Spring IoC容器源码分析(Spring技术内幕读书笔记)
1. 容器简介
在Spring容器设计中，BeanFactory实现容器的基本功能，ApplicationContext作为容器高级形态存在，在简单容器的基础上，增加了许多面向框架的特性。
Spring通过BeanDefinition来管理基于Spring应用中的各种对象以及它们之间的关系, 对IoC容器来说，BeanDefinition就是对依赖反转模式中管理的对象依赖关系的数据抽象，也是容器实现依赖反转功能的核心数据结构，依赖反转功能都是围绕BeanDefinition的处理来完成的。
在独立的程序中，一般使用ClassPathXmlApplicationContext和FileSystemXmlApplicationContext启动Spring容器，这2个是ApplicationContext的具体实现类。
ApplicationContext表示IoC容器，负责实例化、配置以及组装Bean，通过配置数据获取(configuration metadata), 配置数据包括XML, Java注解, Java代码, 利用Java的反射功能实例化Bean并建立Bean与Bean之间的依赖关系
BeanFactory和ApplicationContext的区别
BeanFactory接口类是IoC设计的最基本的功能规范, ApplicationContext是复杂功能的衍生扩展
ApplicatonContext通过继承MessageSource、ResourceLoader、ApplicationEventPublisher接口，在BeanFactory简单容器的基础上添加了许多对高级容器的特性支持
所以我们一般是通过ApplicationContext启动IoC容器, ApplicationContext的getBean()方法就是BeanFactory接口方法
2. IoC容器的设计原理
2.1 接口
IoC容器是由一系列的接口组成的，以BeanFactory和ApplicationContext为核心，BeanFactory是最基本的接口, 在ApplicationContext的设计中，它集成了BeanFactory接口体系中的ListableBeanFactory、AutowireCapableBeanFactory、HierarchicalBeanFactory等BeanFactory接口，具备BeanFactory IoC容器的基本功能，并且，通过集成MessageSource、ResourceLoader、ApplicationEventPublisher等接口赋予了IoC容器更高级的特性。
Spring IoC容器的设计接口图
BeanFactory接口线
从接口BeanFactory到HierarchicalBeanFactory，再到ConfigurableBeanFactory是一条主要的BeanFactory设计路径，定义了IoC容器的基本规范。而HierarchicalBeanFactory增加了getParentBeanFactory()，使BeanFactory具备了双亲IoC容器的管理功能，在接下来的ConfigurableBeanFactory接口中，定义了一些对BeanFactory的配置功能
ApplicationContext接口线
第二条接口设计主线，以ApplicationContext接口上下文为设计核心，从 BeanFactory到ListableBeanFactory, 再到ApplicationContext, 再到WebApplicationContext或者ConfigurableApplicationContext. 在这个体系中, ListableBeanFactory接口和HierarchicalBeanFactory两个接口, 连接BeanFactory和ApplicationContext。
在ListableBeanFactory接口中，细化了BeanFactory的接口功能，对于ApplicationContext接口，通过继承MessageSource、ResourceLoader、ApplicationEventPublisher等接口，在BeanFactory的基础上添加了许多对高级容器的特性支持。
2.2 BeanFactory容器的设计原理
DefaultListableBeanFactory 是 IoC容器最常用的具体实现类，而XmlBeanFactory继承了DefaultListableBeanFactory, XmlBeanFactory扩展了读取Xml文件的功能，也就是说XmlBeanFactory是一个可以读取XML文件方式定义的BeanDefinition的IoC容器
XMLBeanFactory中，初始化了一个XmlBeanDefinitionReader对象,有了Reader对象，那些以XML方式定义的BeanDefinition就有了处理的地方, 实际上Xml信息的处理是由XmlBeanDefinitionReader完成的。
在XMLBeanFactory构造函数中传入Resource对象，Resource是Spring用来封装I/O操作的类。比如XML文件形式的Resource可以使用ClassPathResource实现
所以，在整个BeanFactory容器的实现过程中，DefaultListableBeanFactory是一个很重要的IoC实现，在ApplicationContext的实现中，原理和XMLBeanFactory一样，也是通过持有或者扩展DefaultListableBeanFactory来获得基本的IoC容器的功能。
编程实现
ClassPathResource res = new ClasspathResource("beans.xml");
DefaultListableBeanFactory factory = new DefaultListableBeanFactory();
XmlBeanDefinitionReader reader = new XmlBeanDefinitionReader(factory);
reader.loadBeanDefinitions(res);
- 创建IoC配置文件的抽象资源，包含了BeanDefinition的定义信息
- 创建一个BeanFactory，这里使用DefaultListableBeanFactory
- 创建一个载入BeanDefinition的读取器，这里使用XmlBeanDefinitionReader来加载XML文件形式的BeanDefinition，通过一个回调配置给BeanFactory
- 加载定义好的资源，解析BeanDefinition，完成整个载入和注册Bean定义之后，需要的IoC容器就建立起来了
XmlBeanFactory在Spring 3.1之后被废弃，一般的，我们使用ApplicationContext启动IoC容器
2.3 ApplicationContext容器的设计原理
ApplicationContext在BeanFactory的基础上添加了附加的功能，使得IoC容器的功能更加丰富，所以一般建议在开发时使用ApplicationContext作为IoC容器的基本形式，以常见的FileSystemXmlApplicationContext进行说明。
FileSystemXmlApplicationContext作为具体的应用上下文，实现和它自身设计相关的两个功能。
一个是直接使用FileSystemXmlApplicationContext，支持实例化的这个应用上下文，同时启动IoC容器的refresh()过程，这个refresh()过程涉及一系列复杂的操作，将在IoC容器的初始化过程中说明
另一个是与FileSystemXmlApplicationContext设计具体相关的功能，与从文件系统中加载XML的Bean定位资源相关,相关代码:
protected Resource getResourceByPath(String path) {
if (path.startsWith("/")) {
path = path.substring(1);
}
return new FileSystemResource(path);
}
3. IoC容器的初始化过程
ApplicationContext context = new FileSystemXmlApplicationContext("beans.xml");
我们一般通过上面代码启动Spring IoC容器, 下面我们根据这行代码，进行分析IoC容器的初始化过程, Spring IoC容器的启动包括BeanDefinition的Resource定位、载入和注册三个基本过程。
继承关系
3.1 Resource定位
Resource定位指的是BeanDefinition的定位过程，这里用的IoC容器是ListableBeanFactory，DefaultListableBeanFactory并不能直接使用Resource, 必须通过BeanDefinitionReader来处理，在ApplicationContext中，Spring为我们提供了一系列加载不同Resource的Reader实现，DefaultListableBeanFactory是纯粹的容器，我们需要为其配置特定的Reader才能完成这些功能
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FileSystemXmlApplicationContext类的继承关系
AbstractXmlApplicationContext
专门针对XML文件进行处理，重写了loadBeanDefinitions()方法，实例化了XmlBeanDefinitionReader，赋予读取了Xml配置文件的能力
AbstractRefreshableConfigApplicationContext
为ClassPathXmlApplicationContext、FileSystemXmlApplicationContext以及XmlWebApplicationContext提供通用的配置路径处理能力
AbstractRefreshableApplicationContext
最最重要的ApplicationContext的实现类，创建DefaultListableBeanFactory容器，并且提供了loadBeanDefinitions方法, 赋予了其子类AbstractXmlApplicationContext 等实现载入BeanDefinition的能力
AbstractApplicationContext
ApplicationContext接口的抽象实现类，是ApplicationContext的超级大打手，使用了模板方法设计模式，自动注册了BeanPostProcessors、ApplicationListeners以及MessageSource等高级功能，其中的refresh()方法就是FileSystemXmlApplicationContext等具体ApplicationContext实现类构造函数的启动入口, 老大终于现真身了
DefaultResourceLoader
ResourceLoader接口的实现类，会根据不同的配置文件类型，提供不同的Resource，比如UrlResource和ClassPathResource等，该类的getResource()方法就是真正调用FileSystemXmlApplicationContext的getResourceByPath()的地方。
源码剖析
通过上面几个类层级关系，大致清楚了FileSystemXmlApplicationContext的实现关系，下面通过分析源代码，来剖析实现过程。
new FileSystemXmlApplicationContext(String configLocation)
public FileSystemXmlApplicationContext(
String[] configLocations, boolean refresh, @Nullable ApplicationContext parent)
throws BeansException {
super(parent);
setConfigLocations(configLocations);
if (refresh) {
refresh();
}
}
refresh()方法是整个容器的触发点
@Override
protected Resource getResourceByPath(String path) {
if (path.startsWith("/")) {
path = path.substring(1);
}
return new FileSystemResource(path);
}
在这个方法中，阐明了用何种Resource进行定位，这里通过FileSystemResource方式载入资源.
getResourceByPath()是在DefaultResourceLoader中定义的，通过上述继承图可以发现，DefaultResourceLoader是AbstractApplicationContext的基类, 而FileSystemXmlApplicationContext继承AbstractApplicationContext, 所以FileSystemXmlApplicationContext本质是通过DefaultResourceLoader进行资源定位的
最终该方法会被XmlBeanDefinitionReader的loadBeanDefinitions方法触发 InputStream inputStream = encodedResource.getResource().getInputStream();， 在DefaultResourceLoader的getResource()方法中被调用
在XmlWebApplicationContext和ClassPathXmlApplicationContext等其他ApplicationContext中，都会定义自己的Resource, 并且最终由基类DefaultResourceLoader的getResource()方法执行
AbstractApplicationContext.refresh()
refresh是一个很重要的方法，是IoC容器的入口，refresh详细的描述了整个ApplicationContext初始化的过程，比如BeanFactory的更新，MessageSource和PostProcessor的注册等等，这个执行过程为Bean的生命周期提供了条件。
refresh中的执行步骤如下:
public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
// Prepare this context for refreshing.
prepareRefresh();
// Tell the subclass to refresh the internal bean factory.
ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
// Prepare the bean factory for use in this context.
prepareBeanFactory(beanFactory);
try {
// Allows post-processing of the bean factory in context subclasses.
postProcessBeanFactory(beanFactory);
// Invoke factory processors registered as beans in the context.
invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
// Register bean processors that intercept bean creation.
registerBeanPostProcessors(beanFactory);
// Initialize message source for this context.
initMessageSource();
// Initialize event multicaster for this context.
initApplicationEventMulticaster();
// Initialize other special beans in specific context subclasses.
onRefresh();
// Check for listener beans and register them.
registerListeners();
// Instantiate all remaining (non-lazy-init) singletons.
finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
// Last step: publish corresponding event.
finishRefresh();
}
catch (BeansException ex) {
...
}
finally {
// Reset common introspection caches in Spring's core, since we
// might not ever need metadata for singleton beans anymore...
resetCommonCaches();
}
}
}
AbstractApplicationContext.obtainFreshBeanFactory()
这里执行AbstractRefreshableApplicationContext的refreshBeanFactory方法，准备刷新容器
protected ConfigurableListableBeanFactory obtainFreshBeanFactory() {
refreshBeanFactory();
return getBeanFactory();
}
AbstractRefreshableApplicationContext.refreshBeanFactory()
在创建容器前，如果容器已经存在，则需要先销毁和关闭，保证在refresh之后的容器的新的容器，所以refresh更像是重启的重启. 这里真正的创建了容器DefaultListableBeanFactory,然后当容器建立之后，就开始进行最重要的BeanDefinitions信息的载入
protected final void refreshBeanFactory() throws BeansException {
if (hasBeanFactory()) {
destroyBeans();
closeBeanFactory();
}
try {
DefaultListableBeanFactory beanFactory = createBeanFactory();
beanFactory.setSerializationId(getId());
customizeBeanFactory(beanFactory);
loadBeanDefinitions(beanFactory);
synchronized (this.beanFactoryMonitor) {
this.beanFactory = beanFactory;
}
}
catch (IOException ex) {
throw new ApplicationContextException("I/O error parsing bean definition source for " + getDisplayName(), ex);
}
}
AbstractXmlApplicationContext.loadBeanDefinitions()
在AbstractRefreshableApplicationContext中调用的loadBeanDefinitions是抽象方法，真正执行的地方在这里，在AbstractXmlApplicationContext的loadBeanDefinitions中，初始化了读取器XmlBeanDefinitionReader，配置基本信息，使其具备了读取XML配置的能力
// Create a new XmlBeanDefinitionReader for the given BeanFactory.
XmlBeanDefinitionReader beanDefinitionReader = new XmlBeanDefinitionReader(beanFactory);
// Configure the bean definition reader with this context's
// resource loading environment.
beanDefinitionReader.setEnvironment(this.getEnvironment());
beanDefinitionReader.setResourceLoader(this);
beanDefinitionReader.setEntityResolver(new ResourceEntityResolver(this));
当XmlBeanDefinitionReader组装完毕后，就准备好大显身手了
protected void loadBeanDefinitions(XmlBeanDefinitionReader reader) throws BeansException, IOException {
Resource[] configResources = getConfigResources();
if (configResources != null) {
reader.loadBeanDefinitions(configResources);
}
String[] configLocations = getConfigLocations();
if (configLocations != null) {
reader.loadBeanDefinitions(configLocations);
}
}
AbstractBeanDefinitionReader.loadBeanDefinitions(String location)
AbstractBeanDefinitionReader是XmlBeanDefinitionReader的父类，这里为载入BeanDefinitions做好了准备
public int loadBeanDefinitions(String... locations) throws BeanDefinitionStoreException {
Assert.notNull(locations, "Location array must not be null");
int count = 0;
for (String location : locations) {
count += loadBeanDefinitions(location);
}
return count;
}
XmlBeanDefinitionReader.loadBeanDefinitions(Resource resource)
XMLBeanDefinitionReader是真正实现解析XML配置的地方，在loadBeanDefinitions方法中，拿到代表XML文件的Resource，真正打开了XML文件流，拿到Document对象，进行了BeanDefinitions的注册.
这里实际是通过DefaultResourceLoader调用了FileSystemApplicationContext的getResourceByPath方法拿到FileSystemResource进行XML资源的获取。
...
InputStream inputStream = encodedResource.getResource().getInputStream();
try {
InputSource inputSource = new InputSource(inputStream);
if (encodedResource.getEncoding() != null) {
inputSource.setEncoding(encodedResource.getEncoding());
}
return doLoadBeanDefinitions(inputSource, encodedResource.getResource());
}
finally {
inputStream.close();
}
...
doLoadBeanDefinitions方法
Document doc = doLoadDocument(inputSource, resource);
int count = registerBeanDefinitions(doc, resource);
registerBeanDefinitions方法
BeanDefinitionDocumentReader documentReader = createBeanDefinitionDocumentReader();
int countBefore = getRegistry().getBeanDefinitionCount();
documentReader.registerBeanDefinitions(doc, createReaderContext(resource));
return getRegistry().getBeanDefinitionCount() - countBefore;
DefaultBeanDefinitionDocumentReader.registerBeanDefinitions()
DefaultBeanDefinitionDocumentReader是BeanDefinitionDocumentReader的实现类，真正的Document文档语义解析是委托给BeanDefinitionParserDelegate进行解析，该类包含了对各种Spring Bean定义规则的处理， 其处理的结果由BeanDefinitionHolder持有，BeanDefinitionHolder除了持有BeanDefinition对象外，还持有其他与BeanDefinition使用相关的信息，比如Bean的名字，别名名称等
protected void parseBeanDefinitions(Element root, BeanDefinitionParserDelegate delegate) {
if (delegate.isDefaultNamespace(root)) {
NodeList nl = root.getChildNodes();
for (int i = 0; i < nl.getLength(); i++) {
Node node = nl.item(i);
if (node instanceof Element) {
Element ele = (Element) node;
if (delegate.isDefaultNamespace(ele)) {
parseDefaultElement(ele, delegate);
}
else {
delegate.parseCustomElement(ele);
}
}
}
}
else {
delegate.parseCustomElement(root);
}
}
protected void processBeanDefinition(Element ele, BeanDefinitionParserDelegate delegate) {
BeanDefinitionHolder bdHolder = delegate.parseBeanDefinitionElement(ele);
if (bdHolder != null) {
bdHolder = delegate.decorateBeanDefinitionIfRequired(ele, bdHolder);
try {
// Register the final decorated instance.
BeanDefinitionReaderUtils.registerBeanDefinition(bdHolder, getReaderContext().getRegistry());
}
catch (BeanDefinitionStoreException ex) {
getReaderContext().error("Failed to register bean definition with name '" +
bdHolder.getBeanName() + "'", ele, ex);
}
// Send registration event.
getReaderContext().fireComponentRegistered(new BeanComponentDefinition(bdHolder));
}
}
这样经过逐层的解析，在XML文件中定义的BeanDefinition就被载入到了IoC容器中，并在容器中建立了数据映射。这些数据结构以AbstractBeanDefinition为入口，让IoC容器执行索引、查询和操作，但重要的依赖注入此时还未发生，现在IoC容器中还只是存着静态的配置信息。
3.2 BeanDefinition在IoC容器中的注册
此时IoC容器还不能直接使用，需要在IoC容器中对这些BeanDefinition进行注册，具体是指在DefaultListableBeanFactory中的HashMap存储这些BeanDefinition信息
/** Map of bean definition objects, keyed by bean name. */
private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>(256);
BeanDefinition注册的动作是在前文的DefaultBeanDefinitionDocumentReader.processBeanDefinition中执行，具体实现在BeanDefinitionReaderUtils.registerBeanDefinition(definitionHolder, registry), 其调用了DefaultListableBeanFactory的registerBeanDefinition方法.
BeanDefinition注册完成后，就已经可以被IoC容器所使用了，他们都被存在DefaultListableBeanFactory的beanDefinitionMap中，可以被检索和使用。
3.3 IoC容器的依赖注入
DefaultListableBeanFactory.getBean()和AbstractBeanFactory.getBean()
依赖注入的入口，其具体实现是在DefaultListableBeanFactory的基类AbstractBeanFactory的getBean方法中具体的实现的，之后会调用createBean()
AbstractAutowireCapableBeanFactory.createBean()
createBean不但生成了需要的Bean，还对Bean初始化进行了处理，比如实现了在BeanDefinition中的init-method属性定义，Bean后置处理器等
AbstractAutowireCapableBeanFactory.createBeanInstance()
在createBeanInstance中生成了Bean所包含的Java对象，这个对象的生成有很多种不同的方式，可以通过工厂方法生成，也可以通过容器的autowire特性生成，这些都由相关的BeanDefinition来指定的。
如果未指定生成策略，默认有2种方式，一种是JVM的反射功能，一种是通过cglib来生成，SimpleInstantiationStrategy是生成对象的默认处理类
AbstractAutowireCapableBeanFactory.populateBean()
实例化后，会进行property的配置，通过使用BeanDefinitionResolver来对BeanDefinition进行解析，然后注入到property中. 在BeanDefinitionValueResolver类进行具体的解析。 在这里会触发相关依赖Bean的递归实现，在resolveValueIfNecessary方法中进行解析处理。
依赖注入的发生是在BeanWrapper的setPropertyValues中实现的，具体的完成却是在BeanWrapper的子类BeanWrapperImpl中实现的。
一个递归是在上下文体系中查找需要的 Bean和创建Bean的递归调用, 另一个递归是在依赖注入时, 通过递归调用容器的getBean方法, 得到当前Bean的依赖Bean，同时也触发对依赖Bean的创建和注入 。在对Bean的属性进行依赖注入时 ，解析的过程也是一个递归的过程 。这样 ，根据依赖关系 ，一层一层地完成Bean的创建和注入 ，直到最后完成当前Bean的创建 。有了这个顶层Bean的创建和对它的属性依赖注入的完成 ，意味着和当前Bean相关的整个依赖链的注入也完成了 。
