深入浅出 Spring 架构设计

作者 | 三太子敖丙

来源 | 敖丙

前言

为什么需要Spring? 什么是Spring?

对于这样的问题，大部分人都是处于一种朦朦胧胧的状态，说的出来，但又不是完全说的出来，今天我们就以架构设计的角度尝试解开Spring的神秘面纱。

本篇文章以由浅入深的方式进行介绍，大家不必惊慌，我可以保证，只要你会编程就能看懂。

本篇文章基于Spring 5.2.8，阅读时长大概需要20分钟

案例

我们先来看一个案例：有一个小伙，有一辆吉利车，平常就开吉利车上班

代码实现：

public class GeelyCar {public void run(){System.out.println("geely running");}
}

public class Boy {// 依赖GeelyCarprivate final GeelyCar geelyCar = new GeelyCar();public void drive(){geelyCar.run();}
}

有一天，小伙赚钱了，又买了辆红旗，想开新车。

简单，把依赖换成HongQiCar

代码实现：

public class HongQiCar {public void run(){System.out.println("hongqi running");}
}

public class Boy {// 修改依赖为HongQiCarprivate final HongQiCar hongQiCar = new HongQiCar();public void drive(){hongQiCar.run();}
}

新车开腻了，又想换回老车，这时候，就会出现一个问题：这个代码一直在改来改去

很显然，这个案例违背了我们的依赖倒置原则(DIP):程序不应依赖于实现，而应依赖于抽象

优化后

现在我们对代码进行如下优化：

img

Boy依赖于Car接口，而之前的GeelyCar与HongQiCar为Car接口实现

代码实现：

定义出Car接口

public interface Car {void run();
}

将之前的GeelyCar与HongQiCar改为Car的实现类

public class GeelyCar implements Car {@Overridepublic void run(){System.out.println("geely running");}
}

HongQiCar相同

Person此时依赖的为Car接口

public class Boy {// 依赖于接口private final Car car;public Person(Car car){this.car = car;}public void drive(){car.run();}
}

此时小伙想换什么车开，就传入什么参数即可，代码不再发生变化。

局限性

以上案例改造后看起来确实没有什么毛病了，但还是存在一定的局限性，如果此时增加新的场景：

有一天小伙喝酒了没法开车，需要找个代驾。代驾并不关心他给哪个小伙开车，也不关心开的是什么车，小伙就突然成了个抽象，这时代码又要进行改动了，代驾依赖小伙的代码可能会长这个样子：

private final Boy boy = new YoungBoy(new HongQiCar());

随着系统的复杂度增加，这样的问题就会越来越多，越来越难以维护，那么我们应当如何解决这个问题呢？

思考

首先，我们可以肯定：使用依赖倒置原则是没有问题的，它在一定程度上解决了我们的问题。

我们觉得出问题的地方是在传入参数的过程：程序需要什么我们就传入什么，一但系统中出现多重依赖的类关系，这个传入的参数就会变得极其复杂。

或许我们可以把思路反转一下：我们有什么，程序就用什么！

当我们只实现HongQiCar和YoungBoy时，代驾就使用的是开着HongQiCar的YoungBoy！

当我们只实现GeelyCar和OldBoy时，代驾自然而然就改变成了开着GeelyCar的OldBoy！

而如何反转，就是Spring所解决的一大难题。

Spring介绍

Spring是一个一站式轻量级重量级的开发框架，目的是为了解决企业级应用开发的复杂性，它为开发Java应用程序提供全面的基础架构支持，让Java开发者不再需要关心类与类之间的依赖关系，可以专注的开发应用程序(crud)。

Spring为企业级开发提供给了丰富的功能，而这些功能的底层都依赖于它的两个核心特性:依赖注入(DI)和面向切面编程(AOP)。

Spring的核心概念

IoC容器

IoC的全称为Inversion of Control，意为控制反转，IoC也被称为依赖性注入(DI)，这是一个通过依赖注入对象的过程：对象仅通过构造函数、工厂方法，或者在对象实例化在其上设置的属性来定义其依赖关系(即与它们组合的其他对象)，然后容器在创建bean时注入这些需要的依赖。这个过程从根本上说是Bean本身通过使用直接构建类或诸如服务定位模式的机制，来控制其依赖关系的实例化或位置的逆过程（因此被称为控制反转）。

依赖倒置原则是IoC的设计原理，依赖注入是IoC的实现方式。

容器

在Spring中，我们可以使用XML、Java注解或Java代码的方式来编写配置信息，而通过配置信息，获取有关实例化、配置和组装对象的说明，进行实例化、配置和组装应用对象的称为容器。

一般情况下，我们只需要添加几个注解，这样容器进行创建和初始化后，我们就可以得到一个可配置的，可执行的系统或应用程序。

Bean

在Spring中，由Spring IOC容器进行实例化—>组装管理—>构成程序骨架的对象称为Bean。Bean就是应用程序中众多对象之一。

以上三点串起来就是：Spring内部是一个放置Bean的IoC容器，通过依赖注入的方式处理Bean之间的依赖关系。

AOP

面向切面编程(Aspect-oriented Programming)，是相对面向对象编程(OOP)的一种功能补充,OOP面向的主要对象是类，而AOP则是切面。在处理日志、安全管理、事务管理等方面有非常重要的作用。AOP是Spring框架重要的组件，虽然IOC容器没有依赖AOP，但是AOP提供了非常强大的功能，用来对IOC做补充。

AOP可以让我们在不修改原有代码的情况下，对我们的业务功能进行增强：将一段功能切入到我们指定的位置，如在方法的调用链之间打印日志。

Spring的优点

1、Spring通过DI、AOP来简化企业级Java开发

2、Spring的低侵入式设计，让代码的污染极低

3、Spring的IoC容器降低了业务对象之间的复杂性，让组件之间互相解耦

4、Spring的AOP支持允许将一些通用任务如安全、事务、日志等进行集中式处理，从而提高了更好的复用性

5、Spring的高度开放性，并不强制应用完全依赖于Spring，开发者可自由选用Spring框架的部分或全部

6、Spring的高度扩展性，让开发者可以轻易的让自己的框架在Spring上进行集成

7、Spring的生态极其完整，集成了各种优秀的框架，让开发者可以轻易的使用它们

我们可以没有Java，但是不能没有Spring~

用Spring改造案例

我们现在已经认识了什么是Spring，现在就尝试使用Spring对案例进行改造一下

原来的结构没有变化，只需在GeelyCar或HongQiCar上增加@Component注解，Boy在使用时加上@Autowired注解

代码样式：

@Componentpublic class GeelyCar implements Car { @Override public void run() {  System.out.println("geely car running"); }}

HongQiCar相同
在Spring中，当类标识了@Component注解后就表示这是一个Bean，可以被IoC容器所管理

@Componentpublic class Boy {  // 使用Autowired注解表示car需要进行依赖注入 @Autowired private Car car; public void driver(){  car.run(); }}

我们之前所说的：我们实现什么，程序就使用什么，在这里就等同于我们在哪个类上标识了Component注解，哪个类就会是一个Bean，Spring就会使用它注入Boy的属性Car中
所以当我们给GeelyCar标识Component注解时，Boy开的车就是GeelyCar，当我们给HongQiCar标识Component注解时，Boy开的车就是HongQiCar
当然，我们不可以在GeelyCar和HongQiCar上同时标识Component注解，因为这样Spring就不知道用哪个Car进行注入了——Spring也有选择困难症（or 一boy不能开俩车？）

使用Spring启动程序

// 告诉Spring从哪个包下扫描Bean，不写就是当前包路径@ComponentScan(basePackages = "com.my.spring.test.demo")public class Main { public static void main(String[] args) {  // 将Main(配置信息)传入到ApplicationContext(IoC容器)中  ApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(Main.class);  // 从(IoC容器)中获取到我们的boy  Boy boy = (Boy) context.getBean("boy");  // 开车  boy.driver(); }}

这里就可以把我们刚刚介绍Spring的知识进行解读了
把具有ComponentScan注解(配置信息)的Main类，传给AnnotationConfigApplicationContext(IoC容器)进行初始化，就等于：IoC容器通过获取配置信息进行实例化、管理和组装Bean。

而如何进行依赖注入则是在IoC容器内部完成的，这也是本文要讨论的重

思考

我们通过一个改造案例完整的认识了Spring的基本功能，也对之前的概念有了一个具象化的体验，而我们还并不知道Spring的依赖注入这一内部动作是如何完成的，所谓知其然更要知其所以然，结合我们的现有知识，以及对Spring的理解，大胆猜想推测一下吧(这是很重要的能力哦)

其实猜测就是指：如果让我们自己实现，我们会如何实现这个过程？

首先，我们要清楚我们需要做的事情是什么：扫描指定包下面的类，进行实例化，并根据依赖关系组合好。

步骤分解：

扫描指定包下面的类 -> 如果这个类标识了Component注解(是个Bean) -> 把这个类的信息存起来

进行实例化 -> 遍历存好的类信息 -> 通过反射把这些类进行实例化

根据依赖关系组合 -> 解析类信息 -> 判断类中是否有需要进行依赖注入的字段 -> 对字段进行注入

方案实现

我们现在已经有了一个看起来像是那么一回事的解决方案，现在就尝试把这个方案实现出来

定义注解

首先我们需要定义出需要用到的注解：ComponentScan,Component,Autowired

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface ComponentScan {String basePackages() default "";
}

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Component {String value() default "";
}

@Target(ElementType.FIELD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Autowired {
}

扫描指定包下面的类

扫描指定包下的所有类，听起来好像一时摸不着头脑，其实它等同于另一个问题：如何遍历文件目录？

那么存放类信息应该用什么呢？我们看看上面例子中getBean的方法，是不是像Map中的通过key获取value？而Map中还有很多实现，但线程安全的却只有一个，那就是ConcurrentHashMap(别跟我说HashTable)

定义存放类信息的map

private final Map<String, Class<?>> classMap = new ConcurrentHashMap<>(16);

具体流程，下面同样附上代码实现：

代码实现，可以与流程图结合观看：

扫描类信息

private void scan(Class<?> configClass) {// 解析配置类，获取到扫描包路径String basePackages = this.getBasePackages(configClass);// 使用扫描包路径进行文件遍历操作this.doScan(basePackages);
}

private String getBasePackages(Class<?> configClass) {// 从ComponentScan注解中获取扫描包路径ComponentScan componentScan = configClass.getAnnotation(ComponentScan.class);return componentScan.basePackages();
}

private void doScan(String basePackages) {// 获取资源信息URI resource = this.getResource(basePackages);File dir = new File(resource.getPath());for (File file : dir.listFiles()) {if (file.isDirectory()) {// 递归扫描doScan(basePackages + "." + file.getName());}else {// com.my.spring.example + . + Boy.class -> com.my.spring.example.BoyString className = basePackages + "." + file.getName().replace(".class", "");// 将class存放到classMap中this.registerClass(className);}}
}

private void registerClass(String className){try {// 加载类信息Class<?> clazz = classLoader.loadClass(className);// 判断是否标识Component注解if(clazz.isAnnotationPresent(Component.class)){// 生成beanName com.my.spring.example.Boy -> boyString beanName = this.generateBeanName(clazz);// car: com.my.spring.example.CarclassMap.put(beanName, clazz);}} catch (ClassNotFoundException ignore) {}
}

实例化

现在已经把所有适合的类都解析好了，接下来就是实例化的过程了

定义存放Bean的Map

private final Map<String, Object> beanMap = new ConcurrentHashMap<>(16);

具体流程，下面同样给出代码实现：

代码实现，可以与流程图结合观看：

遍历classMap进行实例化Bean

public void instantiateBean() {for (String beanName : classMap.keySet()) {getBean(beanName);}
}

public Object getBean(String beanName){// 先从缓存中获取Object bean = beanMap.get(beanName);if(bean != null){return bean;}return this.createBean(beanName);
}

private Object createBean(String beanName){Class<?> clazz = classMap.get(beanName);try {// 创建beanObject bean = this.doCreateBean(clazz);// 将bean存到容器中beanMap.put(beanName, bean);return bean;} catch (IllegalAccessException e) {throw new RuntimeException(e);}
}

private Object doCreateBean(Class<?> clazz) throws IllegalAccessException {  // 实例化bean  Object bean = this.newInstance(clazz);  // 填充字段，将字段设值  this.populateBean(bean, clazz);  return bean;}

private Object newInstance(Class<?> clazz){  try {    // 这里只支持默认构造器    return clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();  } catch (InstantiationException | IllegalAccessException | InvocationTargetException | NoSuchMethodException e) {    throw new RuntimeException(e);  }}

private void populateBean(Object bean, Class<?> clazz) throws IllegalAccessException {  // 解析class信息，判断类中是否有需要进行依赖注入的字段  final Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();  for (Field field : fields) {    Autowired autowired = field.getAnnotation(Autowired.class);    if(autowired != null){      // 获取bean      Object value = this.resolveBean(field.getType());      field.setAccessible(true);      field.set(bean, value);    }  }}

private Object resolveBean(Class<?> clazz){  // 先判断clazz是否为一个接口，是则判断classMap中是否存在子类  if(clazz.isInterface()){    // 暂时只支持classMap只有一个子类的情况    for (Map.Entry<String, Class<?>> entry : classMap.entrySet()) {      if (clazz.isAssignableFrom(entry.getValue())) {        return getBean(entry.getValue());      }    }    throw new RuntimeException("找不到可以进行依赖注入的bean");  }else {    return getBean(clazz);  }}

public Object getBean(Class<?> clazz){// 生成bean的名称String beanName = this.generateBeanName(clazz);// 此处对应最开始的getBean方法return this.getBean(beanName);
}

组合

两个核心方法已经写好了，接下把它们组合起来，我把它们实现在自定义的ApplicationContext类中，构造方法如下：

public ApplicationContext(Class<?> configClass) {// 1.扫描配置信息中指定包下的类this.scan(configClass);// 2.实例化扫描到的类this.instantiateBean();
}

UML类图：

测试

代码结构与案例相同，这里展示一下我们自己的Spring是否可以正常运行

运行正常，中国人不骗中国人
源码会在文末给出

回顾

现在，我们已经根据设想的方案进行了实现，运行的情况也达到了预期的效果。但如果仔细研究一下，再结合我们平常使用Spring的场景，就会发现这一份代码的不少问题：

1、无法支持构造器注入，当然也没有支持方法注入，这是属于功能上的缺失。

2、加载类信息的问题，加载类时我们使用的是classLoader.loadClass的方式，虽然这避免了类的初始化(可千万别用Class.forName的方式)，但还是不可避免的把类元信息加载到了元空间中，当我们扫描包下有不需要的类时，这就浪费了我们的内存。

3、无法解决bean之间的循环依赖，比如有一个A对象依赖了B对象， B对象又依赖了A对象，这个时候我们再来看看代码逻辑，就会发现此时会陷入死循环。

4、扩展性很差，我们把所有的功能都写在一个类里，当想要完善功能(比如以上3个问题)时，就需要频繁修改这个类，这个类也会变得越来越臃肿，别说迭代新功能，维护都会令人头疼。

优化方案

对于前三个问题都类似于功能上的问题，功能嘛，改一改就好了。

我们需要着重关注的是第四个问题，一款框架想要变得优秀，那么它的迭代能力一定要好，这样功能才能变得丰富，而迭代能力的影响因素有很多，其中之一就是它的扩展性。

那么应该如何提高我们的方案的扩展性呢，六大设计原则给了我们很好的指导作用。

在方案中，ApplicationContext做了很多事情，主要可以分为两大块

1、扫描指定包下的类

2、实例化Bean

借助单一职责原则的思想：一个类只做一种事，一个方法只做一件事。

我们把扫描指定包下的类这件事单独使用一个处理器进行处理，因为扫描配置是从配置类而来，那我们就叫他配置类处理器：ConfigurationCalssProcessor

实例化Bean这件事情也同样如此，实例化Bean又分为了两件事：实例化和依赖注入

实例化Bean就是相当于一个生产Bean的过程，我们就把这件事使用一个工厂类进行处理，它就叫做：BeanFactory，既然是在生产Bean，那就需要原料(Class)，所以我们把classMap和beanMap都定义到这里

而依赖注入的过程，其实就是在处理Autowired注解，那它就叫做: AutowiredAnnotationBeanProcessor

我们还在知道，在Spring中，不仅仅只有这种使用方式，还有xml，mvc，SpringBoot的方式，所以我们将ApplicationContext进行抽象，只实现主干流程，原来的注解方式交由AnnotationApplicationContext实现。

借助依赖倒置原则：程序应当依赖于抽象

在未来，类信息不仅仅可以从类信息来，也可以从配置文件而来，所以我们将ConfigurationCalssProcessor抽象

而依赖注入的方式不一定非得是用Autowried注解标识，也可以是别的注解标识，比如Resource，所以我们将AutowiredAnnotationBeanProcessor抽象

Bean的类型也可以有很多，可以是单例的，可以使多例的，也可以是个工厂Bean，所以我们将BeanFactory抽象

现在，我们借助两大设计原则对我们的方案进行了优化，相比于之前可谓是”脱胎换骨“。

Spring的设计

在上一步，我们实现了自己的方案，并基于一些设想进行了扩展性优化，现在，我们就来认识一下实际上Spring的设计

那么，在Spring中又是由哪些"角色"构成的呢？

1、Bean: Spring作为一个IoC容器，最重要的当然是Bean咯

2、BeanFactory: 生产与管理Bean的工厂

3、BeanDefinition: Bean的定义，也就是我们方案中的Class，Spring对它进行了封装

4、BeanDefinitionRegistry: 类似于Bean与BeanFactory的关系，BeanDefinitionRegistry用于管理BeanDefinition

5、BeanDefinitionRegistryPostProcessor: 用于在解析配置类时的处理器，类似于我们方案中的ClassProcessor

6、BeanFactoryPostProcessor: BeanDefinitionRegistryPostProcessor父类，让我们可以再解析配置类之后进行后置处理

7、BeanPostProcessor: Bean的后置处理器，用于在生产Bean的过程中进行一些处理，比如依赖注入，类似我们的AutowiredAnnotationBeanProcessor

8、ApplicationContext: 如果说以上的角色都是在工厂中生产Bean的工人，那么ApplicationContext就是我们Spring的门面，ApplicationContext与BeanFactory是一种组合的关系，所以它完全扩展了BeanFactory的功能，并在其基础上添加了更多特定于企业的功能，比如我们熟知的ApplicationListener(事件监听器)

以上说的类似其实有一些本末倒置了，因为实际上应该是我们方案中的实现类似于Spring中的实现，这样说只是为了让大家更好的理解
我们在经历了自己方案的设计与优化后，对这些角色其实是非常容易理解的

接下来，我们就一个一个的详细了解一下

BeanFactory

BeanFactory是Spring中的一个顶级接口，它定义了获取Bean的方式，Spring中还有另一个接口叫SingletonBeanRegistry，它定义的是操作单例Bean的方式，这里我将这两个放在一起进行介绍，因为它们大体相同，SingletonBeanRegistry的注释上也写了可以与BeanFactory接口一起实现，方便统一管理。

BeanFactory

1、ListableBeanFactory：接口，定义了获取Bean/BeanDefinition列表相关的方法，如getBeansOfType(Class type)

2、AutowireCapableBeanFactory：接口，定义了Bean生命周期相关的方法，如创建bean, 依赖注入，初始化

3、AbstractBeanFactory：抽象类，基本上实现了所有有关Bean操作的方法，定义了Bean生命周期相关的抽象方法

4、AbstractAutowireCapableBeanFactory：抽象类，继承了AbstractBeanFactory，实现了Bean生命周期相关的内容，虽然是个抽象类，但它没有抽象方法

5、DefaultListableBeanFactory：继承与实现以上所有类和接口，是为Spring中最底层的BeanFactory, 自身实现了ListableBeanFactory接口

6、ApplicationContext：也是一个接口，我们会在下面有专门对它的介绍

SingletonBeanRegistry

1、DefaultSingletonBeanRegistry：定义了Bean的缓存池，类似于我们的BeanMap，实现了有关单例的操作，比如getSingleton(面试常问的三级缓存就在这里)

2、FactoryBeanRegistrySupport：提供了对FactoryBean的支持，比如从FactoryBean中获取Bean

BeanDefinition

BeanDefinition其实也是个接口(想不到吧)，这里定义了许多和类信息相关的操作方法，方便在生产Bean的时候直接使用，比如getBeanClassName

它的大概结构如下(这里举例RootBeanDefinition子类)：

里面的各种属性想必大家也绝不陌生

同样的，它也有许多实现类：

1、AnnotatedGenericBeanDefinition：解析配置类与解析Import注解带入的类时，就会使用它进行封装

2、ScannedGenericBeanDefinition：封装通过@ComponentScan扫描包所得到的类信息

3、ConfigurationClassBeanDefinition：封装通过@Bean注解所得到的类信息

4、RootBeanDefinition：ConfigurationClassBeanDefinition父类，一般在Spring内部使用，将其他的BeanDefition转化成该类

BeanDefinitionRegistry

定义了与BeanDefiniton相关的操作，如registerBeanDefinition，getBeanDefinition，在BeanFactory中，实现类就是DefaultListableBeanFactory

BeanDefinitionRegistryPostProcessor

插话：讲到这里，有没有发现Spring的命名极其规范，Spring团队曾言Spring中的类名都是反复推敲才确认的，真是名副其实呀，所以看Spring源码真的是一件很舒服的事情，看看类名方法名就能猜出它们的功能了。

该接口只定义了一个功能：处理BeanDefinitonRegistry，也就是解析配置类中的Import、Component、ComponentScan等注解进行相应的处理，处理完毕后将这些类注册成对应的BeanDefinition

在Spring内部中，只有一个实现：ConfigurationClassPostProcessor

BeanFactoryPostProcessor

所谓BeanFactory的后置处理器，它定义了在解析完配置类后可以调用的处理逻辑，类似于一个插槽，如果我们想在配置类解析完后做点什么，就可以实现该接口。

在Spring内部中，同样只有ConfigurationClassPostProcessor实现了它：用于专门处理加了Configuration注解的类

这里串场一个小问题，如知以下代码：

@Configuraiton
public class MyConfiguration{@Beanpublic Car car(){return new Car(wheel());}@Beanpublic Wheel wheel(){return new Wheel();}
}

问：Wheel对象在Spring启动时，被new了几次？为什么？

BeanPostProcessor

江湖翻译：Bean的后置处理器

该后置处理器贯穿了Bean的生命周期整个过程，在Bean的创建过程中，一共被调用了9次，至于哪9次我们下次再来探究，以下介绍它的实现类以及作用

1、AutowiredAnnotationBeanPostProcessor：用于推断构造器进行实例化，以及处理Autowired和Value注解

2、CommonAnnotationBeanPostProcessor：处理Java规范中的注解，如Resource、PostConstruct

3、ApplicationListenerDetector: 在Bean的初始化后使用，将实现了ApplicationListener接口的bean添加到事件监听器列表中

4、ApplicationContextAwareProcessor：用于回调实现了Aware接口的Bean

5、ImportAwareBeanPostProcessor: 用于回调实现了ImportAware接口的Bean

ApplicationContext

ApplicationContext作为Spring的核心，以门面模式隔离了BeanFactory，以模板方法模式定义了Spring启动流程的骨架，又以策略模式调用了各式各样的Processor......实在是错综复杂又精妙绝伦!

它的实现类如下：

1、ConfigurableApplicationContext：接口，定义了配置与生命周期相关操作，如refresh

2、AbstractApplicationContext: 抽象类，实现了refresh方法，refresh方法作为Spring核心中的核心,可以说整个Spring皆在refresh之中，所有子类都通过refresh方法启动，在调用该方法之后，将实例化所有单例

3、AnnotationConfigApplicationContext: 在启动时使用相关的注解读取器与扫描器，往Spring容器中注册需要用的处理器，而后在refresh方法在被主流程调用即可

4、AnnotationConfigWebApplicationContext：实现loadBeanDefinitions方法，以期在refresh流程中被调用，从而加载BeanDefintion

5、ClassPathXmlApplicationContext: 同上

从子类的情况可以看出，子类的不同之处在于如何加载BeanDefiniton, AnnotationConfigApplicationContext是通过配置类处理器(ConfigurationClassPostProcessor)加载的，而AnnotationConfigWebApplicationContext与ClassPathXmlApplicationContext则是通过自己实现loadBeanDefinitions方法，其他流程则完全一致