Spring IoC容器

如果有看过SpringApplication.run()方法的源码,Spring Boot冗长无比的启动流程一定会让你抓狂,透过现象看本质,SpringApplication只是将一个典型的Spring应用的启动流程进行了扩展,因此,透彻理解Spring容器是打开Spring Boot大门的一把钥匙。

1.1、Spring IoC容器

可以把Spring IoC容器比作一间餐馆,当你来到餐馆,通常会直接招呼服务员:点菜!至于菜的原料是什么?如何用原料把菜做出来?可能你根本就不关心。IoC容器也是一样,你只需要告诉它需要某个bean,它就把对应的实例(instance)扔给你,至于这个bean是否依赖其他组件,怎样完成它的初始化,根本就不需要你关心。

作为餐馆,想要做出菜肴,得知道菜的原料和菜谱,同样地,IoC容器想要管理各个业务对象以及它们之间的依赖关系,需要通过某种途径来记录和管理这些信息。BeanDefinition对象就承担了这个责任:容器中的每一个bean都会有一个对应的BeanDefinition实例,该实例负责保存bean对象的所有必要信息,包括bean对象的class类型、是否是抽象类、构造方法和参数、其它属性等等。当客户端向容器请求相应对象时,容器就会通过这些信息为客户端返回一个完整可用的bean实例。

原材料已经准备好(把BeanDefinition看着原料),开始做菜吧,等等,你还需要一份菜谱,BeanDefinitionRegistryBeanFactory就是这份菜谱,BeanDefinitionRegistry抽象出bean的注册逻辑,而BeanFactory则抽象出了bean的管理逻辑,而各个BeanFactory的实现类就具体承担了bean的注册以及管理工作。它们之间的关系就如下图:

<figcaption style="margin: 10px 0px 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 0.7em; color: rgb(153, 153, 153); text-align: center;">img</figcaption>

BeanFactory、BeanDefinitionRegistry关系图(来自:Spring揭秘)

DefaultListableBeanFactory作为一个比较通用的BeanFactory实现,它同时也实现了BeanDefinitionRegistry接口,因此它就承担了Bean的注册管理工作。从图中也可以看出,BeanFactory接口中主要包含getBean、containBean、getType、getAliases等管理bean的方法,而BeanDefinitionRegistry接口则包含registerBeanDefinition、removeBeanDefinition、getBeanDefinition等注册管理BeanDefinition的方法。

下面通过一段简单的代码来模拟BeanFactory底层是如何工作的:


// 默认容器实现
DefaultListableBeanFactory beanRegistry = new DefaultListableBeanFactory();
// 根据业务对象构造相应的
BeanDefinitionAbstractBeanDefinition definition = new RootBeanDefinition(Business.class,true);
// 将bean定义注册到容器中
beanRegistry.registerBeanDefinition("beanName",definition);
// 如果有多个bean,还可以指定各个bean之间的依赖关系
// ........
// 然后可以从容器中获取这个bean的实例
// 注意:这里的beanRegistry其实实现了BeanFactory接口,所以可以强转,
// 单纯的BeanDefinitionRegistry是无法强制转换到BeanFactory类型的
BeanFactory container = (BeanFactory)beanRegistry;Business business = (Business)container.getBean("beanName");

这段代码仅为了说明BeanFactory底层的大致工作流程,实际情况会更加复杂,比如bean之间的依赖关系可能定义在外部配置文件(XML/Properties)中、也可能是注解方式。Spring IoC容器的整个工作流程大致可以分为两个阶段:

①、容器启动阶段

容器启动时,会通过某种途径加载Configuration MetaData。除了代码方式比较直接外,在大部分情况下,容器需要依赖某些工具类,比如:BeanDefinitionReader,BeanDefinitionReader会对加载的Configuration MetaData进行解析和分析,并将分析后的信息组装为相应的BeanDefinition,最后把这些保存了bean定义的BeanDefinition,注册到相应的BeanDefinitionRegistry,这样容器的启动工作就完成了。这个阶段主要完成一些准备性工作,更侧重于bean对象管理信息的收集,当然一些验证性或者辅助性的工作也在这一阶段完成。

来看一个简单的例子吧,过往,所有的bean都定义在XML配置文件中,下面的代码将模拟BeanFactory如何从配置文件中加载bean的定义以及依赖关系:

// 通常为BeanDefinitionRegistry的实现类,这里以DeFaultListabeBeanFactory为例
BeanDefinitionRegistry beanRegistry = new DefaultListableBeanFactory(); 
// XmlBeanDefinitionReader实现了BeanDefinitionReader接口,用于解析XML文件
XmlBeanDefinitionReader beanDefinitionReader = new XmlBeanDefinitionReaderImpl(beanRegistry);
// 加载配置文件
beanDefinitionReader.loadBeanDefinitions("classpath:spring-bean.xml");
// 从容器中获取bean实例
BeanFactory container = (BeanFactory)beanRegistry;

Business business = (Business)container.getBean("beanName");

②、Bean的实例化阶段

经过第一阶段,所有bean定义都通过BeanDefinition的方式注册到BeanDefinitionRegistry中,当某个请求通过容器的getBean方法请求某个对象,或者因为依赖关系容器需要隐式的调用getBean时,就会触发第二阶段的活动:容器会首先检查所请求的对象之前是否已经实例化完成。如果没有,则会根据注册的BeanDefinition所提供的信息实例化被请求对象,并为其注入依赖。当该对象装配完毕后,容器会立即将其返回给请求方法使用。

BeanFactory只是Spring IoC容器的一种实现,如果没有特殊指定,它采用采用延迟初始化策略:只有当访问容器中的某个对象时,才对该对象进行初始化和依赖注入操作。而在实际场景下,我们更多的使用另外一种类型的容器:ApplicationContext,它构建在BeanFactory之上,属于更高级的容器,除了具有BeanFactory的所有能力之外,还提供对事件监听机制以及国际化的支持等。它管理的bean,在容器启动时全部完成初始化和依赖注入操作。

1.2、Spring容器扩展机制

IoC容器负责管理容器中所有bean的生命周期,而在bean生命周期的不同阶段,Spring提供了不同的扩展点来改变bean的命运。在容器的启动阶段,BeanFactoryPostProcessor允许我们在容器实例化相应对象之前,对注册到容器的BeanDefinition所保存的信息做一些额外的操作,比如修改bean定义的某些属性或者增加其他信息等。

如果要自定义扩展类,通常需要实现org.springframework.beans.factory.config.BeanFactoryPostProcessor接口,与此同时,因为容器中可能有多个BeanFactoryPostProcessor,可能还需要实现org.springframework.core.Ordered接口,以保证BeanFactoryPostProcessor按照顺序执行。Spring提供了为数不多的BeanFactoryPostProcessor实现,我们以PropertyPlaceholderConfigurer来说明其大致的工作流程。

在Spring项目的XML配置文件中,经常可以看到许多配置项的值使用占位符,而将占位符所代表的值单独配置到独立的properties文件,这样可以将散落在不同XML文件中的配置集中管理,而且也方便运维根据不同的环境进行配置不同的值。这个非常实用的功能就是由PropertyPlaceholderConfigurer负责实现的。

根据前文,当BeanFactory在第一阶段加载完所有配置信息时,BeanFactory中保存的对象的属性还是以占位符方式存在的,比如${jdbc.mysql.url}。当PropertyPlaceholderConfigurer作为BeanFactoryPostProcessor被应用时,它会使用properties配置文件中的值来替换相应的BeanDefinition中占位符所表示的属性值。当需要实例化bean时,bean定义中的属性值就已经被替换成我们配置的值。当然其实现比上面描述的要复杂一些,这里仅说明其大致工作原理,更详细的实现可以参考其源码。

与之相似的,还有BeanPostProcessor,其存在于对象实例化阶段。跟BeanFactoryPostProcessor类似,它会处理容器内所有符合条件并且已经实例化后的对象。简单的对比,BeanFactoryPostProcessor处理bean的定义,而BeanPostProcessor则处理bean完成实例化后的对象。BeanPostProcessor定义了两个接口:

public interface BeanPostProcessor {   
 // 前置处理   
 Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException;    
// 后置处理  
Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException;}

为了理解这两个方法执行的时机,简单的了解下bean的整个生命周期:

Bean的实例化过程(来自:Spring揭秘)

postProcessBeforeInitialization()方法与postProcessAfterInitialization()分别对应图中前置处理和后置处理两个步骤将执行的方法。这两个方法中都传入了bean对象实例的引用,为扩展容器的对象实例化过程提供了很大便利,在这儿几乎可以对传入的实例执行任何操作。注解、AOP等功能的实现均大量使用了BeanPostProcessor,比如有一个自定义注解,你完全可以实现BeanPostProcessor的接口,在其中判断bean对象的脑袋上是否有该注解,如果有,你可以对这个bean实例执行任何操作,想想是不是非常的简单?

再来看一个更常见的例子,在Spring中经常能够看到各种各样的Aware接口,其作用就是在对象实例化完成以后将Aware接口定义中规定的依赖注入到当前实例中。比如最常见的ApplicationContextAware接口,实现了这个接口的类都可以获取到一个ApplicationContext对象。当容器中每个对象的实例化过程走到BeanPostProcessor前置处理这一步时,容器会检测到之前注册到容器的ApplicationContextAwareProcessor,然后就会调用其postProcessBeforeInitialization()方法,检查并设置Aware相关依赖。看看代码吧,是不是很简单:

// 代码来自:org.springframework.context.support.ApplicationContextAwareProcessor
// 其postProcessBeforeInitialization方法调用了invokeAwareInterfaces方法
private void invokeAwareInterfaces(Object bean) {   
 if (bean instanceof EnvironmentAware) {      
  ((EnvironmentAware) bean).setEnvironment(this.applicationContext.getEnvironment());  
  }   
 if (bean instanceof ApplicationContextAware) {      
  ((ApplicationContextAware) bean).setApplicationContext(this.applicationContext);   
 }    
// ......
}

最后总结一下,本小节内容和你一起回顾了Spring容器的部分核心内容,限于篇幅不能写更多,但理解这部分内容,足以让您轻松理解Spring Boot的启动原理,如果在后续的学习过程中遇到一些晦涩难懂的知识,再回过头来看看Spring的核心知识,也许有意想不到的效果。也许Spring Boot的中文资料很少,但Spring的中文资料和书籍有太多太多,总有东西能给你启发。

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