spring的bean创建流程源码解析

技术人Q2024-04-29 15:53

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本文基于 Spring 5.0.2.RELEASE

spring 是 Java Web 开发中，非常常用的框架。它的基础作用是为我们生成对象。这里涉及到 2 个概念。IOC 和 DI。

IOC 和 DI

IOC：Inversion of Control，控制反转。强调的是原来在程序中创建Bean的权利反转给第三方，这里的第三方，其实就是 spring 框架。

DI:依赖注入。比如 UserService类，依赖 UserDao，但是 UserDao 是由 BeanFactory 注入给 UserService 的。

BeanFactory

1、BeanFactory是Spring的早期接口，称为Spring的Bean工厂.它提供了一系列的方法，用于获取 Bean

BeanFactory 的默认实现类是 DefaultListableBeanFactory，DefaultListableBeanFactory主要是管理 BeanDefinition 对象，并根据BeanDefinition 对象创建 Bean 对象。

在DefaultListableBeanFactory中，实现了BeanDefinitionRegistry接口，这个接口定义了关于 BeanDefinition 的注册、移除、查询等一系列的操作。

DefaultListableBeanFactory还继承了DefaultSingletonBeanRegistry，这个类中，实现了三级缓存，创建单例 Bean 的操作。？？？？BeanDefinition对象，怎么传给DefaultSingletonBeanRegistry对象的？？？？

DefaultListableBeanFactory总结起来，就是可以增删改查BeanDefinition定义对象，并通过父类方法，生成 Bean 对象。但是它并没有把 xml 文件，或者注解，解析成BeanDefinition对象的功能。这个功能是在ApplicationContext实现的。

ApplicationContext

实现的接口

1、BeanFactory接口

ApplicationContext 继承了很多接口，每增加一个接口，都增加了对应的功能。

但是，ApplicationContext 中，并不是继承了 DefaultListableBeanFactory，而是实现了 BeanFactory接口，并引入了 DefaultListableBeanFactory 作为属性，由 DefaultListableBeanFactory 实现 BeanFactory 相关的功能。（组合优于继承）

注意看，AnnotationConfigApplicationContext中包含 beanFactory 属性，在它的父类 AbstractApplicationContext中，实现了 getBean 等 方法，都是调用 beanFactory 来实现的。

java 复制代码 
@Override
public Object getBean(String name) throws BeansException {
  assertBeanFactoryActive();
  return getBeanFactory().getBean(name);
}

ApplicationContext 相比 BeanFactory，还多继承了四个接口，功能如下：

2、MessageSource 国际化接口
java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
  ConfigurableApplicationContext context = SpringApplication.run(Application.class, args);
  System.out.println(context.getMessage("hi", null, Locale.CHINA));
  System.out.println(context.getMessage("hi", null, Locale.ENGLISH));
}

在 resources 目录下创建三个配置文件，注意设置 idea 的 properties 编码格式是 utf-8

messages.properties 空内容

messages_en.properties 填写内容 hi=hello

messages_zh.properties 填写内容 hi=你好

运行代码，控制台打印如下，说明国际化生效

你好
hello
3、ResourcePatternResolver，资源解析接口

可以用于读取配置文件

java 复制代码 
public static void main(String[] args) throws IOException {
  ConfigurableApplicationContext context = SpringApplication.run(Application.class, args);
  //读取类类路径下文件
  Resource[] resources1 = context.getResources("classpath:application.properties");
  //读取jar 包中的类路径文件，注意带个 * 号
  Resource[] resources2 = context.getResources("classpath*:META-INF/spring.factories");
  //读取文件目录下的文件
  Resource[] resources3 = context.getResources("file:/tmp/test.log");
}
4、EnvironmentCapable接口，用于获取环境变量，配置信息
java 复制代码 
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    ConfigurableApplicationContext context = SpringApplication.run(Application.class, args);
    //读取application.properties 中的内容
    System.out.println(context.getEnvironment().getProperty("server.port"));
    //读取系统环境变量
    System.out.println(context.getEnvironment().getProperty("JAVA_HOME"));
  }
5、ApplicationEventPublisher 事件发布接口
java 复制代码 
// 自定义事件
public class UserLoginEvent extends ApplicationEvent {
  public UserLoginEvent(Object source) {
    super(source);
  }
}
//发布事件
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    ConfigurableApplicationContext context = SpringApplication.run(Application.class, args);
    context.publishEvent(new UserLoginEvent("username"));
  }
//接收事件
@Component
public class UserMessageService {

  @EventListener
  public void sendMessage(UserLoginEvent event){
    Object source = event.getSource();
    System.out.println("欢迎用户:"+source);
  }
}

当调用publishEvent发布事件时，会调用到 sendMessage 方法。(观察者模式)

总结：

1、BeanFactory 类，用于生成 Bean。

2、ApplicationContext，继承了 BeanFactory 接口，引入了 DefaultListableBeanFactory对象，体现了组合优于继承的原则。

3、ApplicationContext，实现了其他接口，增加了国际化，事件发布，资源解析，读取配置等功能。

Application 的继承体系

常用的 ApplicationContext 有 3 个，分别是

AnnotationConfigApplicationContext，用于加载注解配置类的ApplicationContext

FileSystemXmlApplicationContext，用于加载磁盘路径下的xml配置的ApplicationContext

ClassPathXmlApplicationContext，用于加载类路径下的xml配置的ApplicationContext

如果 spring 中加入了 Web 相关的组件，那么使用的 ApplicationContext 是

XmlWebApplicationContext，用于web环境下，加载类路径下的xml配置的ApplicationContext

AnnotationConfigWebApplicationContext，用于web环境下，加载磁盘路径下的xml配置的ApplicationContext

Bean 的创建执行流程

以解析 xml 文件为例，使用ClassPathXmlApplicationContext，流程如下：

1、加载xml配置文件，解析获取配置中的每个的信息，封装成一个个的BeanDefinition对象;

2、将BeanDefinition存储在一个名为beanDefinitionMap的Map<String,BeanDefinition>中;

3、ApplicationContext底层遍历beanDefinitionMap，创建Bean实例对象;

4、创建好的Bean实例对象，被存储到一个名为singletonObjects的Map<String,Object>中;

5、当执行applicationContext.getBean(beanName)时，从singletonObjects去匹配Bean实例返回。

Spring 给开发者留下的扩展点

主要有两个地方，

1 是对 beanDefinitionMap 进行添加，修改，只要向 beanDefinitionMap 中添加了 BeanDefinition，就会被 Spring 生成 Bean。

2 是当 Bean 创建完成后，可以对 Bean 对象进行修改，比如 AOP，注解，都是生成代理 Bean，替换原有的 Bean。

流程如下：

结合代码描述

代码入口：

java 复制代码 
ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("classpath*:application-single.xml");

UserService userService = context.getBean("userServiceBeanId",UserService.class);

System.out.println(userService.getName());

进入ClassPathXmlApplicationContext

java 复制代码 
	public ClassPathXmlApplicationContext(
			String[] configLocations, boolean refresh, @Nullable ApplicationContext parent)
			throws BeansException {

		//1、返回一个classloader
		//2、返回一个解析器
		super(parent);  // ===> 1
		// 1、获取环境（系统环境、jvm环境）
		// 2、设置Placeholder占位符解析器，${xxx}.xml解析为完整文件名
		// 2、将xml的路径解析完存储到数组
		setConfigLocations(configLocations); //  ===>
		//默认为true
		if (refresh) {
			//核心方法，入口
			refresh();  // ===>  magic happens here!
		}
	}

进入 Refresh 方法

java 复制代码 
	@Override
	public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
		// synchronized块锁（monitorenter --monitorexit）
		// 不然 refresh() 还没结束，又来个启动或销毁容器的操作
		//	 startupShutdownMonitor就是个空对象，锁
		synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
			//1、【准备刷新】，设置了几个变量，也是准备工作
			prepareRefresh();   //  ===>
			// 2、【获得新的bean工厂】关键步骤，重点！
			//2.1、关闭旧的 BeanFactory
			//2.2、创建新的 BeanFactory（DefaluListbaleBeanFactory）
			//2.3、解析xml/加载 Bean 定义、注册 Bean定义到beanFactory(不初始化)
			//2.4、返回全新的工厂
			ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
			//3、【bean工厂前置操作 】为BeanFactory配置容器特性
			// 例如类加载器、表达式解析器、注册默认环境bean、后置管理器
			prepareBeanFactory(beanFactory);// ===>
			try {
				// 4、【bean工厂后置操作】此处为空方法，如果子类需要，自己去实现
				postProcessBeanFactory(beanFactory);  // ===> 空的！

				//5、【调用bean工厂后置处理器】,开始调用我们自己实现的接口
				//调用顺序一：先执行BeanDefinitionRegistryPostProcessor接口的方法，它也继承了BeanFactoryPostProcessor
				//调用顺序二：后执行BeanFactoryPostProcessor接口的方法，用于修改 beanDefinition
				invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);  // ===>  重头戏

				//6、【注册bean后置处理器】只是注册，但是还不会调用
				//逻辑：找出所有实现BeanPostProcessor接口的类,分类、排序、注册
				registerBeanPostProcessors(beanFactory);  // ===>  关键点
				// Initialize message source for this context.
				//7、【初始化消息源】国际化问题i18n,参照https://nacos.io/
				initMessageSource(); // ===> 就是往factory加了个single bean
				// Initialize event multicaster for this context.
				//8、【初始化事件广播器】初始化自定义的事件监听多路广播器
				// 如果需要发布事件，就调它的multicastEvent方法
				// 把事件广播给listeners，其实就是起一个线程来处理，把Event扔给listener处理
				// （可以通过 SimpleApplicationEventMulticaster的代码来验证）
				initApplicationEventMulticaster(); // ===> 同样，加了个bean
				// 9、【刷新】这是个protected空方法，交给具体的子类来实现
				//  可以在这里初始化一些特殊的 Bean
				// （在初始化 singleton beans 之前）
				onRefresh();  // ===> 空的！一般没人管它
				//10、【注册监听器】，监听器需要实现 ApplicationListener 接口
				// 也就是扫描这些实现了接口的类，给他放进广播器的列表中
				// 其实就是个观察者模式，广播器接到事件的调用时，去循环listeners列表，
				// 挨个调它们的onApplicationEvent方法，把event扔给它们。
				registerListeners();  // ===> 观察者模式
				//11、 【结束bean工厂初始化操作】
				//1、初始化所有的 singleton beans,反射生成对象/填充
				//2、 调用Bean的前置处理器和后置处理器
				// 关键点：getBean方法里完成
				finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);  // ===>  关键点！
				// 12、结束refresh操作
				// 发布事件与清除上下文环境
				finishRefresh();
			} catch (BeansException ex) {

			} finally {
			}
		}
	}

Bean 的创建流程总结：

面试中说的三级缓存是什么？

三级缓存是为了解决循环依赖，也是为了存储单例对象

Spring提供了三级缓存存储 完整Bean实例 和 半成品Bean实例 ，用于解决循环引用问题

在DefaultListableBeanFactory的上四级父类DefaultSingletonBeanRegistry中提供如下三个Map:

java 复制代码 
public class DefaultSingletonBeanRegistry ... { 
  //1、最终存储单例Bean成品的容器，即实例化和初始化都完成的Bean，称之为"一级缓存"
  Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap(256); 
  //2、早期Bean单例池，缓存半成品对象，且当前对象已经被其他对象引用了，称之为"二级缓存" 
  Map<String, Object> earlySingletonObjects = new ConcurrentHashMap(16); 
  //3、单例Bean的工厂池，缓存半成品对象，对象未被引用，使用时在通过工厂创建Bean，称之为"三级缓存" 
  Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap(16);
}

三级缓存怎么解决循环依赖问题？核心就是先把半成品的 Bean 放入一个缓存中

假设 Bean1 和 Bean2 循环依赖，那么创建过程如下：
1、Bean1 实例化对象，但尚未初始化，将 Bean1 存储到三级缓存;
2、Bean1 属性注入，需要 Bean2，从缓存中获取，没有 Bean2;
3、Bean2 实例化对象，但尚未初始化，将 Bean2 存储到到三级缓存;
4、Bean2 属性注入，需要 Bean1，从三级缓存获取 Bean1，Bean1 从三级缓存移入二级缓存;
5、Bean2 执行其他生命周期过程，最终成为一个完成Bean，存储到一级缓存，删除二三级缓存;
6、Bean1 注入 Bean2;
7、Bean1 执行其他生命周期过程，最终成为一个完整 Bean，存储到一级缓存，删除二三级缓存。

示例如下：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
    GenericApplicationContext context = new GenericApplicationContext();
    context.registerBean(ConfigurationClassPostProcessor.class);
    context.registerBean(Config.class);
    context.refresh();
    context.close();
}

@Configuration
static class Config {
    @Bean // 解析 @Aspect、产生代理
    public AnnotationAwareAspectJAutoProxyCreator annotationAwareAspectJAutoProxyCreator() {
        return new AnnotationAwareAspectJAutoProxyCreator();
    }

    @Bean // 解析 @Autowired
    public AutowiredAnnotationBeanPostProcessor autowiredAnnotationBeanPostProcessor() {
        return new AutowiredAnnotationBeanPostProcessor();
    }

    @Bean // 解析 @PostConstruct
    public CommonAnnotationBeanPostProcessor commonAnnotationBeanPostProcessor() {
        return new CommonAnnotationBeanPostProcessor();
    }

    @Bean
    public Advisor advisor(MethodInterceptor advice) {
        AspectJExpressionPointcut pointcut = new AspectJExpressionPointcut();
        pointcut.setExpression("execution(* foo())");
        return new DefaultPointcutAdvisor(pointcut, advice);
    }

    @Bean
    public MethodInterceptor advice() {
        return (MethodInvocation invocation) -> {
            System.out.println("before...");
            return invocation.proceed();
        };
    }

    @Bean
    public Bean1 bean1() {
        return new Bean1();
    }

    @Bean
    public Bean2 bean2() {
        return new Bean2();
    }
}

static class Bean1 {
    public Bean1() {
        System.out.println("Bean1()");
    }
    @Autowired public void setBean2(Bean2 bean2) {
        System.out.println("Bean1 setBean2(bean2) class is: " + bean2.getClass());
    }
    @PostConstruct public void init() {
        System.out.println("Bean1 init()");
    }
}

static class Bean2 {
    public Bean2() {
        System.out.println("Bean2()");
    }
    @Autowired public void setBean1(Bean1 bean1) {
        System.out.println("Bean2 setBean1(bean1) class is: " + bean1.getClass());
    }
    @PostConstruct public void init() {
        System.out.println("Bean2 init()");
    }
}

执行 main 方法后，打印如下：

Bean1()
Bean2()
Bean2 setBean1(bean1) class is: class com.spring.test.A17_1$Bean1
Bean2 init()
Bean1 setBean2(bean2) class is: class com.spring.test.A17_1$Bean2
Bean1 init()

为什么是三级缓存而不是二级缓存？

如果只是为了解决循环依赖问题，那么二级缓存就够了。为什么要设计三级缓存？为了解决循环依赖时，某个 Bean 需要被 AOP 增强，生成代理对象。

在Bean 的创建流程总结中，注意看图，Bean 的初始化方法执行完成后，才执行 BeanPostProcess的后处理方法，如果这个 Bean 被 AOP 增强了，会生成代理对象。

org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#doCreateBean方法

java 复制代码 
// 方法一：实例化! Bean的构造函数在这里被调用！
instanceWrapper = createBeanInstance(beanName, mbd, args); 
//方法二：注入相关的属性！【关键点】
populateBean(beanName, mbd, instanceWrapper);
//方法三：初始化方法，这里会调用 BeanPostProcess
exposedObject = initializeBean(beanName, exposedObject, mbd);

org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#initializeBean(java.lang.String, java.lang.Object, org.springframework.beans.factory.support.RootBeanDefinition) 方法

java 复制代码 
//调用Bean的前置处理器！我们自己实现的bean的processer在这里！
wrappedBean = applyBeanPostProcessorsBeforeInitialization(wrappedBean, beanName);

// 1、调用初始化方法, 处理 bean 中定义的 init-method，
//2、如果 bean 实现了 InitializingBean 接口，调用 afterPropertiesSet() 方法
invokeInitMethods(beanName, wrappedBean, mbd); 

// 调用Bean的后置管理器！用于生成代理aop也在这里偷偷做了手脚......注意aop调试时，看这句后wrappedBean的变化！
wrappedBean = applyBeanPostProcessorsAfterInitialization(wrappedBean, beanName);

通过上述源码，可以看到，代理对象 生成，是在初始化方法执行后，才生成代理对象。

这个功能，在循环依赖场景下，就会存在问题。

刚才的 Bean1 和 Bean2 循环依赖时，打印如下：

1、Bean1()
2、Bean2()
3、Bean2 setBean1(bean1) class is: class com.spring.test.A17_1$Bean1
4、Bean2 init()
5、Bean1 setBean2(bean2) class is: class com.spring.test.A17_1$Bean2
6、Bean1 init()

如果是在初始化后，才对 Bean1 进行增强生成代理对象，那么是在第 6 步完成后，才生成代理对象。这样Bean2 setBean1(bean1) 注入的就是原始对象，不是代理对象。不符合预期。

所以 Spring 打了一个补丁，提供一个三级缓存，三级缓存中存储的不是未完成的对象，而是 Bean 的创建工厂ObjectFactory。当需要Bean1 对象时，执行的是 ObjectFactory 的 getObject 方法，这个方法中，也会进行是否 AOP 的判断，如果是，就生成代理对象。

源码如下：

org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#doCreateBean

java 复制代码 
// () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean) 是 ObjectFactory 匿名实现类 的简写
addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));

getEarlyBeanReference 方法

java 复制代码 
	protected Object getEarlyBeanReference(String beanName, RootBeanDefinition mbd, Object bean) {
		Object exposedObject = bean;
		//是否存在实现InstantiationAwareBeanPostProcessors接口的类
		if (!mbd.isSynthetic() && hasInstantiationAwareBeanPostProcessors()) {
			//循环所有Bean后置处理器
			for (BeanPostProcessor bp : getBeanPostProcessors()) {
				if (bp instanceof SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) {
					SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor ibp = (SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) bp;
					//重点：开始创建AOP代理，
					exposedObject = ibp.getEarlyBeanReference(exposedObject, beanName);
				}
			}
		}
		//总结
		//1、如果不调用后置，返回的bean和三级缓存一样
		//2、如果调用AOP后置，返回的就是代理对象
		//3、这就是三级缓存设计的巧妙之处！！！！Map<String, ObjectFactory<?>>
		// 结论：虽然二级缓存能解决循环依赖，但是使用不了aop了，也就是扩展点没有了
		return exposedObject;
	}

示例如下：修改 Bean1 代码增加一个 foo 方法，让 Bean1 被 AOP 增强

java 复制代码 
    static class Bean1 {
        public void foo() {

        }
        public Bean1() {
            System.out.println("Bean1()");
        }
        @Autowired public void setBean2(Bean2 bean2) {
            System.out.println("Bean1 setBean2(bean2) class is: " + bean2.getClass());
        }
        @PostConstruct public void init() {
            System.out.println("Bean1 init()");
        }
    }

再次执行，观察打印效果：

Bean1()
Bean2()
Bean2 setBean1(bean1) class is: class com.spring.test.A17_1$Bean1$$EnhancerBySpringCGLIB$$28831f11
Bean2 init()
Bean1 setBean2(bean2) class is: class com.spring.test.A17_1$Bean2
Bean1 init()

注意看，Bean1 对象，很早就变成了代理对象，说明是三级缓存生效了。注意：虽然很早就变成代理对象了，但是初始化方法还没执行。

总结下：

AOP 代理对象生成的时机？

1、如果存在循环依赖，是在三级缓存中生成代理对象

2、如果不存在循环依赖，是在 Bean 初始化方法执行后生成。

为什么需要三级缓存？

为了打补丁，让循环依赖的 AOP 的 Bean，能正常注入到其他 Bean 中。

1,2,3 三级缓存的作用是什么？

一级缓存存储已经完全创建好的单例对象

二级缓存存储未完成的，还被其他 Bean 引用的对象

三级缓存，用于存储未完成的对象工厂，且没被其他对象引用过。

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