SpringFramework源码分析(1):Spring容器中的核心组件与层次

Spring的IoC容器

Spring的IoC容器是Spring的核心，IOC（Inversion of Control ）控制反转的。IoC和DI（Dependency Injection）是一个意思，也就是说对象定义它们的依赖（也就是和它们一起干活的其他对象），Spring容器会把这些依赖给注入进去。具体来讲，我们可以通过xml文件、注解和java代码的形式来定义对象和它们之间的依赖，Spring会自动帮我们把它们解析成BeanDefinition、注册BeanDefinition，然后将BeanDefinition实例化，填充属性并注入依赖，调用生命周期方法等，最终生成Bean，从而供用户使用。

Spring容器的工作原理

我们有一些POJO（示例代码中的A和B），还有一些配置信息，这些配置信息可以是xml文件、注解、java代码（示例代码中的AppConfig类）。我们把这两坨扔给Spring容器（示例代码中的AnnotationConfigApplicationContext），Spring容器帮我们实例化并装配好，我们使用时直接从Spring获取即可，例如从Spring容器中获取A实例applicationContext.getBean(A.class)。

public class A {
}

public class B {
}

@Configuration
public class AppConfig {
	@Lazy
	@Bean
	@DependsOn("b")
	public A a() {
		System.out.println("Generate bean a");
		return new A();
	}

	@Scope("prototype")
	@Bean
	public B b() {
		System.out.println("Generate bean b");
		return new B();
	}
}

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		AnnotationConfigApplicationContext configApplicationContext =
				new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
		A a = applicationContext.getBean(A.class);
		B b = applicationContext.getBean(B.class);
	}
}

核心概念介绍

那么问题来了，Spring是怎么把我们的POJO变成Spring管理的对象的呢？这里涉及到Spring中的一些概念，包括Bean、BeanDefinition、BeanFactory、ApplicationContext、BeanDefinitionRegistry、SingletonBeanRegistry、BeanDefinitionReader、BeanFactoryPostProcessor、BeanPostProcessor

• Bean
  我们这里说的Bean是Spring中的Bean，而不是普通的JavaBean。Spring中的Bean是Spring IoC容器管理的对象，Bean不是普通的java对象，Bean具有生命周期，即创建、初始化和销毁。Spring的容器就是用来管理Bean的。

• BeanDefinition
  在Java中我们使用Class来描述类或接口，但是Class不能描述一个类是否要懒加载、自动装配模式等属性，所以在Spring中使用BeanDefinition来描述Bean实例，BeanDefinition包括Bean属于哪个Class、Bean的Name、Scope、Constructor arguments、Properties、Autowiring mode、Lazy initialization mode、Initialization method、Destruction method。

• BeanFactory
  BeanFactory是访问Spring Bean容器的最基本的接口，BeanFactory是所有应用组件（ApplicationComponent）的注册中心，为所有的组件提供集中化的配置。BeanFactory接口的实现类需要满足一定要求：
  1 应该持有一系列的BeanDefination，通过BeanDefination，容器可以返回独立的或共享的实例。
  2 应该尽可能地支持标准的Bean生命周期接口，即Bean的初始化、创建和销毁。
  我们可以看到BeanFactory中提供了许多getBean的方法，此外还提供了判断一个Bean是否是单例、原型等方法。

• ApplicationContext
  ApplicationContext是BeanFactory的扩展，是为一个应用提供配置的中心接口，主要提供以下能力；
  1 通过继承ListableBeanFactory和HierarchicalBeanFactory接口，可以访问BeanFactory中的应用组件（也就是Bean）；
  2 通过继承ResourceLoader接口，可以加载资源，例如classPath资源、文件系统资源等；
  3 通过继承ApplicationEventPublisher接口，可以向注册的Listener发布事件；
  4 通过继承MessageSource，可以解析消息，支持国际化；
  5 支持从parent context继承，例如WebApplicationContext。

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

• BeanDefinitionRegistry
  BeanFactory接口只提供了访问Bean的方法，而BeanDefinitionRegistry则提供了注册BeanDefinition的方法。DefaultListableBeanFactory和GenericApplicationContext都实现了BeanDefinitionRegistry接口。

• SingletonBeanRegistry
  SingletonBeanRegistry接口提供了注册单实例Bean的能力，ConfigurableBeanFactory继承了该接口。
  注意这个接口是用来向Spring容器中添加单实例Bean的，而BeanDefinitionRegistry则是向Spring容器中添加BeanDefinition的。

• BeanDefinitionReader
  BeanDefinitionReader指定了loadBeanDefinition方法，从而根据传入的String或Resource类型参数加载BeanDefinition。需要注意的是一个BeanDefinition的读取器不必非要实现这个接口，例如AnnotationConfigApplicationContext中的AnnotatedBeanDefinitionReader就没有实现该接口。

• BeanFactoryPostProcessor
  BeanFactoryPostProcessor是Spring提供的一个扩展点，主要是用来修改ApplicationContext中的BeanDefinition而不是Bean实例。
  BeanFactoryPostProcessor的一个重要的子接口是BeanDefinitionRegistryPostProcessor，BeanDefinitionRegistryPostProcessor允许在BeanFactoryPostProcessor处理BeanDefinition之前注册一些BeanDefinition。
  BeanDefinitionRegistryPostProcessor目前唯一的实现是ConfigurationClassPostProcessor，这个类非常重要，主要是用来处理@Configuration标注的配置类的，它处理@Component、@Import、@Bean等注解，将用户基于注解和java代码定义的类和类之间的依赖关系转化成BeanDefinition。我们会在之后的文章中对ConfigurationClassPostProcessor进行专门的介绍。

• BeanPostProcessor
  BeanPostProcessor也是Spring提供的一个扩展点，主要是在Bean实例化前后执行回调，我们之后会单独介绍该接口。

接口层次

下面介绍一下BeanDefinition、BeanFactory、ApplicationContext接口的层次。我们可以看到Spring中接口和类的层次是相当复杂的，这是因为Spring把能分开的都分开了，体现了单一职责的原则。子接口或子类可以组合这些接口，从而实现丰富的功能。

BeanDefinition的层次

• BeanDefinition
  BeanDefinition用来描述Bean实例，包括属性值、构造器参数值以及它的具体实现提供的额外的信息。通过BeanFactoryPostProcessor可以对BeanDefinition的属性值和其他元数据信息进行修改。

• AnnotatedBeanDefinition
  AnnotatedBeanDefinition是BeanDefinition的直接子接口，主要是可以获取到AnnotationMetadata，AnnotationMetadata接口主要提供对一个类上注解的访问，例如getAnnotationTypes、getAnnotatedMethods等。

• AbstractBeanDefinition
  AbstractBeanDefinition是实现了BeanDefinition接口的抽象类，提取出了GenericBeanDefinition、RootBeanDefinition以及ChildBeanDefinition的公共属性，例如beanClass、scope、abstractFlag、lazyInit、autowireMode、dependsOn、primary、initMethodName、destroyMethodName等。

• GenericBeanDefinition
  GenericBeanDefinition是AbstractBeanDefinition的子类，它是BeanDefinition接口的标准实现。通常使用GenericBeanDefinition是为了注册用户可见的BeanDefinition，这些BeanDefinition可能会进一步被PostProcessor处理，也可能被重新设置parentName。Spring 2.5之后，通过编程的方式注册BeanDefinition的推荐方式是使用GenericBeanDefinition，因为可以通过setParentName方法动态地设置父依赖

• RootBeanDefinition
  RootBeanDefinition代表MergedBeanDefinition，一个RootBeanDefinition可能是由多个有继承关系的BeanDefinition创建而来的，RootBeanDefinition本质上是Spring的BeanFactory运行期间统一的BeanDefinition视图。

• ChildBeanDefinition
  ChildBeanDefinition使得Bean可以从他的parent继承一些属性，包括构造器参数值、属性值、重载父类方法、init和destroy方法、静态工厂方法。对于depends on、autowire mode、 dependency check、singleton、lazy init则会使用自己设置的值。使用RootBeanDefinition和ChildBeanDefinition可以表达预先确定好的父子关系。

• ScannedGenericBeanDefinition
  ScannedGenericBeanDefinition是GenericBeanDefinition的子类，使用ASM ClassReader解析.class文件，从而获取到相关的元信息。

• AnnotatedGenericBeanDefinition
  AnnotatedGenericBeanDefinition也是GenericBeanDefinition的子类，在将@Configuration标注的类（配置类）转化成BeanDefinition时，使用的就是AnnotatedGenericBeanDefinition。

• ConfigurationClassBeanDefinition
  ConfigurationClassBeanDefinition是ConfigurationClassBeanDefinitionReader的内部类，ConfigurationClassBeanDefinition表示BeanDefinition是从Configuration Class（配置类）中创建的而不是基于其他的配置源。

• ClassDerivedBeanDefinition
  ClassDerivedBeanDefinition是GenericApplicationContext的内部类，在GenericApplicationContext#registerBean方法中会把beanClass转化成ClassDerivedBeanDefinition。

    ClassDerivedBeanDefinition beanDefinition = new ClassDerivedBeanDefinition(beanClass);
  

BeanFactory的层次

• BeanFactory
  BeanFactory接口是Spring IoC容器最基本的接口，主要提供各种getBean的方法，从而可以从Spring容器中获取到Bean。注意，BeanFactory只提供了获取Bean的接口，而没有提供注册Bean的接口。注册Bean的接口是BeanDefinitionRegistry，也就是说注册和获取Bean的接口是隔离的。

• ListableBeanFactory
  ListableBeanFactory是BeanFactory的直接子接口，主要是提供“批量”的能力，例如批量获取BeanName和Bean实例。

• HierarchicalBeanFactory
  HierarchicalBeanFactory是BeanFactory的直接子接口，主要提供支持父子容器的能力，即可以获取当前容器的父容器。

• AutowireCapableBeanFactory
  AutowireCapableBeanFactory是BeanFactory的直接子接口，主要提供自动注入的能力。

• ConfigurableBeanFactory
  ConfigurableBeanFactory提供配置BeanFactory的一系列方法，包括setBeanClassLoader、addBeanPostProcessor、registerAlias等。

• ConfigurableListableBeanFactory
  ConfigurableListableBeanFactory除了ConfigurableBeanFactory提供的配置方法，ConfigurableListableBeanFactory还提供分析和改变BeanDefinition、预实例化单实例Bean的方法。

• AbstractBeanFactory
  AbstractBeanFactory是BeanFactory的抽象基类，提供了基本的实现

• DefaultListableBeanFactory
  DefaultListableBeanFactory是
  ConfigurableListableBeanFactory和BeanDefinitionRegistry接口的默认实现，在AnnotationConfigApplicationContext中会用到。
  DefaultListableBeanFactory中的beanDefinitionMap就是放BeanDefinition的。

/** Map of bean definition objects, keyed by bean name. */
	private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>(256);

ApplicationContext的层次

• ApplicationContext
  ApplicationContext是配置一个应用的中心接口。

• ConfigurableApplicationContext
  ApplicationContext接口中大多数方法都是getBean，ConfigurableApplicationContext则提供了一些设置 applicationContext的方法，例如setXXX addXXX registerXXX等。

• WebApplicationContext
  WebApplicationContext为web应用提供配置，在ApplicationContext的基础上增加了getServletContext方法，可以获取到标准的javax.servlet.ServletContext。

• AbstractApplicationContext
  AbstractApplicationContext是ApplicationContext的抽象实现，提供了通用能力，使用模板方法设计模式，使其子类实现一些具体的逻辑。
  ApplicationContext需要检测定义在BeanFactory中的其他Bean，因此AbstractApplicationContext中注册了包括BeanFactoryPostProcessors、BeanPostProcessors以及ApplicationListeners接口的一些实现类对应的Bean

• GenericApplicationContext
  GenericApplicationContext内部持有一个DefaultListableBeanFactory
  并且没有强制指定BeanDefinition的类型。此外，实现了BeanDefinitionRegistry接口，从而可以注册BeanDefinition。
  其他ApplicationContext的实现在每次调用refresh方法时，会创建一个新的BeanFactory，GenericApplicationContext只能调用refresh方法一次，多次调用会抛异常。另外，我们常用的基于注解的AnnotationConfigApplicationContext是GenericApplicationContext的子类。

    Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: GenericApplicationContext does not support multiple refresh attempts: just call 'refresh' once
  

• AbstractRefreshableApplicationContext
  AbstractRefreshableApplicationContext支持多次调用refresh方法，每次会创建一个新的BeanFactory实例。AbstractRefreshableApplicationContext的子类需要实现loadBeanDefinitions方法，从而在每次调用refresh方法时可以将BeanDefinition加载到DefaultListableBeanFactory中。

• AnnotationConfigApplicationContext
  AnnotationConfigApplicationContext支持以@Configuration标注的类、@Component和JSR-330的@Inject注解作为BeanDefinition源，同时也支持直接注册类register(Class…)以及基于classPath扫描scan(String…)的方式注册类。
  如果有多个@Configuration标注的类，那么后面的类中定义的@Bean方法会覆盖前面的类。利用这点可以通过增加额外的@Configuration类来覆盖某些BeanDefinition。

SpringFramework系列目录

SpringFramework系列目录