Spring之底层架构核心概念解析

柳岸花开2024-04-09 10:43

你好，我是柳岸花开。

在当今快速发展的软件开发领域，各种技术层出不穷，但有一项技术以其卓越的设计、灵活的配置和广泛的应用，始终屹立在开发者的工具箱中------这就是Spring框架。自2003年首次发布以来，Spring已经成为Java企业级应用开发的事实上的标准。无论是初出茅庐的新手，还是经验丰富的老手，都无法忽视Spring框架在构建高效、可维护的软件系统中的关键作用。

本文将深入探讨Spring框架的底层架构，解析其核心概念，帮助读者更好地理解和运用这一强大的工具。我们将从Spring的设计理念出发，逐步展开对依赖注入（DI）、面向切面编程（AOP）、模块化和声明式事务管理等关键特性的讨论。通过本文，你将能够洞察Spring的工作原理，掌握其核心概念，从而在实际开发中更加得心应手。

在开始之前，让我们先来简单回顾一下Spring框架的历史。Spring的诞生，源于对企业级应用开发中复杂性的深刻理解。开发者Rod Johnson在面对繁琐的配置和组件管理时，提出了一种新的解决方案，即通过简化对象的创建、配置和组装过程，来提高开发效率和代码质量。这一理念最终孕育出了Spring框架，它通过提供一套全面的编程和配置模型，使得开发者能够轻松构建复杂的应用程序。

随着时间的推移，Spring框架不断演进，引入了诸如AOP、事务管理等高级特性，进一步扩展了其功能范围。但不论如何变化，Spring的核心始终围绕着简化开发和提升效率这一主题。接下来，我们就将逐一剖析这些核心概念，揭开Spring框架的神秘面纱。

BeanDefinition

BeanDefinition表示Bean定义，BeanDefinition中存在很多属性用来描述一个Bean的特点。比如：

  • class，表示Bean类型
  • scope，表示Bean作用域，单例或原型等
  • lazyInit：表示Bean是否是懒加载
  • initMethodName：表示Bean初始化时要执行的方法
  • destroyMethodName：表示Bean销毁时要执行的方法

在Spring中，我们经常会通过以下几种方式来定义Bean：

  1. < bean/>
  2. @Bean
  3. @Component(@Service,@Controller)

这些，我们可以称之申明式定义Bean。

我们还可以编程式定义Bean，那就是直接通过BeanDefinition，比如：

AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);

// 生成一个BeanDefinition对象，并设置beanClass为User.class，并注册到ApplicationContext中
AbstractBeanDefinition beanDefinition = BeanDefinitionBuilder.genericBeanDefinition().getBeanDefinition();
beanDefinition.setBeanClass(User.class);
context.registerBeanDefinition("user", beanDefinition);

System.out.println(context.getBean("user"));

​

我们还可以通过BeanDefinition设置一个Bean的其他属性

beanDefinition.setScope("prototype"); // 设置作用域
beanDefinition.setInitMethodName("init"); // 设置初始化方法
beanDefinition.setLazyInit(true); // 设置懒加载

和申明式事务、编程式事务类似，通过< bean/>，@Bean，@Component等申明式方式所定义的Bean，最终都会被Spring解析为对应的BeanDefinition对象，并放入Spring容器中。

BeanDefinitionReader

​

接下来，我们来介绍几种在Spring源码中所提供的BeanDefinition读取器（BeanDefinitionReader），这些BeanDefinitionReader在我们使用Spring时用得少，但在Spring源码中用得多，相当于Spring源码的基础设施。

AnnotatedBeanDefinitionReader

可以直接把某个类转换为BeanDefinition，并且会解析该类上的注解，比如

AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);

AnnotatedBeanDefinitionReader annotatedBeanDefinitionReader = new AnnotatedBeanDefinitionReader(context);

// 将User.class解析为BeanDefinition
annotatedBeanDefinitionReader.register(User.class);

System.out.println(context.getBean("user"));

注意：它能解析的注解是：@Conditional，@Scope、@Lazy、@Primary、@DependsOn、@Role、@Description

XmlBeanDefinitionReader

可以解析< bean/>标签

AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);

XmlBeanDefinitionReader xmlBeanDefinitionReader = new XmlBeanDefinitionReader(context);
int i = xmlBeanDefinitionReader.loadBeanDefinitions("spring.xml");

System.out.println(context.getBean("user"));

ClassPathBeanDefinitionScanner

ClassPathBeanDefinitionScanner是扫描器，但是它的作用和BeanDefinitionReader类似，它可以进行扫描，扫描某个包路径，对扫描到的类进行解析，比如，扫描到的类上如果存在@Component注解，那么就会把这个类解析为一个BeanDefinition，比如： ​

AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext();
context.refresh();

ClassPathBeanDefinitionScanner scanner = new ClassPathBeanDefinitionScanner(context);
scanner.scan("com.bob");

System.out.println(context.getBean("userService"));

BeanFactory

BeanFactory表示Bean工厂，所以很明显，BeanFactory会负责创建Bean，并且提供获取Bean的API。 ​

而ApplicationContext是BeanFactory的一种，在Spring源码中，是这么定义的： ​

public interface ApplicationContext extends EnvironmentCapable, ListableBeanFactory, HierarchicalBeanFactory,
  MessageSource, ApplicationEventPublisher, ResourcePatternResolver {

            ...
}

​

首先，在Java中，接口是可以多继承的，我们发现ApplicationContext继承了ListableBeanFactory和HierarchicalBeanFactory，而ListableBeanFactory和HierarchicalBeanFactory都继承至BeanFactory，所以我们可以认为ApplicationContext继承了BeanFactory，ApplicationContext也是BeanFactory的一种，拥有BeanFactory支持的所有功能，不过ApplicationContext比BeanFactory更加强大，ApplicationContext还基础了其他接口，也就表示ApplicationContext还拥有其他功能，比如MessageSource表示国际化，ApplicationEventPublisher表示事件发布，EnvironmentCapable表示获取环境变量，等等，关于ApplicationContext后面再详细讨论。

在Spring的源码实现中，当我们new一个ApplicationContext时，其底层会new一个BeanFactory出来，当使用ApplicationContext的某些方法时，比如getBean()，底层调用的是BeanFactory的getBean()方法。 ​

在Spring源码中，BeanFactory接口存在一个非常重要的实现类是：DefaultListableBeanFactory，也是非常核心的。

所以，我们可以直接来使用DefaultListableBeanFactory，而不用使用ApplicationContext的某个实现类，比如：

DefaultListableBeanFactory beanFactory = new DefaultListableBeanFactory();

AbstractBeanDefinition beanDefinition = BeanDefinitionBuilder.genericBeanDefinition().getBeanDefinition();
beanDefinition.setBeanClass(User.class);

beanFactory.registerBeanDefinition("user", beanDefinition);

System.out.println(beanFactory.getBean("user"));

它实现了很多接口，表示，它拥有很多功能：

  1. AliasRegistry：支持别名功能，一个名字可以对应多个别名
  2. BeanDefinitionRegistry：可以注册、保存、移除、获取某个BeanDefinition
  3. BeanFactory：Bean工厂，可以根据某个bean的名字、或类型、或别名获取某个Bean对象
  4. SingletonBeanRegistry：可以直接注册、获取某个 单例Bean
  5. SimpleAliasRegistry：它是一个类，实现了AliasRegistry接口中所定义的功能，支持别名功能
  6. ListableBeanFactory：在BeanFactory的基础上，增加了其他功能，可以获取所有BeanDefinition的beanNames，可以根据某个类型获取对应的beanNames，可以根据某个类型获取{类型：对应的Bean}的映射关系
  7. HierarchicalBeanFactory：在BeanFactory的基础上，添加了获取父BeanFactory的功能
  8. DefaultSingletonBeanRegistry：它是一个类，实现了SingletonBeanRegistry接口，拥有了直接注册、获取某个 单例Bean的功能
  9. ConfigurableBeanFactory：在HierarchicalBeanFactory和SingletonBeanRegistry的基础上，添加了设置父BeanFactory、类加载器（表示可以指定某个类加载器进行类的加载）、设置Spring EL表达式解析器（表示该BeanFactory可以解析EL表达式）、设置类型转化服务（表示该BeanFactory可以进行类型转化）、可以添加BeanPostProcessor（表示该BeanFactory支持Bean的后置处理器），可以合并BeanDefinition，可以销毁某个Bean等等功能
  10. FactoryBeanRegistrySupport：支持了FactoryBean的功能
  11. AutowireCapableBeanFactory：是直接继承了BeanFactory，在BeanFactory的基础上，支持在创建Bean的过程中能对Bean进行自动装配
  12. AbstractBeanFactory：实现了ConfigurableBeanFactory接口，继承了FactoryBeanRegistrySupport，这个BeanFactory的功能已经很全面了，但是不能自动装配和获取beanNames
  13. ConfigurableListableBeanFactory：继承了ListableBeanFactory、AutowireCapableBeanFactory、ConfigurableBeanFactory
  14. AbstractAutowireCapableBeanFactory：继承了AbstractBeanFactory，实现了AutowireCapableBeanFactory，拥有了自动装配的功能
  15. DefaultListableBeanFactory：继承了AbstractAutowireCapableBeanFactory，实现了ConfigurableListableBeanFactory接口和BeanDefinitionRegistry接口，所以DefaultListableBeanFactory的功能很强大

ApplicationContext

上面有分析到，ApplicationContext是个接口，实际上也是一个BeanFactory，不过比BeanFactory更加强大，比如： ​

  1. HierarchicalBeanFactory：拥有获取父BeanFactory的功能
  2. ListableBeanFactory：拥有获取beanNames的功能
  3. ResourcePatternResolver：资源加载器，可以一次性获取多个资源（文件资源等等）
  4. EnvironmentCapable：可以获取运行时环境（没有设置运行时环境功能）
  5. ApplicationEventPublisher：拥有广播事件的功能（没有添加事件监听器的功能）
  6. MessageSource：拥有国际化功能

我们先来看ApplicationContext两个比较重要的实现类：

  1. AnnotationConfigApplicationContext
  2. ClassPathXmlApplicationContext

AnnotationConfigApplicationContext

  1. ConfigurableApplicationContext：继承了ApplicationContext接口，增加了，添加事件监听器、添加BeanFactoryPostProcessor、设置Environment，获取ConfigurableListableBeanFactory等功能
  2. AbstractApplicationContext：实现了ConfigurableApplicationContext接口
  3. GenericApplicationContext：继承了AbstractApplicationContext，实现了BeanDefinitionRegistry接口，拥有了所有ApplicationContext的功能，并且可以注册BeanDefinition，注意这个类中有一个属性(DefaultListableBeanFactory beanFactory)
  4. AnnotationConfigRegistry：可以单独注册某个为类为BeanDefinition（可以处理该类上的 @Configuration注解 ，已经可以处理 @Bean注解 ），同时可以扫描
  5. AnnotationConfigApplicationContext：继承了GenericApplicationContext，实现了AnnotationConfigRegistry接口，拥有了以上所有的功能

ClassPathXmlApplicationContext

它也是继承了AbstractApplicationContext，但是相对于AnnotationConfigApplicationContext而言，功能没有AnnotationConfigApplicationContext强大，比如不能注册BeanDefinition

国际化

先定义一个MessageSource:

@Bean
public MessageSource messageSource() {
 ResourceBundleMessageSource messageSource = new ResourceBundleMessageSource();
 messageSource.setBasename("messages");
 return messageSource;
}

有了这个Bean，你可以在你任意想要进行国际化的地方使用该MessageSource。 同时，因为ApplicationContext也拥有国家化的功能，所以可以直接这么用：

context.getMessage("test", null, new Locale("en_CN"))

资源加载

ApplicationContext还拥有资源加载的功能，比如，可以直接利用ApplicationContext获取某个文件的内容：

AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);

Resource resource = context.getResource("file://D:\\IdeaProjects\\spring-framework\\luban\\src\\main\\java\\com\\luban\\entity\\User.java");
System.out.println(resource.contentLength());

还比如可以：

AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);

Resource resource = context.getResource("file://D:\\IdeaProjects\\spring-framework-5.3.10\\tuling\\src\\main\\java\\com\\zhouyu\\service\\UserService.java");
System.out.println(resource.contentLength());
System.out.println(resource.getFilename());

Resource resource1 = context.getResource("https://www.baidu.com");
System.out.println(resource1.contentLength());
System.out.println(resource1.getURL());

Resource resource2 = context.getResource("classpath:spring.xml");
System.out.println(resource2.contentLength());
System.out.println(resource2.getURL());

还可以一次性获取多个：

Resource[] resources = context.getResources("classpath:com/zhouyu/*.class");
for (Resource resource : resources) {
 System.out.println(resource.contentLength());
 System.out.println(resource.getFilename());
}

获取运行时环境

AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);

Map<String, Object> systemEnvironment = context.getEnvironment().getSystemEnvironment();
System.out.println(systemEnvironment);

System.out.println("=======");

Map<String, Object> systemProperties = context.getEnvironment().getSystemProperties();
System.out.println(systemProperties);

System.out.println("=======");

MutablePropertySources propertySources = context.getEnvironment().getPropertySources();
System.out.println(propertySources);

System.out.println("=======");

System.out.println(context.getEnvironment().getProperty("NO_PROXY"));
System.out.println(context.getEnvironment().getProperty("sun.jnu.encoding"));
System.out.println(context.getEnvironment().getProperty("zhouyu"));

注意，可以利用

@PropertySource("classpath:spring.properties")

来使得某个properties文件中的参数添加到运行时环境中

事件发布

先定义一个事件监听器

@Bean
public ApplicationListener applicationListener() {
 return new ApplicationListener() {
  @Override
  public void onApplicationEvent(ApplicationEvent event) {
   System.out.println("接收到了一个事件");
  }
 };
}

然后发布一个事件：

context.publishEvent("bob");

BeanPostProcessor

BeanPostProcess表示Bena的后置处理器，我们可以定义一个或多个BeanPostProcessor，比如通过一下代码定义一个BeanPostProcessor： ​

@Component
public class BobBeanPostProcessor implements BeanPostProcessor {

 @Override
 public Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException {
  if ("userService".equals(beanName)) {
   System.out.println("初始化前");
  }

  return bean;
 }

 @Override
 public Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException {
  if ("userService".equals(beanName)) {
   System.out.println("初始化后");
  }

  return bean;
 }
}

一个BeanPostProcessor可以在任意一个Bean 的初始化之前 以及初始化之后去额外的做一些用户自定义的逻辑，当然，我们可以通过判断beanName来进行针对性处理（针对某个Bean，或某部分Bean）。

我们可以通过定义BeanPostProcessor来干涉Spring创建Bean的过程。

BeanFactoryPostProcessor

BeanFactoryPostProcessor表示Bean工厂的后置处理器，其实和BeanPostProcessor类似，BeanPostProcessor是干涉Bean的创建过程，BeanFactoryPostProcessor是干涉BeanFactory的创建过程。比如，我们可以这样定义一个BeanFactoryPostProcessor： ​

@Component
public class ZhouyuBeanFactoryPostProcessor implements BeanFactoryPostProcessor {

 @Override
 public void postProcessBeanFactory(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory) throws BeansException {
  System.out.println("加工beanFactory");
 }
}

我们可以在postProcessBeanFactory()方法中对BeanFactory进行加工。 ​

FactoryBean

上面提到，我们可以通过BeanPostPorcessor来干涉Spring创建Bean的过程，但是如果我们想一个Bean完完全全由我们来创造，也是可以的，比如通过FactoryBean：

@Component
public class BobFactoryBean implements FactoryBean {

 @Override
 public Object getObject() throws Exception {
  UserService userService = new UserService();

  return userService;
 }

 @Override
 public Class<?> getObjectType() {
  return UserService.class;
 }
}

通过上面这段代码，我们自己创造了一个UserService对象，并且它将成为Bean。但是通过这种方式创造出来的UserService的Bean，只会经过初始化后，其他Spring的生命周期步骤是不会经过的，比如依赖注入。

通过@Bean也可以自己生成一个对象作为Bean，那么和FactoryBean的区别是什么呢？其实在很多场景下他俩是可以替换的，但是站在原理层面来说的，区别很明显，@Bean定义的Bean是会经过完整的Bean生命周期的。 ​

ExcludeFilter和IncludeFilter

这两个Filter是Spring扫描过程中用来过滤的。ExcludeFilter表示排除过滤器 ，IncludeFilter表示包含过滤器。

比如以下配置，表示扫描com.bob这个包下面的所有类，但是排除UserService类，也就是就算它上面有@Component注解也不会成为Bean。

@ComponentScan(value = "com.bob",
  excludeFilters = {@ComponentScan.Filter(
             type = FilterType.ASSIGNABLE_TYPE, 
             classes = UserService.class)}.)
public class AppConfig {
}

再比如以下配置，就算UserService类上没有@Component注解，它也会被扫描成为一个Bean。

@ComponentScan(value = "com.bob",
  includeFilters = {@ComponentScan.Filter(
             type = FilterType.ASSIGNABLE_TYPE, 
             classes = UserService.class)})
public class AppConfig {
}

​

FilterType分为：

  1. ANNOTATION：表示是否包含某个注解
  2. ASSIGNABLE_TYPE：表示是否是某个类
  3. ASPECTJ：表示否是符合某个Aspectj表达式
  4. REGEX：表示是否符合某个正则表达式
  5. CUSTOM：自定义

​

在Spring的扫描逻辑中，默认会添加一个AnnotationTypeFilter给includeFilters，表示默认情况下Spring扫描过程中会认为类上有@Component注解的就是Bean。

MetadataReader、ClassMetadata、AnnotationMetadata

在Spring中需要去解析类的信息，比如类名、类中的方法、类上的注解，这些都可以称之为类的元数据，所以Spring中对类的元数据做了抽象，并提供了一些工具类。

MetadataReader表示类的元数据读取器，默认实现类为SimpleMetadataReader。比如：

public class Test {

 public static void main(String[] args) throws IOException {
  SimpleMetadataReaderFactory simpleMetadataReaderFactory = new SimpleMetadataReaderFactory();
  
        // 构造一个MetadataReader
        MetadataReader metadataReader = simpleMetadataReaderFactory.getMetadataReader("com.bob.service.UserService");
  
        // 得到一个ClassMetadata，并获取了类名
        ClassMetadata classMetadata = metadataReader.getClassMetadata();
 
        System.out.println(classMetadata.getClassName());
        
        // 获取一个AnnotationMetadata，并获取类上的注解信息
        AnnotationMetadata annotationMetadata = metadataReader.getAnnotationMetadata();
  for (String annotationType : annotationMetadata.getAnnotationTypes()) {
   System.out.println(annotationType);
  }

 }
}

需要注意的是，SimpleMetadataReader去解析类时，使用的ASM技术。 ​

为什么要使用ASM技术，Spring启动的时候需要去扫描，如果指定的包路径比较宽泛，那么扫描的类是非常多的，那如果在Spring启动时就把这些类全部加载进JVM了，这样不太好，所以使用了ASM技术。

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