手写一个微型 Spring 框架：从端口监听到依赖注入

乐予吕2025-04-16 10:21

书接上回，作为一个从.NET转Java的开发人员，Spring框架肯定是无法绕过的。在学习 Spring 框架的过程中，我们往往只是停留在"使用"层面，而对其底层实现机制知之甚少。但我始终觉得，学习框架的过程中，理解其设计思想和实现原理是非常重要的。因此，我决定手写一个微型的Spring框架，来深入理解Spring的核心设计思想。为了加深我对 Spring 的理解，并锻炼 Java 框架设计能力，我决定手写一个微型的 Spring 框架 ------ Javelin。

这篇文章我们将实现：

  • 一个简单的 IoC 容器 JavelinContext，用于管理 Bean 实例的生命周期。
  • 支持 @RestController、@GetMapping、@PostMapping 等注解的自动扫描与注册。
  • 基于 HttpServer 的端口监听与请求路由分发。

本文适合有 Java 或 .NET 框架开发经验的读者，特别是希望深入理解 Spring、探索其核心设计思想的人群。

为什么要手写一个 Spring 框架？

首先Spring 是 Java 生态中最具代表性的框架之一，而作为一个搬砖多年的开发人员，CURD显然不再是我们的追求。但，学习框架的设计思想和实现原理还是非常有价值的。Sping框架核心理念在于控制反转（IoC）、面向切面编程（AOP）和基于注解的声明式编程。手写框架可以帮助我们：

  1. 理解 IoC 容器原理：Bean 是如何被发现、实例化、依赖注入的？
  2. 掌握路由注册机制：Spring MVC 如何基于注解将请求分发给具体的方法？
  3. 探索类扫描与反射机制：如何实现自动发现注解的类与方法？
  4. 对比 .NET ：Spring 与 ASP.NET Core 的设计思路在某些地方是相通的，比如 @RestController 和 [ApiController]，但实现方式有差异。

通过实战构建 Javelin，我们能够站在框架设计者的角度重新思考"约定优于配置"的设计哲学。

项目结构

我们手写的框架名叫 Javelin，目前已经实现了三个核心模块：

模块 功能
JavelinContext 提供简化版 IoC 容器，实现基于注解的构造函数注入
Router 自动扫描 @RestController，绑定 GET/POST 请求路径
AppStartup 应用启动入口，配置端口监听、类扫描路径等

项目结构如下：

perl 复制代码 
javelin-core/
├── annotations/        // 自定义注解（@RestController, @Inject 等）
├── context/            // IoC 容器
├── rest/               // 路由注册
├── core/               // 类扫描器
└── startup/            // 启动类

构建核心 IoC 容器 JavelinContext

我们首先需要一个容器类来负责扫描、实例化 Bean，并支持构造函数注入。代码结构如下：

java 复制代码 
public class JavelinContext {

    private final Map<Class<?>, Object> singletonMap = new HashMap<>();

    public <T> T getBean(Class<T> clazz) {
        if (singletonMap.containsKey(clazz)) {
            return (T) singletonMap.get(clazz);
        }

        T instance = (T) createBean(clazz);
        singletonMap.put(clazz, instance);
        return instance;
        
    }

    public <T> T createBean(Class<T> clazz) {
        try {
            Constructor<?>[] constructors = clazz.getDeclaredConstructors();
            
            injectConstructor = clazz.getDeclaredConstructor();
            // ...

            return (T) injectConstructor.newInstance(args.toArray());
        }  catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException("Failed to instantiate: " + clazz.getName(), e); 
        }
    }
}

这段代码的核心思路与 .NET Core 的构造函数注入类似（例如通过 IServiceCollection.AddTransient() 注册服务并注入）。

自动路由注册 Router

我们手动实现了基于注解的请求路由注册机制。Javelin 支持如下注解：

控制器注解

java 复制代码 
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface RestController {}

请求映射注解

java 复制代码 
@Target(ElementType.ANNOTATION_TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface HttpMethodMapping {
    String method();
}

@HttpMethodMapping(method = "POST")
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface PostMapping {
    String value();
}

// ...

而 Router 类的核心逻辑如下：

java 复制代码 
public class Router {
    public void registerRoutes(HttpServer server, Set<Class<?>> classes, JavelinContext context) {
        for (Class<?> clazz : classes) {
            if (!clazz.isAnnotationPresent(RestController.class)) continue;

            Object controller = context.getBean(clazz);

            for (Method method : clazz.getDeclaredMethods()) {
                HttpMethodMapping mapping = annotation.annotationType().getAnnotation(HttpMethodMapping.class);
                if (mapping != null) {
                       String httpMethod = mapping.method();                       
                       try{
                           String path = (String) annotation.annotationType().getMethod("value").invoke(annotation);
                           registerHandler(server, path, httpMethod, controllerInstance, method);
                       } catch (Exception e) {
                           e.printStackTrace(); 
                       }

                    }
            }
        }
    }

    private void registerHandler(HttpServer server, String path, String expectedMethod, Object controllerInstance, Method method) {
        server.createContext(path, exchange -> {
            // 判断请求的合法性

            try {
                // 反射调用方法
            } catch (Exception e) {
                exchange.sendResponseHeaders(500, 0);
                e.printStackTrace();
            }
        });

        System.out.println("➡️  [" + httpMethod + "] " + path + " → " + controller.getClass().getSimpleName() + "." + method.getName());
    }
}

.NET 中这部分功能相当于 ASP.NET Core 中的 MapControllers() + [HttpGet("/api/foo")] 等特性。

启动类 AppStartup

java 复制代码 
public class AppStartup {
    public static void run(Class<?> appClass, String[] args)
    {
        String basePackage = appClass.getPackage().getName(); // 自动获取包名
        Set<Class<?>> controllers = ClassScanner.scan(basePackage);

        int port = resolvePort(); // ✅ 获取端口号
        HttpServer server;
        try {
            server = HttpServer.create(new InetSocketAddress(port), 0); // 默认端口8080     
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException("Failed to start HTTP server", e);
        }           

        JavelinContext context = new JavelinContext();
        new Router().registerRoutes(server, controllers, context);

        server.start();
        System.out.println("🚀 Server started at http://localhost:" + port);
    }
}

Service 注入

java 复制代码 
@RestController
public class HelloController {
    private UserService userService;

    @Inject
    public HelloController(UserService userService) {
        this.userService = userService; // ✅ 注入UserService实例 
    }

    @GetMapping("/hello")
    public String hello() {
        return "Hello World from " + userService.getUserById(1) ;
    }
}

接下面让我们看看我们的Hello World

当我们用get方式访问post时，会报405错误。

💡和 .NET 框架的对比分析

在开发 Javelin 的过程中，我时常联想到 .NET 的实现，尤其是 ASP.NET Core，它与 Spring 在设计理念上高度一致，但细节又有一些差异，下面进行系统性对比：

控制器与路由

特性 Javelin (Java) ASP.NET Core (.NET)
控制器注解/特性 @RestController [ApiController]
路由声明方式 @GetMapping("/path") [HttpGet("path")]
路由注册机制 手动反射扫描注册 中间件动态注册至 EndpointRouting
请求处理 HttpExchangeHandler ControllerInvoker 中间件链

依赖注入与服务容器

特性 Javelin (Java) ASP.NET Core (.NET)
服务注册方式 自动递归构造，无需注册 显式调用 services.AddXyz()
注入方式 构造函数 + @Inject 构造函数 + 内建 IoC 容器
生命周期管理 默认单例 支持 Transient / Scoped / Singleton
循环依赖检测 暂不支持 默认会在启动时检测并抛出异常

底层运行机制

特性 Javelin ASP.NET Core
HTTP 服务器 com.sun.net.httpserver.HttpServer Kestrel 内置服务器
请求派发模型 映射到类方法，反射调用 中间件链 + 路由匹配 + ControllerInvoker

可以看出，Javelin 更加简洁直观，适合做教学或理解框架底层流程，而 ASP.NET Core 更加强大和工程化，适用于复杂企业级应用。

总结与下步计划

通过上面的内容，我们已经实现了 Spring 框架的三个关键能力：

  • 简易 IoC 容器支持构造函数注入
  • 使用 @RestController/@GetMapping/@PostMapping 注解注册请求处理器
  • 类似 Spring Boot 的端口监听启动类

后续我们将继续拓展：

  • 参数绑定（如 @RequestParam, @RequestBody）
  • 中间件机制（如拦截器）
  • 全局异常处理
  • JSON 返回支持
  • 生命周期管理

敬请期待下一篇：实现请求参数自动注入与 JSON 响应支持！

由于篇幅原因，示例中的代码仅展示了部分关键实现细节，完整代码请参考GitHub仓库。

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