Spring原理与源码分析系列（二）- Spring IoC容器启动过程分析（上）

0 前言

Spring的IoC容器是一个提供IoC支持的轻量级容器。

Spring提供了两种容器：BeanFactory和ApplicationContext。

两者的继承关系图如下：

Spring原理与源码分析系列（二）- Spring IoC容器启动过程分析（上）

BeanFactory：基本的IoC容器，默认采用延迟初始化策略（lazy-load），即只有当客户端对象需要访问容器中某个bean对象的时候，才会对该bean对象进行初始化以及依赖注入操作。
所以BeanFactory容器的特点是启动初期速度快，所需资源有限，适合于资源有限功能要求不严格的场景。
ApplicationContext： ApplicationContext在BeanFactory基础上构建，支持其他的高级特性，如国际化，事件发布等。
相对于BeanFactory容器来说，ApplicationContext在启动的时候即完成资源的初始化，所以启动时间较长，适合于系统资源充足，需要更多功能的场景。

关于Spring容器启动过程的分析，本章节分为两篇文章进行叙述，第一篇主要介绍Spring中Bean的相关概念以及IoC容器类型；第二篇开始详细介绍IoC容器的启动过程。
本篇详述Spring中Bean的相关概念以及IoC容器类型。

一 Spring Bean

在介绍IoC容器之前，我们需要知道什么是Bean以及相关概念。

1 Bean定义

Java 中Bean的定义：

类中所有的属性都必须封装，即：使用private声明；
封装的属性如果需要被外部所操作，则必须编写对应的setter、getter方法；
一个JavaBean中至少存在一个无参构造方法。

如：

package com.wgs.spring.bean;
/**
 * @author GenshenWang.nomico
 * @date 2017/11/23.
 */
public class User {
    private String name;
    private int age;
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
}

而Spring IoC容器就是管理bean的工厂。
Spring中bean 是一个被实例化，组装，并通过 Spring IoC 容器所管理的对象。这些 bean 是由用容器提供的配置元数据创建的。Spring可以采用XML配置文件的方式来管理和配置Bean信息，如下：

<?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  class="com.wgs.spring.bean.User"></bean>
</beans>

<beans>是XML配置文件中根节点，下面可包含多个<bean>子节点。
Spring的XML配置文件中的配置与<bean>元素是一一对应的。

下面来看看bean定义的常见属性：
（1）id属性
通常，注册到容器的对象都有一个唯一的id值，如，这个id值使其表示的bean与其他bean区分开来，当然也可以用以下的name属性值进行标识；
（2）name属性
可以用name属性来指定bean的别名。
如：

<bean  name="beanname/user" class="com.wgs.spring.bean.User"></bean>

name可以使用逗号、空格或冒号等分割指定多个name，而id就不可以。
（3）class属性
每个注册到容器的bean都需要通过class属性指定其类型。（部分情况例外）

其余常见属性：

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2 Bean的类型

XML
Annotation
Class
Properties、YML

3 Bean的注入方式

在XML配置中，常用的是构造方法注入与setter注入两种方式。
（1）构造方法注入
构造方法注入是通过有参构造器方法来注入属性值，在XML中通过<constructor-arg type="" value="">为其赋值。
如：

public class User {
    private String name;
    private int age;

    public User(String name){
        this.name = name;
    }
    public User(int age){
        this.age = age;
    }

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

这样在Xml中，就可以通过type属性来指定要传入的参数类型。
比如：
如果给name赋值，就只需要传入一个type=”String”类型的值即可：

<bean  class="com.wgs.spring.bean.User">
        <constructor-arg type="java.lang.String">
            <value>wgs</value>
        </constructor-arg>
    </bean>

如果给age赋值，就只需要传入一个type=”int”类型的值即可：

<bean  class="com.wgs.spring.bean.User">
        <constructor-arg type="int">
            <value>25</value>
        </constructor-arg>
    </bean>

如果给age,name同时赋值，就可以通过index来指定传入参数的顺序：

<bean  class="com.wgs.spring.bean.User">
    <constructor-arg index="0" value="wgs"></constructor-arg>
    <constructor-arg index="1" value="25"></constructor-arg>
</bean>

这样index=”0”的value值就赋值给构造器User(String name, int age)第1个参数值；
index=”1”的value值就赋值给构造器第2个参数值.

如果在构造器中有别的对象的依赖，可以通过ref属性来赋值。

（2）setter方法注入
setter方法注入需要Bean类提供setter方法和无参构造器，在XML配置文件中通过<property name = "" value="">为其赋值。

public class User {
    private String name;
    private int age;

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

在XML中为setter方法提供了<property >元素。<property >元素有个name属性，用来指定对应bean类中的属性值。
如下：

<bean  class="com.wgs.spring.bean.User">
       <property name="age" value="25"></property>
       <property name="name" value="wgs"></property>
</bean>

4 Bean的scope

scope常被叫做“作用域”，声明容器中该对象的存活时间。超过这个scope，对象即将被销毁。
bean常见的scope有：

singleton
prototype
request
session
global session
容器默认的scope是singleton。

常用的是如下两种类型：
（1）singleton
声明为singleton类型的bean在容器中有如下特性：

一个对象实例：singleton类型的bean在一个容器中只存在一个共享实例，所有对该类型bean的引用引用都会共享这单一实例。
对象实例存活时间：从容器启动到它第一次被请求而实例化开始，将一直存活到容器退出。即与IoC容器的生命周期相同。

IoC容器中默认的scope即是singleton，在XML中也可以设置为false：

<bean  name="beanname/user" class="com.wgs.spring.bean.User" 
scope="singleton"></bean>

（2） prototype

声明为prototype类型的bean在容器中有如下特性：

对象实例：容器在接到该类型对象的请求的时候，每次都会重新创建一个新的对象实例给请求方；
生命周期：容器每次返回请求方一个新的对象实例后，就不再拥有该对象的引用；该对象的生死均由请求方负责。

对于那些请求方不能共享使用的对象类型，应该将其bean定义的scope设置为prototype。

<bean  name="beanname/user" class="com.wgs.spring.bean.User" scope="prototype"></bean>

这样每个请求方都可以得到自己对应的一个对象实例。

singleton与prototype的区别：
（1）singleton类型的对象在容器只会存在一个对象实例，被共享；
而prototype类型的对象会每次创建新的对象实例。
（2）singleton类型的对象的生命周期由容器管理；
而prototype类型的对象的生命周期由自己管理。

5 BeanDefinition接口

Spring IoC是管理Bean的容器，负责创建，装配，销毁Bean。
在IoC容器中，BeanDefinition抽象了Bean的定义，保存了Bean的必要信息，如在xml配置中，BeanDefinition就保存了与<bean>相关的id,name,aliases等属性，封装了很多与Bean相关的基本数据（在XML配置中这些数据都是通过诸如<bean id="" name="">等标签进行配置的），是容器实现依赖反转功能的核心数据结构。

下面是BeanDefinition的源码：

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;
    String getParentName();
    void setParentName(String parentName);
    String getBeanClassName();
    void setBeanClassName(String beanClassName);
    String getFactoryBeanName();
    void setFactoryBeanName(String factoryBeanName);
    String getFactoryMethodName();
    void setFactoryMethodName(String factoryMethodName);
    String getScope();
    void setScope(String scope);
    boolean isLazyInit();
    void setLazyInit(boolean lazyInit);
    String[] getDependsOn();
    void setDependsOn(String... dependsOn);
    boolean isAutowireCandidate();
    void setAutowireCandidate(boolean autowireCandidate);
    boolean isPrimary();
    void setPrimary(boolean primary);
    ConstructorArgumentValues getConstructorArgumentValues();
    MutablePropertyValues getPropertyValues();
    boolean isSingleton();
    boolean isPrototype();
    boolean isAbstract();
    int getRole();
    String getDescription();
    String getResourceDescription();
    BeanDefinition getOriginatingBeanDefinition();
}

可以看到BeanDefinition接口中定义了很多bean相关的属性和方法，
如类名，scope，属性，构造参数列表，是否单例，是否软加载等。
这样对bean的操作实际上就是直接对BeanDefinition进行操作。

BeanDefinition接口继承了AttributeAccessor接口，说明它拥有处理属性的能力；
BeanDefinition接口继承了BeanMetadataElement 接口，说明它拥有bean元素的属性。

BeanDefinition只是一个接口，常用的实现类有：

ChildBeanDefinition
RootBeanDefinition
GenericBeanDefinition

二 Spring IoC容器—BeanFactory容器

1 BeanFactory容器职责—对象注册与依赖绑定

BeanFactory就是生成Bean的工厂，作为Spring提供的基本的IoC容器，其主要职责是：

业务对象的注册
对象间依赖关系的绑定

BeanFactory的源码：

package org.springframework.beans.factory;

import org.springframework.beans.BeansException;
import org.springframework.core.ResolvableType;

public interface BeanFactory {

String FACTORY_BEAN_PREFIX = "&";
Object getBean(String name) throws BeansException;
<T> T getBean(String name, Class<T> requiredType) throws BeansException;

Object getBean(String name, Object... args) 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, Class<?> typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;    
Class<?> getType(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;

String[] getAliases(String name);

}

可以看出，BeanFactory接口中定义了一系列管理Bean的方法，如：
getBean：在容器中根据Bean name取得某个Bean；
containsBean：判断容器中是否存在某个Bean；
isSingleton：判断Bean是否是Singleton类型的Bean；
isPrototype：判断Bean是否是Prototype类型的Bean；
isTypeMatch：判断Bean的Class类型与指定的Class类型是否匹配；
getType：查询Bean的Class类型；
getAliases：查询Bean的别名。
…

BeanFactory只是一个接口，而DefaultListableBeanFactory是其一个较为通用的实现类。

下图是BeanFactory容器对象注册与依赖绑定过程中涉及到的接口：

Spring原理与源码分析系列（二）- Spring IoC容器启动过程分析（上）

如图所示，DefaultListableBeanFactory除了间接实现BeanFactory接口，还实现了BeanDefinitionRegistry接口。
BeanDefinitionRegistry接口定义抽象了Bean的注册逻辑，担当Bean注册管理的角色，而BeanDefinitionRegistry将Bean注册到容器当中，是以BeanDefinition保存的。在容器当中每一个受管理的Bean都有一个与之对应的BeanDefinition，BeanDefinition保存对象的所有必要信息。

总结：
BeanFactory：该接口只定义如何访问容器内管理的Bean的方法；
BeanDefinitionRegistry：该接口充当Bean注册管理的角色；
DefaultListableBeanFactory：上述两接口的具体实现类，负责Bean注册以及管理的管理。

2. 对象注册与依赖绑定方式

上小节描述了BeanFactory的功能与职责主要是对象注册与依赖绑定。
Spring提供了三种方式来实现对象注册与依赖绑定过程。

（1）直接编码方式

首先需要通过BeanFactory来创建一个IoC容器，
然后通过BeanDefinitionRegistry将bean注册到容器当中（而DefaultListableBeanFactory是上述两接口的具体实现类），
最后可通过构造注入或者setter注入方式完成对象间关系的依赖绑定。

代码实现如下：

package com.wgs.spring.registry;

import org.springframework.beans.MutablePropertyValues;
import org.springframework.beans.PropertyValue;
import org.springframework.beans.factory.BeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.config.ConstructorArgumentValues;
import org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanDefinition;
import org.springframework.beans.factory.support.BeanDefinitionRegistry;
import org.springframework.beans.factory.support.DefaultListableBeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.support.RootBeanDefinition;

/**
 * @author GenshenWang.nomico
 * @date 2017/11/17
 */
public class BeanFactoryRegistryDemo {

    public static void main(String[] args) {
        DefaultListableBeanFactory beanRegistry = new DefaultListableBeanFactory();
        BeanFactory container = bindBeanByCode(beanRegistry);

        //3 完成上述步骤后即可从容器获取Bean实例
        CommentService service = (CommentService) container.getBean("commentService");
        System.out.println(service.getCount());
    }

    public static BeanFactory bindBeanByCode(BeanDefinitionRegistry beanRegistry){
        //先将Bean抽象成BeanDefinition
        AbstractBeanDefinition commentService = new RootBeanDefinition(CommentService.class);
        AbstractBeanDefinition commentDao = new RootBeanDefinition(CommentDao.class);

        //1 注册：beanRegistry是BeanDefinitionRegistry实现类，可以实现Bean注册功能
        beanRegistry.registerBeanDefinition("commentService", commentService);
        beanRegistry.registerBeanDefinition("commentDao", commentDao);

        //2 依赖绑定：将commnetDao绑定到commnetService当中
        //  (1)通过构造方法注入
       /* ConstructorArgumentValues argumentValues = new ConstructorArgumentValues();
        argumentValues.addIndexedArgumentValue(0, commentDao);
        commentService.setConstructorArgumentValues(argumentValues);*/
        // （2）通过setter方法注入
        MutablePropertyValues propertyValues = new MutablePropertyValues();
        propertyValues.addPropertyValue(new PropertyValue("commentDao", commentDao));
        commentService.setPropertyValues(propertyValues);

        return (BeanFactory)beanRegistry;
    }
}

（2）外部配置文件方式

Spring的IoC容器支持两种配置文件格式：

Properties文件格式
XML文件格式

在这个过程中有个很重要的接口：BeanDefinitionReader。
该接口负责读取配置文件内容并映射到BeanDefinition，然后将BeanDefinition交由BeanDefinitionRegistry 完成Bean的注册与加载。

本文通过XML文件格式来描述这个功能，代码实现如下：
xml配置文件：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd http://www.springframework.org/schema/context http://www.springframework.org/schema/context/spring-context.xsd">

    <bean  class="com.wgs.spring.registry.CommentDao"/>
    <bean  class="com.wgs.spring.registry.CommentService">
        <property name="commentDao">
            <ref bean="commentDao"></ref>
        </property>
    </bean>

</beans>

Spring中提供了BeanDefinitionReader的实现类XmlBeanDefinitionReader来读取文件内容，并加载到容器中：

package com.wgs.spring.registry;

import org.springframework.beans.factory.BeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.support.*;
import org.springframework.beans.factory.xml.XmlBeanDefinitionReader;

/**
 * @author GenshenWang.nomico
 * @date 2017/11/17
 */
public class BeanFactoryRegistryDemo2 {

    public static void main(String[] args) {
        DefaultListableBeanFactory beanRegistry = new DefaultListableBeanFactory();
        BeanFactory container = bindBeanByXML(beanRegistry);
        CommentService commentService = (CommentService) container.getBean("commentService");
        System.out.println(commentService.getCount());
    }

    public static BeanFactory bindBeanByXML(BeanDefinitionRegistry beanRegistry){
        //读取配置文件内容，解析文件格式，并映射到对应的BeanDefinition，完成注册
        XmlBeanDefinitionReader reader = new XmlBeanDefinitionReader(beanRegistry);
        reader.loadBeanDefinitions("classpath:/spring.xml");
        return (BeanFactory) beanRegistry;
    }
}

（3）注解方式

注解方式需要使用@Autowired和@Component对对象进行标记。

@Component：配合<context:component-scan base-package=""/>使用，<context:component-scan package=""/>会扫描指定的包（package）下标注有 @Component的类，并将他们作为Bean添加到容器当中进行管理；
@Autowired：通知容器，将依赖对象注入到当前对象中。

代码实现如下：

Component
public class CommentDao {
...
}

Component
public class CommentService {
    @Autowired
    private CommentDao commentDao;

    public int getCount(){
        commentDao = new CommentDao();
        return commentDao.getCommentCount();
    }
}

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd http://www.springframework.org/schema/context http://www.springframework.org/schema/context/spring-context.xsd">

<context:component-scan base-package="com.wgs.spring.registry"/>
</beans>

三、Spring IoC容器—ApplicationContext容器

ApplicationContext是高级IoC容器的实现，除了拥有BeanFactory支持的所有功能外，还进一步拓展了基本容器的功能，包括：

BeanFactoryPostProcessor
特殊类型的bean的自动识别
容器启动后bean实例的自动初始化
国际化
容器内时间发布

Spring为BeanFactory提供了XmlBeanFactory实现；相应地为ApplicationContext类型容器提供如下几个常用实现：
（1）FileSystemXmlApplicationContext：从文件系统加载bean定义以及相关资源的ApplicationContext实现；
（2）ClassPathXmlApplicationContext：从classpath下加载bean定义以及相关资源的ApplicationContext实现；
（3）XmlWebApplicationContext：从Web应用程序中加载bean定义以及相关资源的ApplicationContext实现。

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Spring原理与源码分析系列（二）- Spring IoC容器启动过程分析（上）

0 前言

一 Spring Bean

1 Bean定义

2 Bean的类型

3 Bean的注入方式

4 Bean的scope

5 BeanDefinition接口

二 Spring IoC容器—BeanFactory容器

1 BeanFactory容器职责—对象注册与依赖绑定

2. 对象注册与依赖绑定方式

（1）直接编码方式

（2）外部配置文件方式

（3）注解方式

三、Spring IoC容器—ApplicationContext容器

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