容器的初始化过程

所谓的IOC，其实就是把我们的类打包成一个BeanDefinition对象，该对象里面会包含我们的类Class名称，以及我们在xml中定义的scope,还要这个类的属性等信息。然后把这个BeanDefinition对象put到Map中，这个Map就是我们所谓的容器。

具体来说，这个启动包括BeanDefinition的Resouce定位、载入和注册三个基本过程。如果我们了解如何编程式地使用IoC容器，就可以清楚地看到Resource定位和载入过程的接口调用。．具体分别如下：

• 第一个过程是Resource定位过程。这个Resource定位指的是BeanDefinition的资源定位，它由ResourceLoader通过统一的Resource接口来完成，这个Resource对各种形式的BeanDefinition的使用都提供了统一接口。对于这些BeanDefinition的存在形式，相信大家都不会感到陌生。比如，在文件系统中的Bean定义信息可以使用FileSystemResource来进行抽象；在类路径中的Bean定义信息可以使用前面提到的ClassPathResource来使用，等等。这个定位过程类似于容器寻找数据的过程，就像用水桶装水先要把水找到一样。
• 第二个过程是BeanDefinition的载入。这个载入过程是把用户定义好的Bean表示成IoC容器内部的数据结构，而这个容器内部的数据结构就是BeanDefinition。下面介绍这个数据结构的详细定义。具体来说，这个BeanDefinition实际上就是POJO对象在IoC容器中的抽象，通过这个BeanDefinition定义的数据结构，使IoC容器能够方便地对POJO对象也就是Bean进行管理。在下面的章节中，我们会对这个载入的过程进行详细的分析，使大家对整个过程有比较清楚的了解。
• 第三个过程是向IoC容器注册这些BeanDefinition的过程。这个过程是通过调用BeanDefinitionRegistry接口的实现来完成的。这个注册过程把载入过程中解析得到的BeanDefinition向IoC容器进行注册。通过分析，我们可以看到，在IoC容器内部将BeanDefinition注入到一个HashMap中去，IoC容器就是通过这个HashMap来持有这些BeanDefinition数据的.

​ 值得注意的是，这里谈的是IoC容器初始化过程，在这个过程中，一般不包含Bean依赖注入的实现。在Spring IoC的设计中，Bean定义的载入和依赖注入是两个独立的过程,下面我们看看这个启动过程．

在使用IoC容器时，需要如下几个步骤：

1）创建IoC配置文件的抽象资源，这个抽象资源包含了BeanDefinition的定义信息．

2）创建一个BeanFactory，比如常用的DefaultListableBeanFactory。

3）创建一个载入BeanDefinition的读取器，比如XmlBeanDefinitionReader来载入XML文件形式的BeanDefinition，通过一个回调配置给BeanFactory。

4）从定义好的资源位置读入配置信息，具体的解析过程由XmlBeanDefinitionReader来完成。完成整个载入和注册Bean定义之后，需要的IoC容器就建立起来了。这个时候就可以直接使用IoC容器了。

IOC容器具体实现源码解析

以读取xml配置文件为例

ClassPathXmlApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("applicationContext.xml");

    public ClassPathXmlApplicationContext(String[] paths, Class<?> clazz, ApplicationContext parent)
            throws BeansException {
    // 动态确定使用哪个加载器加载配置文件
        super(parent);
        Assert.notNull(paths, "Path array must not be null");
        Assert.notNull(clazz, "Class argument must not be null");
    // 获取配置文件的路径
        this.configResources = new Resource[paths.length];
        for (int i = 0; i < paths.length; i++) {
            this.configResources[i] = new ClassPathResource(paths[i], clazz);
        }
    // 加载配置文件
        refresh();
    }

ClassPathResource

ClassPathResource 中的实现方式便是通 class 或者 classLoader 提供的底层方法进行调用

public class ClassPathResource extends AbstractFileResolvingResource {
    private final String path;
    @Nullable
    private ClassLoader classLoader;
    @Nullable
    private Class<?> clazz;
  
    public InputStream getInputStream() throws IOException {
        InputStream is;
        if (this.clazz != null) {
            is = this.clazz.getResourceAsStream(this.path);
        } else if (this.classLoader != null) {
            is = this.classLoader.getResourceAsStream(this.path);
        } else {
            is = ClassLoader.getSystemResourceAsStream(this.path);
        }

        if (is == null) {
            throw new FileNotFoundException(this.getDescription() + " cannot be opened because it does not exist");
        } else {
            return is;
        }
    }
}

ClassPathXmlApplicationContext

refresh()是来自AbstractApplicationContext里面，ClassPathXmlApplicationContext的refresh()也是出自

AbstractApplicationContext.refresh()方法代码如下(从里面也基本可以看出初始化的大致过程)：

public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
    synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
        // Prepare this context for refreshing.
        //准备启动spring容器，设置容器的启动日期和活动标志 
        prepareRefresh();

        // Tell the subclass to refresh the internal bean factory.
        //获得容器ApplicationContext的子类BeanFactory。步骤如下：
        //1.如果已经有了BeanFactory就销毁它里面的单例Bean并关闭这个BeanFactory。
        //2.创建一个新的BeanFactory。
        //3.对这个BeanFactory进行定制（customize),如allowBeanDefinitionOverriding等参数
        //4.转载BeanDefinitions(读取配置文件，将xml转换成对应得BeanDefinition)
        //5.检查是否同时启动了两个BeanFactory。  
        ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();

        // Prepare the bean factory for use in this context.
        //配置BeanFactory（就是将ApplicationContext的一些属性配置到BeanFactory上吧）
　　　　　//如重要的如设置classLoader；将BeanPostProcess注册到BeanFactory里  
        prepareBeanFactory(beanFactory);

        try {
        // Allows post-processing of the bean factory in context subclasses.
        //允许上下文的子类去执行postProcessor  
        postProcessBeanFactory(beanFactory);

        // Invoke factory processors registered as beans in the context.
        // 执行注册到该上下文的BeanFactoryPostProcessors
        invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);

        // Register bean processors that intercept bean creation.
        // 开始注册BeanPostProcessor来拦截其他的bean的初始化过程
        registerBeanPostProcessors(beanFactory);

        // Initialize message source for this context.
        // 初始化消息源
        initMessageSource();

        // Initialize event multicaster for this context.
        //注册上下文事件的广播集  
        initApplicationEventMulticaster();

        // Initialize other special beans in specific context subclasses.
        //初始化一些特殊的bean
        onRefresh();

        // Check for listener beans and register them.
        //查询并校验监听器并注册
        registerListeners();

        // Instantiate all remaining (non-lazy-init) singletons.
        /// 实例化所有非懒加载的所有bean
        finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

        // Last step: publish corresponding event.
        //最后一步发布所有的运用
        finishRefresh();
        }

        catch (BeansException ex) {
            if (logger.isWarnEnabled()) {
                logger.warn("Exception encountered during context initialization - " +
                "cancelling refresh attempt: " + ex);
            }

            // Destroy already created singletons to avoid dangling resources.
            destroyBeans();

            // Reset 'active' flag.
            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...
            resetCommonCaches();
        }
    }
}

BeanFactory

obtainFreshBeanFactory方法如下：

    /**
     * Tell the subclass to refresh the internal bean factory.
     * @return the fresh BeanFactory instance
     * @see #refreshBeanFactory()
     * @see #getBeanFactory()
     */
    protected ConfigurableListableBeanFactory obtainFreshBeanFactory() {
    //第一步对Resource定位
        refreshBeanFactory();
        ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = getBeanFactory();
        if (logger.isDebugEnabled()) {
            logger.debug("Bean factory for " + getDisplayName() + ": " + beanFactory);
        }
        return beanFactory;
    }

AbstractRefreshableApplicationContext.refreshBeanFactory方法源码如下：

    /**
     * This implementation performs an actual refresh of this context's underlying
     * bean factory, shutting down the previous bean factory (if any) and
     * initializing a fresh bean factory for the next phase of the context's lifecycle.
     */
    @Override
    protected final void refreshBeanFactory() throws BeansException {
        if (hasBeanFactory()) {
            destroyBeans();
            closeBeanFactory();
        }
        try {
      // 创建容器
            DefaultListableBeanFactory beanFactory = createBeanFactory();
            beanFactory.setSerializationId(getId());
      // 对容器进行定制化，如设置启动的参数，开启注解的自动装配等
            customizeBeanFactory(beanFactory);
      // 载入BeanDefinition，委派模式
            loadBeanDefinitions(beanFactory);
            synchronized (this.beanFactoryMonitor) {
                this.beanFactory = beanFactory;
            }
        }
        catch (IOException ex) {
            throw new ApplicationContextException("I/O error parsing bean definition source for " + getDisplayName(), ex);
        }
    }

DefaultListableBeanFactory

public DefaultListableBeanFactory(@Nullable BeanFactory parentBeanFactory) {
      super(parentBeanFactory);
}

AbstractAutowireCapableBeanFactory.java

public AbstractAutowireCapableBeanFactory(@Nullable BeanFactory parentBeanFactory) {
   this();
   this.setParentBeanFactory(parentBeanFactory);
}

    public AbstractAutowireCapableBeanFactory() {
        this.instantiationStrategy = new CglibSubclassingInstantiationStrategy();
        this.parameterNameDiscoverer = new DefaultParameterNameDiscoverer();
        this.allowCircularReferences = true;
        this.allowRawInjectionDespiteWrapping = false;
        this.ignoredDependencyTypes = new HashSet();
        this.ignoredDependencyInterfaces = new HashSet();
        this.currentlyCreatedBean = new NamedThreadLocal("Currently created bean");
        this.factoryBeanInstanceCache = new ConcurrentHashMap(16);
        this.filteredPropertyDescriptorsCache = new ConcurrentHashMap(256);
        // 自动装配时忽略给定的依赖接口
        // 忽略该接口的实现类中和接口setter方法入参类型相同的依赖
        this.ignoreDependencyInterface(BeanNameAware.class);
        this.ignoreDependencyInterface(BeanFactoryAware.class);
        this.ignoreDependencyInterface(BeanClassLoaderAware.class);
    }

ignoreDependencylnterface 的主要功能是 忽略给定接口的向动装配功能。

举例来说，当 A 中有属性 B ，那么当 Spring 在获取 A的 Bean 的时候如果其属性 B 还没有 初始化，那么 Spring 会自动初始化 B，这也是 Spring 提供的一个重要特性 。但是，某些情况 下， B不会被初始化，其中的一种情况就是B 实现了 BeanNameAware 接口 。Spring 中是这样介绍的：自动装配时忽略给定的依赖接口，典型应用是边过其他方式解析 Application 上下文注册依赖，类似于 BeanFactory 通过 BeanFactoryAware 进行注入或者 ApplicationContext 通过 ApplicationContextAware 进行注入。

调用ignoreDependencyInterface方法后，被忽略的接口会存储在BeanFactory的名为ignoredDependencyInterfaces的Set集合中：

public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory implements AutowireCapableBeanFactory {
  
  private final Set<Class<?>> ignoredDependencyInterfaces;
  
  public void ignoreDependencyInterface(Class<?> ifc) {
      this.ignoredDependencyInterfaces.add(ifc);
  }
}

ignoredDependencyInterface的真正作用还得看AutowireUtils类的isSetterDefinedInInterface方法:

public static boolean isSetterDefinedInInterface(PropertyDescriptor pd, Set<Class<?>> interfaces) {
        // //获取bean中某个属性对象在bean类中的setter方法
        Method setter = pd.getWriteMethod();
        if (setter != null) {
            // // 获取bean的类型
            Class<?> targetClass = setter.getDeclaringClass();
            Iterator var4 = interfaces.iterator();

            while(var4.hasNext()) {
                Class<?> ifc = (Class)var4.next();
                // bean类型是否接口的实现类
                // 接口是否有入参和bean类型完全相同的setter方法
                if (ifc.isAssignableFrom(targetClass) && ClassUtils.hasMethod(ifc, setter.getName(), setter.getParameterTypes())) {
                    return true;
                }
            }
        }

        return false;
}

我们最初理解是在自动装配时忽略该接口的实现，实际上是在自动装配时忽略该接口实现类中和setter方法入参相同的类型，也就是忽略该接口实现类中存在依赖外部的bean属性注入。

典型应用就是BeanFactoryAware和ApplicationContextAware接口。首先看该两个接口的源码：

public interface BeanFactoryAware extends Aware {
    void setBeanFactory(BeanFactory var1) throws BeansException;
}

public interface ApplicationContextAware extends Aware {
    void setApplicationContext(ApplicationContext var1) throws BeansException;
}

在Spring源码中在不同的地方忽略了该两个接口：

// AbstractAutowireCapableBeanFactory.java
this.ignoreDependencyInterface(BeanFactoryAware.class);
// AbstractApplicationContext.java
beanFactory.ignoreDependencyInterface(ApplicationContextAware.class);

这样的做法使得ApplicationContextAware和BeanFactoryAware中的ApplicationContext或BeanFactory依赖在自动装配时被忽略，而统一由框架设置依赖，如ApplicationContextAware接口的设置会在ApplicationContextAwareProcessor类中完成：

    private void invokeAwareInterfaces(Object bean) {
        if (bean instanceof Aware) {
            if (bean instanceof EnvironmentAware) {
                ((EnvironmentAware)bean).setEnvironment(this.applicationContext.getEnvironment());
            }

            if (bean instanceof EmbeddedValueResolverAware) {
                ((EmbeddedValueResolverAware)bean).setEmbeddedValueResolver(this.embeddedValueResolver);
            }

            if (bean instanceof ResourceLoaderAware) {
                ((ResourceLoaderAware)bean).setResourceLoader(this.applicationContext);
            }

            if (bean instanceof ApplicationEventPublisherAware) {
                ((ApplicationEventPublisherAware)bean).setApplicationEventPublisher(this.applicationContext);
            }

            if (bean instanceof MessageSourceAware) {
                ((MessageSourceAware)bean).setMessageSource(this.applicationContext);
            }

            if (bean instanceof ApplicationContextAware) {
                ((ApplicationContextAware)bean).setApplicationContext(this.applicationContext);
            }
        }

    }

通过这种方式保证了ApplicationContextAware和BeanFactoryAware中的容器保证是生成该bean的容器。

BeanDefinitions

AbstractXmlApplicationContext.loadBeanDefinitions

    protected void loadBeanDefinitions(DefaultListableBeanFactory beanFactory) throws BeansException, IOException {
        // Create a new XmlBeanDefinitionReader for the given BeanFactory.
    // 创建Bean读取器，并通过回调设置到容器中，容器使用该读取器
        XmlBeanDefinitionReader beanDefinitionReader = new XmlBeanDefinitionReader(beanFactory);

        // Configure the bean definition reader with this context's
        // resource loading environment.
    // 为Bean读取器设置环境变量
        beanDefinitionReader.setEnvironment(this.getEnvironment());
    // 设置Spring资源加载器
        beanDefinitionReader.setResourceLoader(this);
    // 设置SAX xml解析器
        beanDefinitionReader.setEntityResolver(new ResourceEntityResolver(this));

        // Allow a subclass to provide custom initialization of the reader,
        // then proceed with actually loading the bean definitions.
        initBeanDefinitionReader(beanDefinitionReader);
        loadBeanDefinitions(beanDefinitionReader);
    }

最终调用了XmlBeanDefinitionReader.loadBeanDefinitions

public int loadBeanDefinitions(EncodedResource encodedResource) throws BeanDefinitionStoreException {
  ...
    var5 = this.doLoadBeanDefinitions(inputSource, encodedResource.getResource());
  ...
}

    protected int doLoadBeanDefinitions(InputSource inputSource, Resource resource) throws BeanDefinitionStoreException {
        try {
            // 调用doLoadDocument方法将资源文件转换为Document实例
            Document doc = this.doLoadDocument(inputSource, resource);
            // 调用registerBeanDefinitions方法提取并注册bean
            return this.registerBeanDefinitions(doc, resource);
        } catch (BeanDefinitionStoreException var4) {
            throw var4;
        } catch (SAXParseException var5) {
            throw new XmlBeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(), "Line " + var5.getLineNumber() + " in XML document from " + resource + " is invalid", var5);
        } catch (SAXException var6) {
            throw new XmlBeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(), "XML document from " + resource + " is invalid", var6);
        } catch (ParserConfigurationException var7) {
            throw new BeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(), "Parser configuration exception parsing XML from " + resource, var7);
        } catch (IOException var8) {
            throw new BeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(), "IOException parsing XML document from " + resource, var8);
        } catch (Throwable var9) {
            throw new BeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(), "Unexpected exception parsing XML document from " + resource, var9);
        }
    }

继续向下走会发现调用了DefaultBeanDefinitionDocumentReader的doRegisterBeanDefinitions方法完成了bean的解析及注册。

    protected void doRegisterBeanDefinitions(Element root) {
        BeanDefinitionParserDelegate parent = this.delegate;
        this.delegate = this.createDelegate(this.getReaderContext(), root, parent);
        if (this.delegate.isDefaultNamespace(root)) {
            String profileSpec = root.getAttribute("profile");
            if (StringUtils.hasText(profileSpec)) {
                String[] specifiedProfiles = StringUtils.tokenizeToStringArray(profileSpec, ",; ");
                if (!this.getReaderContext().getEnvironment().acceptsProfiles(specifiedProfiles)) {
                    if (this.logger.isInfoEnabled()) {
                        this.logger.info("Skipped XML bean definition file due to specified profiles [" + profileSpec + "] not matching: " + this.getReaderContext().getResource());
                    }

                    return;
                }
            }
        }

        // 解析前处理，子类实现
        this.preProcessXml(root);
        this.parseBeanDefinitions(root, this.delegate);
        // 解析后处理，子类实现
        this.postProcessXml(root);
        this.delegate = parent;
    }

类的结构层次图

XmlBeanFactory继承自DefaultListableBeanFactory，而DefaultListableBeanFactory是整个bean加载的核心部分，是Spring注册及加载bean的默认实现

XML配置文件的读取是Spring中重要的功能，因为Spring的大部分功能都是以配置作为切入点的，可以从XmlBeanDefinitionReader中梳理一下资源文件读取、解析及注册的大致脉络