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CRUD搬砖两三年了,怎么阅读Spring源码?

小傅哥
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作者:小傅哥
博客:https://bugstack.cn

沉淀、分享、成长,让自己和他人都能有所收获!😄

👨‍💻连读同事写的代码都费劲,还读Spring? 咋的,Spring 很难读!

这个与我们码农朝夕相处的 Spring,就像睡在你身边的媳妇,你知道找她要吃、要喝、要零花钱、要买皮肤。但你不知道她的仓库共有多少存粮、也不知道她是买了理财还是存了银行。🍑开个玩笑,接下来我要正经了!


一、为什么Spring难读懂?

为什么 Spring 天天用,但要想去读一读源码,怎么就那么难!因为由Java和J2EE开发领域的专家 Rod Johnson 于 2002 年提出并随后创建的 Spring 框架,随着 JDK 版本和市场需要发展至今,至今它已经越来越大了!

当你阅读它的源码你会感觉:

  1. 怎么这代码跳来跳去的,根本不是像自己写代码一样那么单纯
  2. 为什么那么多的接口和接口继承,类A继承的类B还实现了类A实现的接口X
  3. 简单工厂、工厂方法、代理模式、观察者模式,怎么用了会有这样多的设计模式使用
  4. 又是资源加载、又是应用上下文、又是IOC、又是AOP、贯穿的还有 Bean 的声明周期,一片一片的代码从哪下手

怎样,这就是你在阅读 Spring 遇到的一些列问题吧?其实不止你甚至可以说只要是从事这个行业的码农,想读 Spring 源码都会有种不知道从哪下手的感觉。所以我想了个办法,既然 Spring 太大不好了解,那么我就尝试从一个小的 Spring 开始,手撸 实现一个 Spring 是不可以理解的更好,别说效果还真不错,在花了将近2个月的时间,实现一个简单版本的 Spring 后 现在对 Spring 的理解,有了很大的提升,也能读懂 Spring 的源码了。

二、分享手撸 Spring

通过这样手写简化版 Spring 框架,了解 Spring 核心原理。在手写的过程中会简化 Spring 源码,摘取整体框架中的核心逻辑,简化代码实现过程,保留核心功能,例如:IOC、AOP、Bean生命周期、上下文、作用域、资源处理等内容实现。

源码https://github.com/fuzhengwei/small-spring

1. 实现一个简单的Bean容器

凡是可以存放数据的具体数据结构实现,都可以称之为容器。例如:ArrayList、LinkedList、HashSet等,但在 Spring Bean 容器的场景下,我们需要一种可以用于存放和名称索引式的数据结构,所以选择 HashMap 是最合适不过的。

这里简单介绍一下 HashMap,HashMap 是一种基于扰动函数、负载因子、红黑树转换等技术内容,形成的拉链寻址的数据结构,它能让数据更加散列的分布在哈希桶以及碰撞时形成的链表和红黑树上。它的数据结构会尽可能最大限度的让整个数据读取的复杂度在 O(1) ~ O(Logn) ~O(n)之间,当然在极端情况下也会有 O(n) 链表查找数据较多的情况。不过我们经过10万数据的扰动函数再寻址验证测试,数据会均匀的散列在各个哈希桶索引上,所以 HashMap 非常适合用在 Spring Bean 的容器实现上。

另外一个简单的 Spring Bean 容器实现,还需 Bean 的定义、注册、获取三个基本步骤,简化设计如下;

  • 定义:BeanDefinition,可能这是你在查阅 Spring 源码时经常看到的一个类,例如它会包括 singleton、prototype、BeanClassName 等。但目前我们初步实现会更加简单的处理,只定义一个 Object 类型用于存放对象。
  • 注册:这个过程就相当于我们把数据存放到 HashMap 中,只不过现在 HashMap 存放的是定义了的 Bean 的对象信息。
  • 获取:最后就是获取对象,Bean 的名字就是key,Spring 容器初始化好 Bean 以后,就可以直接获取了。

2. 运用设计模式,实现 Bean 的定义、注册、获取

将 Spring Bean 容器完善起来,首先非常重要的一点是在 Bean 注册的时候只注册一个类信息,而不会直接把实例化信息注册到 Spring 容器中。那么就需要修改 BeanDefinition 中的属性 Object 为 Class,接下来在需要做的就是在获取 Bean 对象时需要处理 Bean 对象的实例化操作以及判断当前单例对象在容器中是否已经缓存起来了。整体设计如图 3-1

  • 首先我们需要定义 BeanFactory 这样一个 Bean 工厂,提供 Bean 的获取方法 getBean(String name),之后这个 Bean 工厂接口由抽象类 AbstractBeanFactory 实现。这样使用模板模式的设计方式,可以统一收口通用核心方法的调用逻辑和标准定义,也就很好的控制了后续的实现者不用关心调用逻辑,按照统一方式执行。那么类的继承者只需要关心具体方法的逻辑实现即可。
  • 那么在继承抽象类 AbstractBeanFactory 后的 AbstractAutowireCapableBeanFactory 就可以实现相应的抽象方法了,因为 AbstractAutowireCapableBeanFactory 本身也是一个抽象类,所以它只会实现属于自己的抽象方法,其他抽象方法由继承 AbstractAutowireCapableBeanFactory 的类实现。这里就体现了类实现过程中的各司其职,你只需要关心属于你的内容,不是你的内容,不要参与。
  • 另外这里还有块非常重要的知识点,就是关于单例 SingletonBeanRegistry 的接口定义实现,而 DefaultSingletonBeanRegistry 对接口实现后,会被抽象类 AbstractBeanFactory 继承。现在 AbstractBeanFactory 就是一个非常完整且强大的抽象类了,也能非常好的体现出它对模板模式的抽象定义。

3. 基于Cglib实现含构造函数的类实例化策略

填平这个坑的技术设计主要考虑两部分,一个是串流程从哪合理的把构造函数的入参信息传递到实例化操作里,另外一个是怎么去实例化含有构造函数的对象。

图 4-1

  • 参考 Spring Bean 容器源码的实现方式,在 BeanFactory 中添加 Object getBean(String name, Object... args) 接口,这样就可以在获取 Bean 时把构造函数的入参信息传递进去了。
  • 另外一个核心的内容是使用什么方式来创建含有构造函数的 Bean 对象呢?这里有两种方式可以选择,一个是基于 Java 本身自带的方法 DeclaredConstructor,另外一个是使用 Cglib 来动态创建 Bean 对象。Cglib 是基于字节码框架 ASM 实现,所以你也可以直接通过 ASM 操作指令码来创建对象

4. 为Bean对象注入属性和依赖Bean的功能实现

鉴于属性填充是在 Bean 使用 newInstance 或者 Cglib 创建后,开始补全属性信息,那么就可以在类 AbstractAutowireCapableBeanFactory 的 createBean 方法中添加补全属性方法。这部分大家在实习的过程中也可以对照Spring源码学习,这里的实现也是Spring的简化版,后续对照学习会更加易于理解

  • 属性填充要在类实例化创建之后,也就是需要在 AbstractAutowireCapableBeanFactory 的 createBean 方法中添加 applyPropertyValues 操作。
  • 由于我们需要在创建Bean时候填充属性操作,那么就需要在 bean 定义 BeanDefinition 类中,添加 PropertyValues 信息。
  • 另外是填充属性信息还包括了 Bean 的对象类型,也就是需要再定义一个 BeanReference,里面其实就是一个简单的 Bean 名称,在具体的实例化操作时进行递归创建和填充,与 Spring 源码实现一样。Spring 源码中 BeanReference 是一个接口

5. 设计与实现资源加载器,从Spring.xml解析和注册Bean对象

依照本章节的需求背景,我们需要在现有的 Spring 框架雏形中添加一个资源解析器,也就是能读取classpath、本地文件和云文件的配置内容。这些配置内容就是像使用 Spring 时配置的 Spring.xml 一样,里面会包括 Bean 对象的描述和属性信息。 在读取配置文件信息后,接下来就是对配置文件中的 Bean 描述信息解析后进行注册操作,把 Bean 对象注册到 Spring 容器中。整体设计结构如下图:

  • 资源加载器属于相对独立的部分,它位于 Spring 框架核心包下的IO实现内容,主要用于处理Class、本地和云环境中的文件信息。
  • 当资源可以加载后,接下来就是解析和注册 Bean 到 Spring 中的操作,这部分实现需要和 DefaultListableBeanFactory 核心类结合起来,因为你所有的解析后的注册动作,都会把 Bean 定义信息放入到这个类中。
  • 那么在实现的时候就设计好接口的实现层级关系,包括我们需要定义出 Bean 定义的读取接口 BeanDefinitionReader 以及做好对应的实现类,在实现类中完成对 Bean 对象的解析和注册。

6. 设计与实现资源加载器,从Spring.xml解析和注册Bean对象

为了能满足于在 Bean 对象从注册到实例化的过程中执行用户的自定义操作,就需要在 Bean 的定义和初始化过程中插入接口类,这个接口再有外部去实现自己需要的服务。那么在结合对 Spring 框架上下文的处理能力,就可以满足我们的目标需求了。整体设计结构如下图:

  • 满足于对 Bean 对象扩展的两个接口,其实也是 Spring 框架中非常具有重量级的两个接口:BeanFactoryPostProcessBeanPostProcessor,也几乎是大家在使用 Spring 框架额外新增开发自己组建需求的两个必备接口。
  • BeanFactoryPostProcessor,是由 Spring 框架组建提供的容器扩展机制,允许在 Bean 对象注册后但未实例化之前,对 Bean 的定义信息 BeanDefinition 执行修改操作。
  • BeanPostProcessor,也是 Spring 提供的扩展机制,不过 BeanPostProcessor 是在 Bean 对象实例化之后修改 Bean 对象,也可以替换 Bean 对象。这部分与后面要实现的 AOP 有着密切的关系。
  • 同时如果只是添加这两个接口,不做任何包装,那么对于使用者来说还是非常麻烦的。我们希望于开发 Spring 的上下文操作类,把相应的 XML 加载 、注册、实例化以及新增的修改和扩展都融合进去,让 Spring 可以自动扫描到我们的新增服务,便于用户使用。

7. 实现应用上下文,自动识别、资源加载、扩展机制

可能面对像 Spring 这样庞大的框架,对外暴露的接口定义使用或者xml配置,完成的一系列扩展性操作,都让 Spring 框架看上去很神秘。其实对于这样在 Bean 容器初始化过程中额外添加的处理操作,无非就是预先执行了一个定义好的接口方法或者是反射调用类中xml中配置的方法,最终你只要按照接口定义实现,就会有 Spring 容器在处理的过程中进行调用而已。整体设计结构如下图:

  • 在 spring.xml 配置中添加 init-method、destroy-method 两个注解,在配置文件加载的过程中,把注解配置一并定义到 BeanDefinition 的属性当中。这样在 initializeBean 初始化操作的工程中,就可以通过反射的方式来调用配置在 Bean 定义属性当中的方法信息了。另外如果是接口实现的方式,那么直接可以通过 Bean 对象调用对应接口定义的方法即可,((InitializingBean) bean).afterPropertiesSet(),两种方式达到的效果是一样的。
  • 除了在初始化做的操作外,destroy-methodDisposableBean 接口的定义,都会在 Bean 对象初始化完成阶段,执行注册销毁方法的信息到 DefaultSingletonBeanRegistry 类中的 disposableBeans 属性里,这是为了后续统一进行操作。这里还有一段适配器的使用,因为反射调用和接口直接调用,是两种方式。所以需要使用适配器进行包装,下文代码讲解中参考 DisposableBeanAdapter 的具体实现
    -关于销毁方法需要在虚拟机执行关闭之前进行操作,所以这里需要用到一个注册钩子的操作,如:Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("close!"))); 这段代码你可以执行测试,另外你可以使用手动调用 ApplicationContext.close 方法关闭容器。

8. 向虚拟机注册钩子,实现Bean对象的初始化和销毁方法

可能面对像 Spring 这样庞大的框架,对外暴露的接口定义使用或者xml配置,完成的一系列扩展性操作,都让 Spring 框架看上去很神秘。其实对于这样在 Bean 容器初始化过程中额外添加的处理操作,无非就是预先执行了一个定义好的接口方法或者是反射调用类中xml中配置的方法,最终你只要按照接口定义实现,就会有 Spring 容器在处理的过程中进行调用而已。整体设计结构如下图:

  • 在 spring.xml 配置中添加 init-method、destroy-method 两个注解,在配置文件加载的过程中,把注解配置一并定义到 BeanDefinition 的属性当中。这样在 initializeBean 初始化操作的工程中,就可以通过反射的方式来调用配置在 Bean 定义属性当中的方法信息了。另外如果是接口实现的方式,那么直接可以通过 Bean 对象调用对应接口定义的方法即可,((InitializingBean) bean).afterPropertiesSet(),两种方式达到的效果是一样的。
  • 除了在初始化做的操作外,destroy-methodDisposableBean 接口的定义,都会在 Bean 对象初始化完成阶段,执行注册销毁方法的信息到 DefaultSingletonBeanRegistry 类中的 disposableBeans 属性里,这是为了后续统一进行操作。这里还有一段适配器的使用,因为反射调用和接口直接调用,是两种方式。所以需要使用适配器进行包装,下文代码讲解中参考 DisposableBeanAdapter 的具体实现
    -关于销毁方法需要在虚拟机执行关闭之前进行操作,所以这里需要用到一个注册钩子的操作,如:Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("close!"))); 这段代码你可以执行测试,另外你可以使用手动调用 ApplicationContext.close 方法关闭容器。

9. 定义标记类型Aware接口,实现感知容器对象

如果说我希望拿到 Spring 框架中一些提供的资源,那么首先需要考虑以一个什么方式去获取,之后你定义出来的获取方式,在 Spring 框架中该怎么去承接,实现了这两项内容,就可以扩展出你需要的一些属于 Spring 框架本身的能力了。

在关于 Bean 对象实例化阶段我们操作过一些额外定义、属性、初始化和销毁的操作,其实我们如果像获取 Spring 一些如 BeanFactory、ApplicationContext 时,也可以通过此类方式进行实现。那么我们需要定义一个标记性的接口,这个接口不需要有方法,它只起到标记作用就可以,而具体的功能由继承此接口的其他功能性接口定义具体方法,最终这个接口就可以通过 instanceof 进行判断和调用了。整体设计结构如下图:

  • 定义接口 Aware,在 Spring 框架中它是一种感知标记性接口,具体的子类定义和实现能感知容器中的相关对象。也就是通过这个桥梁,向具体的实现类中提供容器服务
  • 继承 Aware 的接口包括:BeanFactoryAware、BeanClassLoaderAware、BeanNameAware和ApplicationContextAware,当然在 Spring 源码中还有一些其他关于注解的,不过目前我们还是用不到。
  • 在具体的接口实现过程中你可以看到,一部分(BeanFactoryAware、BeanClassLoaderAware、BeanNameAware)在 factory 的 support 文件夹下,另外 ApplicationContextAware 是在 context 的 support 中,这是因为不同的内容获取需要在不同的包下提供。所以,在 AbstractApplicationContext 的具体实现中会用到向 beanFactory 添加 BeanPostProcessor 内容的 ApplicationContextAwareProcessor 操作,最后由 AbstractAutowireCapableBeanFactory 创建 createBean 时处理相应的调用操作。关于 applyBeanPostProcessorsBeforeInitialization 已经在前面章节中实现过,如果忘记可以往前翻翻

10. 关于Bean对象作用域以及FactoryBean的实现和使用

关于提供一个能让使用者定义复杂的 Bean 对象,功能点非常不错,意义也非常大,因为这样做了之后 Spring 的生态种子孵化箱就此提供了,谁家的框架都可以在此标准上完成自己服务的接入。

但这样的功能逻辑设计上并不复杂,因为整个 Spring 框架在开发的过程中就已经提供了各项扩展能力的接茬,你只需要在合适的位置提供一个接茬的处理接口调用和相应的功能逻辑实现即可,像这里的目标实现就是对外提供一个可以二次从 FactoryBean 的 getObject 方法中获取对象的功能即可,这样所有实现此接口的对象类,就可以扩充自己的对象功能了。MyBatis 就是实现了一个 MapperFactoryBean 类,在 getObject 方法中提供 SqlSession 对执行 CRUD 方法的操作 整体设计结构如下图:

  • 整个的实现过程包括了两部分,一个解决单例还是原型对象,另外一个处理 FactoryBean 类型对象创建过程中关于获取具体调用对象的 getObject 操作。
  • SCOPE_SINGLETONSCOPE_PROTOTYPE,对象类型的创建获取方式,主要区分在于 AbstractAutowireCapableBeanFactory#createBean 创建完成对象后是否放入到内存中,如果不放入则每次获取都会重新创建。
  • createBean 执行对象创建、属性填充、依赖加载、前置后置处理、初始化等操作后,就要开始做执行判断整个对象是否是一个 FactoryBean 对象,如果是这样的对象,就需要再继续执行获取 FactoryBean 具体对象中的 getObject 对象了。整个 getBean 过程中都会新增一个单例类型的判断factory.isSingleton(),用于决定是否使用内存存放对象信息。

11. 基于观察者实现,容器事件和事件监听器

其实事件的设计本身就是一种观察者模式的实现,它所要解决的就是一个对象状态改变给其他对象通知的问题,而且要考虑到易用和低耦合,保证高度的协作。

在功能实现上我们需要定义出事件类、事件监听、事件发布,而这些类的功能需要结合到 Spring 的 AbstractApplicationContext#refresh(),以便于处理事件初始化和注册事件监听器的操作。整体设计结构如下图:

  • 在整个功能实现过程中,仍然需要在面向用户的应用上下文 AbstractApplicationContext 中添加相关事件内容,包括:初始化事件发布者、注册事件监听器、发布容器刷新完成事件。
  • 使用观察者模式定义事件类、监听类、发布类,同时还需要完成一个广播器的功能,接收到事件推送时进行分析处理符合监听事件接受者感兴趣的事件,也就是使用 isAssignableFrom 进行判断。
  • isAssignableFrom 和 instanceof 相似,不过 isAssignableFrom 是用来判断子类和父类的关系的,或者接口的实现类和接口的关系的,默认所有的类的终极父类都是Object。如果A.isAssignableFrom(B)结果是true,证明B可以转换成为A,也就是A可以由B转换而来。

12. 基于JDK和Cglib动态代理,实现AOP核心功能

在把 AOP 整个切面设计融合到 Spring 前,我们需要解决两个问题,包括:如何给符合规则的方法做代理以及做完代理方法的案例后,把类的职责拆分出来。而这两个功能点的实现,都是以切面的思想进行设计和开发。如果不是很清楚 AOP 是啥,你可以把切面理解为用刀切韭菜,一根一根切总是有点慢,那么用手(代理)把韭菜捏成一把,用菜刀或者斧头这样不同的拦截操作来处理。而程序中其实也是一样,只不过韭菜变成了方法,菜刀变成了拦截方法。整体设计结构如下图:

  • 就像你在使用 Spring 的 AOP 一样,只处理一些需要被拦截的方法。在拦截方法后,执行你对方法的扩展操作。
  • 那么我们就需要先来实现一个可以代理方法的 Proxy,其实代理方法主要是使用到方法拦截器类处理方法的调用 MethodInterceptor#invoke,而不是直接使用 invoke 方法中的入参 Method method 进行 method.invoke(targetObj, args) 这块是整个使用时的差异。
  • 除了以上的核心功能实现,还需要使用到 org.aspectj.weaver.tools.PointcutParser 处理拦截表达式 "execution(* cn.bugstack.springframework.test.bean.IUserService.*(..))",有了方法代理和处理拦截,我们就可以完成设计出一个 AOP 的雏形了。

13. 把AOP动态代理,融入到Bean的生命周期

其实在有了AOP的核心功能实现后,把这部分功能服务融入到 Spring 其实也不难,只不过要解决几个问题,包括:怎么借着 BeanPostProcessor 把动态代理融入到 Bean 的生命周期中,以及如何组装各项切点、拦截、前置的功能和适配对应的代理器。整体设计结构如下图:

  • 为了可以让对象创建过程中,能把xml中配置的代理对象也就是切面的一些类对象实例化,就需要用到 BeanPostProcessor 提供的方法,因为这个类的中的方法可以分别作用与 Bean 对象执行初始化前后修改 Bean 的对象的扩展信息。但这里需要集合于 BeanPostProcessor 实现新的接口和实现类,这样才能定向获取对应的类信息。
  • 但因为创建的是代理对象不是之前流程里的普通对象,所以我们需要前置于其他对象的创建,所以在实际开发的过程中,需要在 AbstractAutowireCapableBeanFactory#createBean 优先完成 Bean 对象的判断,是否需要代理,有则直接返回代理对象。在Spring的源码中会有 createBean 和 doCreateBean 的方法拆分
  • 这里还包括要解决方法拦截器的具体功能,提供一些 BeforeAdvice、AfterAdvice 的实现,让用户可以更简化的使用切面功能。除此之外还包括需要包装切面表达式以及拦截方法的整合,以及提供不同类型的代理方式的代理工厂,来包装我们的切面服务。

三、 学习说明

本代码仓库 https://github.com/fuzhengwei/small-spring 以 Spring 源码学习为目的,通过手写简化版 Spring 框架,了解 Spring 核心原理。

在手写的过程中会简化 Spring 源码,摘取整体框架中的核心逻辑,简化代码实现过程,保留核心功能,例如:IOC、AOP、Bean生命周期、上下文、作用域、资源处理等内容实现。


  1. 此专栏为实战编码类资料,在学习的过程中需要结合文中每个章节里,要解决的目标,进行的思路设计,带入到编码实操过程。在学习编码的同时也最好理解关于这部分内容为什么这样的实现,它用到了哪样的设计模式,采用了什么手段做了什么样的职责分离。只有通过这样的学习才能更好的理解和掌握 Spring 源码的实现过程,也能帮助你在以后的深入学习和实践应用的过程中打下一个扎实的基础。
  2. 另外此专栏内容的学习上结合了设计模式,下对应了SpringBoot 中间件设计和开发,所以读者在学习的过程中如果遇到不理解的设计模式可以翻阅相应的资料,在学习完 Spring 后还可以结合中间件的内容进行练习。
  3. 源码:此专栏涉及到的源码已经全部整合到当前工程下,可以与章节中对应的案例源码一一匹配上。大家拿到整套工程可以直接运行,也可以把每个章节对应的源码工程单独打开运行。
  4. 如果你在学习的过程中遇到什么问题,包括:不能运行、优化意见、文字错误等任何问题都可以提交issue
  5. 在专栏的内容编写中,每一个章节都提供了清晰的设计图稿和对应的类图,所以学习过程中一定不要只是在乎代码是怎么编写的,更重要的是理解这些设计的内容是如何来的。

😁 好嘞,希望你可以学的愉快!

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