深入淺出Spring源碼：IOC原理解析（一）

IOC(Inversion of Control)，即控制反轉，意思是將對象的創建和依賴關係交給第三方容器處理，我們要用的時候告訴容器我們需要什麼然後直接去拿就行了。舉個例子，我們有一個工廠，它生產各種產品，當你需要某個產品，比如你需要一輛汽車，你就告訴工廠你需要一輛汽車，工廠就會直接返回給你一輛汽車，而不需要你自己通過付出勞動來得到這輛汽車，你也不用關心工廠是如何生產這輛汽車。對應到我們的程序中就是，IOC容器會幫我們創建和管理對象，當你告訴容器你需要某個對象時，容器會把這個對象返回給你，而不需要自己去new出一個對象來，對象的創建和管理會由容器自動進行，直接從容器中拿來用就可以了。IOC可以說是Spring最核心的思想，它使我們的開發變得簡單（對象之間的依賴關係可以通過配置文件或者註解來建立），對於這種優秀的設計思想，我們當然有必要研究一下它的底層實現原理。

首先我們來關注一個接口，源碼如下：

package org.springframework.beans.factory;
 
import org.springframework.beans.BeansException;
import org.springframework.core.ResolvableType;
import org.springframework.lang.Nullable;
 
/**
 * 
 * @author Rod Johnson
 * @author Juergen Hoeller
 * @author Chris Beams
 * @since 13 April 2001
 * 
 */
public interface BeanFactory {
 
    
    String FACTORY_BEAN_PREFIX = "&";
 
 
    
    Object getBean(String name) throws BeansException;
 
    
    <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;
 
 
    
    boolean containsBean(String name);
 
    
    boolean isSingleton(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
 
    
    boolean isPrototype(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
 
    
    boolean isTypeMatch(String name, ResolvableType typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;
 
    
    boolean isTypeMatch(String name, @Nullable Class<?> typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;
 
    
    @Nullable
    Class<?> getType(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
 
    
    String[] getAliases(String name);
 
}

這個接口便是spring核心的bean工廠定義，它是IOC容器的頂層接口，spring中所有bean工廠都直接或間接的繼承或實現了這個接口。我們平時使用的最多的ApplicationContext接口也繼承了BeanFactory接口，因此它具有BeanFactory接口的所有功能，這裏順便提一下，從BeanFactory獲取bean時，實例化BeanFactory容器並不會實例化所配置的bean，只有當使用某個bean(getBean)時，纔會實時的實例化該bean；從ApplicationContext獲取bean時，實例化ApplicationContext容器時會一併實例化容器中的所有的bean。

從BeanFactory的源碼可以看出，它實現的核心功能就是根據名稱或類型來返回一個bean實例。一個工廠如果要具備這種功能，結合工廠模式的思想，我們可以試想一下它需要具備以下幾個條件：

1、持有各種bean的定義，只有拿到了bean的定義信息，才能根據這些信息進行實例化；

2、持有各種bean之間的依賴關係，如果一個類中持有對另一個類的引用，那麼在對該類進行實例化時，必須根據類之間的依賴關係對相關類也進行實例化，因此，工廠必須獲得類之間的依賴關係，否則無法正確實例化；

3、以上兩種信息都依賴於我們的配置信息定義，比如xml配置文件，工廠需要一個工具來讀取配置文件的信息。

以上是我們設想IOC的實現思路，只要滿足以上三個條件，就能構造一個工廠，生產各種bean。但是我們還是有一些疑問，比如在第一個條件中，我們如何持有bean的定義呢？我們先來看另外一個接口：

package org.springframework.beans.factory.config;
 
import org.springframework.beans.BeanMetadataElement;
import org.springframework.beans.MutablePropertyValues;
import org.springframework.core.AttributeAccessor;
import org.springframework.lang.Nullable;
 
/**
 * 一個BeanDefinition描述一個bean實例具有的屬性值，構造函數參數值，以及具體實現的進一步信息。
 * 
 * A BeanDefinition describes a bean instance, which has property values,
 * constructor argument values, and further information supplied by
 * concrete implementations.
 *
 * @author Juergen Hoeller
 * @author Rob Harrop
 * @since 19.03.2004
 */
public interface BeanDefinition extends AttributeAccessor, BeanMetadataElement {
 
    
    String SCOPE_SINGLETON = ConfigurableBeanFactory.SCOPE_SINGLETON;
 
    
    String SCOPE_PROTOTYPE = ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE;
 
 
    int ROLE_APPLICATION = 0;
 
    
    int ROLE_SUPPORT = 1;
 
    
    int ROLE_INFRASTRUCTURE = 2;
 
 
    void setParentName(@Nullable String parentName);
 
    
    @Nullable
    String getParentName();
 
    
    void setBeanClassName(@Nullable String beanClassName);
 
    
    @Nullable
    String getBeanClassName();
 
    
    void setScope(@Nullable String scope);
 
    
    @Nullable
    String getScope();
 
    
    void setLazyInit(boolean lazyInit);
 
    
    boolean isLazyInit();
 
    /**
     * Set the names of the beans that this bean depends on being initialized.
     * The bean factory will guarantee that these beans get initialized first.
     */
    void setDependsOn(String... dependsOn);
 
    /**
     * Return the bean names that this bean depends on.
     */
    @Nullable
    String[] getDependsOn();
 
    
    void setAutowireCandidate(boolean autowireCandidate);
 
    
    boolean isAutowireCandidate();
 
    
    void setPrimary(boolean primary);
 
    
    boolean isPrimary();
 
    
    void setFactoryBeanName(@Nullable String factoryBeanName);
 
    
    @Nullable
    String getFactoryBeanName();
 
    
    void setFactoryMethodName(@Nullable String factoryMethodName);
 
    
    @Nullable
    String getFactoryMethodName();
 
    
    ConstructorArgumentValues getConstructorArgumentValues();
 
    
    MutablePropertyValues getPropertyValues();
 
 
    boolean isSingleton();
 
    
    boolean isPrototype();
 
    
    boolean isAbstract();
 
    
    int getRole();
 
    
    @Nullable
    String getDescription();
 
    
    @Nullable
    String getResourceDescription();
 
    
    @Nullable
    BeanDefinition getOriginatingBeanDefinition();
 
}

BeanDefinition，顧名思義便是spring中的bean定義接口，spring的工廠裏持有的就是此接口定義的內容。從源碼可以看出，這個接口繼承了兩個另外兩個接口，一個是AttributeAccessor接口，繼承這個接口就意味着BeanDefinition接口擁有了處理屬性的能力，另外一個接口是BeanMetedataElement，它可以獲得bean的配置定義的元素，對於xml文件來說就是會持有bean的標籤。從源碼中我們可以看出，BeanDefinition接口定義了兩個方法，分別是void setDependsOn(String... dependsOn)和String[] getDependsOn()，從方法的說明可以看出，這兩個方法就是設置依賴的bean的名稱和獲取依賴的bean的名稱，這就意味着只要我們有一個BeanDefinition，就能得到得到bean的定義信息和bean之間的依賴關係，從而可以生產一個完整的bean實例。

從上面兩個接口，我們大致可以猜出spring是如何持有bean的定義信息及依賴關係了，沒錯，就是讓bean工廠持有一個Map<String，BeanDefinition>，String型的beanName作爲key，BeanDefinition型的bean定義作爲value，這樣就能生產一個bean實例。BeanFactory接口當然不能持有這個map對象，那麼一定是在它的某個實現類裏所持有的，我們找到了這個實現類，來看看源碼：

package org.springframework.beans.factory.support;
 
import java.io.IOException;
import java.io.NotSerializableException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;
import java.lang.annotation.Annotation;
import java.lang.ref.Reference;
import java.lang.ref.WeakReference;
import java.lang.reflect.Method;
import java.security.AccessController;
import java.security.PrivilegedAction;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collection;
import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.IdentityHashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.LinkedHashSet;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Optional;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import javax.inject.Provider;
 
import org.springframework.beans.BeanUtils;
import org.springframework.beans.BeansException;
import org.springframework.beans.TypeConverter;
import org.springframework.beans.factory.BeanCreationException;
import org.springframework.beans.factory.BeanCurrentlyInCreationException;
import org.springframework.beans.factory.BeanDefinitionStoreException;
import org.springframework.beans.factory.BeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.BeanFactoryAware;
import org.springframework.beans.factory.BeanFactoryUtils;
import org.springframework.beans.factory.BeanNotOfRequiredTypeException;
import org.springframework.beans.factory.CannotLoadBeanClassException;
import org.springframework.beans.factory.FactoryBean;
import org.springframework.beans.factory.InjectionPoint;
import org.springframework.beans.factory.NoSuchBeanDefinitionException;
import org.springframework.beans.factory.NoUniqueBeanDefinitionException;
import org.springframework.beans.factory.ObjectFactory;
import org.springframework.beans.factory.ObjectProvider;
import org.springframework.beans.factory.SmartFactoryBean;
import org.springframework.beans.factory.SmartInitializingSingleton;
import org.springframework.beans.factory.config.AutowireCapableBeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.config.BeanDefinition;
import org.springframework.beans.factory.config.BeanDefinitionHolder;
import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableBeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableListableBeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.config.DependencyDescriptor;
import org.springframework.beans.factory.config.NamedBeanHolder;
import org.springframework.core.OrderComparator;
import org.springframework.core.ResolvableType;
import org.springframework.core.annotation.AnnotationUtils;
import org.springframework.lang.Nullable;
import org.springframework.util.Assert;
import org.springframework.util.ClassUtils;
import org.springframework.util.CompositeIterator;
import org.springframework.util.ObjectUtils;
import org.springframework.util.StringUtils;
 
/**
 * 基於bean definition對象的完整bean工廠
 * 
 * Default implementation of the
 * {@link org.springframework.beans.factory.ListableBeanFactory} and
 * {@link BeanDefinitionRegistry} interfaces: a full-fledged bean factory
 * based on bean definition objects.
 *
 * @author Rod Johnson
 * @author Juergen Hoeller
 * @author Sam Brannen
 * @author Costin Leau
 * @author Chris Beams
 * @author Phillip Webb
 * @author Stephane Nicoll
 * @since 16 April 2001
 * @see StaticListableBeanFactory
 * @see PropertiesBeanDefinitionReader
 * @see org.springframework.beans.factory.xml.XmlBeanDefinitionReader
 */
@SuppressWarnings("serial")
public class DefaultListableBeanFactory extends AbstractAutowireCapableBeanFactory
        implements ConfigurableListableBeanFactory, BeanDefinitionRegistry, Serializable {
 
    @Nullable
    private static Class<?> javaxInjectProviderClass;
 
    static {
        try {
            javaxInjectProviderClass =
                    ClassUtils.forName("javax.inject.Provider", DefaultListableBeanFactory.class.getClassLoader());
        }
        catch (ClassNotFoundException ex) {
            // JSR-330 API not available - Provider interface simply not supported then.
            javaxInjectProviderClass = null;
        }
    }
 
 
    /** Map from serialized id to factory instance */
    private static final Map<String, Reference<DefaultListableBeanFactory>> serializableFactories =
            new ConcurrentHashMap<>(8);
 
    /** Optional id for this factory, for serialization purposes */
    @Nullable
    private String serializationId;
 
    /** Whether to allow re-registration of a different definition with the same name */
    private boolean allowBeanDefinitionOverriding = true;
 
    /** Whether to allow eager class loading even for lazy-init beans */
    private boolean allowEagerClassLoading = true;
 
    /** Optional OrderComparator for dependency Lists and arrays */
    @Nullable
    private Comparator<Object> dependencyComparator;
 
    /** Resolver to use for checking if a bean definition is an autowire candidate */
    private AutowireCandidateResolver autowireCandidateResolver = new SimpleAutowireCandidateResolver();
 
    /** Map from dependency type to corresponding autowired value */
    private final Map<Class<?>, Object> resolvableDependencies = new ConcurrentHashMap<>(16);
 
    /** Map of bean definition objects, keyed by bean name */
    //beanFactory持有此map,這樣就可以在任何時候獲取bean的BeanDefinition來創建一個bean實例
    private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>(256);
 
    /** Map of singleton and non-singleton bean names, keyed by dependency type */
    private final Map<Class<?>, String[]> allBeanNamesByType = new ConcurrentHashMap<>(64);
 
    /** Map of singleton-only bean names, keyed by dependency type */
    private final Map<Class<?>, String[]> singletonBeanNamesByType = new ConcurrentHashMap<>(64);
 
    /** List of bean definition names, in registration order */
    private volatile List<String> beanDefinitionNames = new ArrayList<>(256);
 
    /** List of names of manually registered singletons, in registration order */
    private volatile Set<String> manualSingletonNames = new LinkedHashSet<>(16);
 
    /** Cached array of bean definition names in case of frozen configuration */
    @Nullable
    private volatile String[] frozenBeanDefinitionNames;
 
    /** Whether bean definition metadata may be cached for all beans */
    private volatile boolean configurationFrozen = false;
}

DefaultListableBeanFactory類，這個類是默認的bean工廠實現類，這裏只貼出了部分源碼，完整的代碼太長。我們來看其中的一行代碼：

/** Map of bean definition objects, keyed by bean name */
    //beanFactory持有此map,這樣就可以在任何時候獲取bean的BeanDefinition來創建一個bean實例
    private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>(256);

這行代碼證明了我們的猜測，從方法是說明就可以看出這是bean定義的map對象，以bean的名稱作爲key。到這裏思路就明確了，bean工廠的初始化就是往這個map對象里加東西，把我們xml文件裏定義的bean填充到這個對象裏，bean工廠就可以工作了。

那麼怎樣將xml文件配置的bean註冊到這個map對象裏呢？我們可以試試以下思路：

1、需要一個工具來找到xml配置文件，可以稱之爲資源定位；

2、需要一個Reader來讀取xml配置信息，即DOM解析；

3、將讀取出來的信息註冊到map對象裏。

以代碼來驗證一下，寫一個Person類作爲bean：

public class Person {
 
    public void work(){
        System.out.println("I am working...");
    }
}

創建一個applicationContext.xml配置文件，配置bean：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">
 
    <bean id="person" class="com.springframework.bean.test.Person"></bean>
    
</beans>

接下來寫個測試類：

public class Client {
 
    public static void main(String[] args) {
        
        ClassPathResource classPathResource = new ClassPathResource("applicationContext.xml");
        
        DefaultListableBeanFactory defaultListableBeanFactory = new DefaultListableBeanFactory();
        
        XmlBeanDefinitionReader beanDefinitionReader = new XmlBeanDefinitionReader(defaultListableBeanFactory);
        
        beanDefinitionReader.loadBeanDefinitions(classPathResource);
        
        System.out.println(defaultListableBeanFactory.getBeanDefinitionCount());
        
        Person person = (Person)defaultListableBeanFactory.getBean("person");
        
        person.work();
        
    }
}

執行結果如下：

七月 06, 2017 9:41:48 下午 org.springframework.beans.factory.xml.XmlBeanDefinitionReader loadBeanDefinitions
信息: Loading XML bean definitions from class path resource [applicationContext.xml]
1
I am working...

從結果可以看出，我們成功解析了xml文件，並註冊了一個bean定義，通過getBean()方法成功返回了一個實例。上面的測試類用4行代碼實現了bean工廠的初始化：

第一行，完成了資源定位；

第二行，創建了一個默認的bean工廠；

第三行，創建了一個Reader，這個Reader用來讀取xml文件，將創建的defaultListableBeanFactory 作爲參數傳遞給Reader，表示爲此工廠創建Reader；

第四行，用Reader讀取配置信息，並將解析的bean定義註冊到defaultListableBeanFactory 中。

執行完以上四個步驟，bean工廠酒杯正確初始化了，接下來我們可以調用工廠的方法，以及獲得bean實例。

但是在實際開發中不會這麼複雜，spring可以更簡單的一步到位，它是這麼做的：

public class TestSpringBeanFactory {
    
    public static void main(String[] args) {
        
        ApplicationContext ctx = new FileSystemXmlApplicationContext("src/applicationContext.xml");
        
        System.out.println(ctx.getBeanDefinitionCount());
        
        Person person = (Person) ctx.getBean("person");
        
        person.work();
        
    }
 
}

我們看看執行結果：

七月 06, 2017 9:42:55 下午 org.springframework.context.support.AbstractApplicationContext prepareRefresh
信息: Refreshing org.springframework.context.support.FileSystemXmlApplicationContext@20ad9418: startup date [Thu Jul 06 21:42:55 CST 2017]; root of context hierarchy
七月 06, 2017 9:42:55 下午 org.springframework.beans.factory.xml.XmlBeanDefinitionReader loadBeanDefinitions
信息: Loading XML bean definitions from file [C:\Users\fangfuhai\workspace\spring-code-learning\src\applicationContext.xml]
1
I am working...

從結果可以看出，spring用一行代碼就完成了我們四個步驟，仔細看看日誌信息就可以發現，spring也是用XmlBeanDefinitionReader 來讀取、解析並註冊，同時在日誌信息裏還多了兩行，這說明在這一行代碼裏，spring還做了更多的事情。

我們在new一個FileSystemXmlApplicationContext對象的時候，spring到底做了那些事情呢？下一章節我們來一探究竟。

作者：風中程序猿
出處：https://www.cnblogs.com/fangfuhai/p/7128534.html