Spring系列之IOC容器

一、概述

　　IOC容器就是具有依赖注入功能的容器，IOC容器负责实例化、定位、配置应用程序中的对象及建立这些对象之间的依赖。应用程序无需直接在代码中new 相关的对象，应用程序由IOC容器进行组装。在Spring中BeanFactory是IOC容器的实际代表者。

　　由IOC容器管理的那些组成你应用程序的对象我们就叫它Bean，Bean就是由Spring容器初始化、装配及管理的对象。

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

　　BeanFactory：基础类型IOC容器，提供完整的IoC服务，默认采用延迟初始化策略，也就是只有客户端对象需要访问容器中的某个受管理对象的时候，才对该受管理对象进行初始化以及依赖注入操作。

　　ApplicationContext:是在BeanFactory的基础上构建，除了拥有BeanFactory的所有支持，还提供了其他高级特性，例如事件发布、国际化支持等。ApplicationContext所管理的对象，在容器启动后默认全部初始化并绑定完成，所以相对于BeanFactory，它要求更多的资源。

二、BeanFactory的对象注册与依赖绑定

　　XML配置格式是Spring支持的最完整、功能最强大的配置方式。

　　1、配置文件封装

　　Spring对其内部使用到的资源实现了自己的抽象结构：Resource接口来封装底层资源。

  public interface InputStreamSource
  {
    InputStream getInputStream() throws IOException;
  }

　　InputStreamResource封装任何返回InputStream的类，比如File、ClassPath下的资源和Byte Array等。

public interface Resource extends InputStreamSource
 {
    boolean exists();
    boolean isReadable();
    boolean isOpen();
    URL getURL() throws IOException;
    URI getURI() throws IOException;
    File getFile() throws IOException;
    long contentLength() throws IOException;
    long lastModified() throws IOException;
    Resource createRelative(String relativePath) throws IOException;
    String getFilename();
    String getDescription();
}

　　Resource接口抽象了所有Spring内部使用到的底层资源：File、URL、classPath等。对不同来源的资源文件都有相应的Resource实现：文件(FileSystemResource)、ClassPath资源(ClassPathResource)、URL资源(URLResource)等。相关类图如下：

　　

　　在日常的开发中，我们可以直接使用Spring提供的类来进行资源的加载，比如：

public class Test
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        BeanFactory beanFactory=new XmlBeanFactory(new ClassPathResource("xmlBeanFactory.xml"));
        MyTestBean myTestBean=(MyTestBean) beanFactory.getBean("myTestBean");
        myTestBean.fun();
        //加载ClassPath资源
        Resource resource=new ClassPathResource("test.txt");
        InputStream inputStream=resource.getInputStream();
        BufferedReader reader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
        System.out.println(reader.readLine());
        //加载File文件资源
        Resource resource=new FileSystemResource("D:\\fileResourceTest.txt");
        InputStream inputStream=resource.getInputStream();
        BufferedReader reader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
        String str;
        while((str=reader.readLine())!=null)
            System.out.println(str);
    }
}

　　2、加载Bean

　　当通过Resource相关类完成了对配置文件封装后，配置文件的读取工作就全权交给XmlBeanDifinitionReader来处理了。XmlBeanDifinitionReader负责读取Spring指定格式的XML配置文件并解析，之后将解析后的文件内容映射到相应的BeanDefinition，并加载到相应的BeanDefinitionRegistry中。这时，整个BeanFactory就可以放给客户端使用了。

　　

　　整个资源的加载过程很复杂，参考下面的时序图

　　

　　整个流程大致要经过以下几个步骤：

1. 封装资源文件。进入XmlBeanDefinitionReader后，首先使用EncodedResource类对resource进行封装。
2. 获取输入流，从Resource中获取对应的InputStream并构造。
3. 通过构造的InputStream实例和resource实例继续调用doLoadBeanDefinitions。

　　首先对传入的Resource资源做封装，目的是考虑到Resource可能存在编码要求的情况，其次，通过SAX读取XML文件的方式来准备InputSource对象，最后将准备的数据通过参数传入真正的核心处理部分doLoadBeanDefinitions(inputSource,encodedResource.getResource())。

protected int doLoadBeanDefinitions(InputSource inputSource, Resource resource)
            throws BeanDefinitionStoreException {
        try {
            /*
             * 加载XML文件，并得到相应的、Document
             * 根据返回的Document注册Bean信息
             */
            Document doc = doLoadDocument(inputSource, resource);
            return registerBeanDefinitions(doc, resource);
        }
        catch (BeanDefinitionStoreException ex) {
            throw ex;
        }
        catch (SAXParseException ex) {
            throw new XmlBeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(),
                    "Line " + ex.getLineNumber() + " in XML document from " + resource + " is invalid", ex);
        }
        catch (SAXException ex) {
            throw new XmlBeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(),
                    "XML document from " + resource + " is invalid", ex);
        }
        catch (ParserConfigurationException ex) {
            throw new BeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(),
                    "Parser configuration exception parsing XML from " + resource, ex);
        }
        catch (IOException ex) {
            throw new BeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(),
                    "IOException parsing XML document from " + resource, ex);
        }
        catch (Throwable ex) {
            throw new BeanDefinitionStoreException(resource.getDescription(),
                    "Unexpected exception parsing XML document from " + resource, ex);
        }
    }

　　在获取Document的代码中，执行下列代码

protected Document doLoadDocument(InputSource inputSource, Resource resource) throws Exception
 {
        return this.documentLoader.loadDocument(inputSource, getEntityResolver(), this.errorHandler,
                getValidationModeForResource(resource), isNamespaceAware());
    }

　　DocumentLoader只是一个接口，这里真正调用的是DefaultDocumentLoader。

@Override
    public Document loadDocument(InputSource inputSource, EntityResolver entityResolver,
            ErrorHandler errorHandler, int validationMode, boolean namespaceAware) throws Exception {

        DocumentBuilderFactory factory = createDocumentBuilderFactory(validationMode, namespaceAware);
        if (logger.isDebugEnabled()) {
            logger.debug("Using JAXP provider [" + factory.getClass().getName() + "]");
        }
        DocumentBuilder builder = createDocumentBuilder(factory, entityResolver, errorHandler);
        return builder.parse(inputSource);
    }

　　与SAX解析XML文档的思路一致，这里首先创建DocumentBuilderFactory，再通过DocumentBuilderFactory创建DocumentBuilder，进而解析InputSource来返回Document对象。DocumentLoader还涉及到验证模式的读取。

　　备注：

　　验证模式，XML文件的验证模式保证了XML文件的正确性，比较常用的有两种，DTD和XSD。

　　DTD：文档定义类型，属于XML文件组成的一部分，是一种保证XML文档格式正确的有效方法，可以通过比较XML文档和DTD文件来看文档是否符合规范，元素和标签是否正确。一个DTD文件包含：元素的定义规则，元素间关系的定义规则，元素可使用的属性，可使用的实体或符号规则。

　　XSD：即XML schema。描述了XML文档的结构，可以使用一个指定的XML schema来验证某个XML文档，以坚持该XML文档是否符合其要求。

　　Spring通过getValidationModeForResource方法来获取对对应资源的验证模式：

protected int getValidationModeForResource(Resource resource) {
        int validationModeToUse = getValidationMode();
        //如果手动指定了验证模式则使用指定的验证模式
        if (validationModeToUse != VALIDATION_AUTO) {
            return validationModeToUse;
        }
        //如果未指定，则使用自动检测
        int detectedMode = detectValidationMode(resource);
        if (detectedMode != VALIDATION_AUTO) {
            return detectedMode;
        }
        return VALIDATION_XSD;
    }

　　当把文件转换为Document后，接下来就是提取并注册bean了，也就是执行registerBeanDefinitions(doc, resource)方法。

public int registerBeanDefinitions(Document doc, Resource resource) throws BeanDefinitionStoreException
    {
        BeanDefinitionDocumentReader documentReader = createBeanDefinitionDocumentReader();
        //将环境变量设置其中
        documentReader.setEnvironment(getEnvironment());
        //记录统计前BeanDefinition的加载个数
        int countBefore = getRegistry().getBeanDefinitionCount();
        //加载和注册bean
        documentReader.registerBeanDefinitions(doc, createReaderContext(resource));
        //记录本次加载的BeanDefinition的个数
        return getRegistry().getBeanDefinitionCount() - countBefore;
    }
    

　　进入registerBeanDefinitions方法：

@Override
    public void registerBeanDefinitions(Document doc, XmlReaderContext readerContext) {
        this.readerContext = readerContext;
        logger.debug("Loading bean definitions");
        Element root = doc.getDocumentElement();
        doRegisterBeanDefinitions(root);
    }

　　doRegisterBeanDefinitions()方法就是真正开始解析了。

    protected void doRegisterBeanDefinitions(Element root)
    {
        BeanDefinitionParserDelegate parent = this.delegate;
        this.delegate = createDelegate(getReaderContext(), root, parent);
        // 处理profile属性
        if (this.delegate.isDefaultNamespace(root)) {
            String profileSpec = root.getAttribute(PROFILE_ATTRIBUTE);
            if (StringUtils.hasText(profileSpec)) {
                String[] specifiedProfiles = StringUtils.tokenizeToStringArray(
                        profileSpec, BeanDefinitionParserDelegate.MULTI_VALUE_ATTRIBUTE_DELIMITERS);
                if (!getReaderContext().getEnvironment().acceptsProfiles(specifiedProfiles)) {
                    return;
                }
            }
        }
        //解析前处理，留给子类实现
        preProcessXml(root);
        parseBeanDefinitions(root, this.delegate);
        //解析后处理，留给子类处理
        postProcessXml(root);
        this.delegate = parent;
    }

　　处理了profile后就进行XML读取了，跟踪代码进入parseBeanDefinitions方法。

protected void parseBeanDefinitions(Element root, BeanDefinitionParserDelegate delegate) {
        //对beans的处理
        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)) {
                        //对bean的处理
                        parseDefaultElement(ele, delegate);
                    }
                    else {
                        delegate.parseCustomElement(ele);
                    }
                }
            }
        }
        else {
            delegate.parseCustomElement(root);
        }
    }

三、ApplicationContext

　　Spring为基本的BeanFactory类型容器提供了XMLBeanFactory实现，相应地，它也为ApplicationContext类型容器提供了以下几个实现：

• FileSystemApplicationContext：从文件系统加载bean定义以及相关资源的实现
• ClassPathXmlApplicationContext:从CLASSPATH加载bean定义以及相关资源的实现
• XMLWebApplicationContext：用于Web应用程序的实现

　　1、统一资源加载策略

　　Spring框架内部使用Resource接口作为所有资源的抽象和访问接口，上面已有接触，其中ClassPathResource就是Resource的一个特定类型的实现，代表位于Classpath中的资源。有了资源，还需要ResourceLoader去查找和定位这些资源。

　　ResourceLoader有一个默认的实现类DefaultResourceLoader，实现代码如下：

@Override
    public Resource getResource(String location) {
        Assert.notNull(location, "Location must not be null");
        if (location.startsWith("/")) {
            return getResourceByPath(location);
        }
        else if (location.startsWith(CLASSPATH_URL_PREFIX)) {
            return new ClassPathResource(location.substring(CLASSPATH_URL_PREFIX.length()), getClassLoader());
        }
        else {
            try {
                // Try to parse the location as a URL...
                URL url = new URL(location);
                return new UrlResource(url);
            }
            catch (MalformedURLException ex) {
                // No URL -> resolve as resource path.
                return getResourceByPath(location);
            }
        }
    }

　　处理逻辑如下：

1. 首选检查资源路径是否以classpath:前缀打头，如果是，则尝试构造ClassPathResource类型资源并返回
2. 否则，尝试通过url，根据资源路径来定位资源
3. 如果还没有，则委派getResourceByPath方法来定位

　　ResourcePatternResolver是ResourceLoader的扩展，ResourceLoader每次只能根据资源路径返回确定的单个Resource实例，而ResourcePatternResolver则可以根据指定的资源路径匹配模式，每次返回多个Resource实例。

　　

　　ApplicationContext继承了ResourcePatternResolver，也就间接实现了ResourceLoader接口，这就是ApplicationContext支持Spring内统一资源加载策略的真相。

四、IOC容器功能实现

　　综上，IOC容器会以某种方式加载Configuration Metadata(通常是XMl格式的配置信息)，然后根据这些信息绑定整个系统的对象，最终组装成一个可用的基于轻量级容器的应用系统。

　　基本上可以分为两个阶段，容器的启动阶段和Bean实例化阶段。

　　1、容器启动阶段

　　容器启动伊始，首先会通过某种途径加载Configuration Metadata，大部分情况下需要依赖某些工具类(BeanDefinitionReader)对加载的Configuration Metadata进行解析和分析，并将分析后的信息编组为相应的BeanDefinition，最后把这些保存了bean定义必要信息的BeanDefinition，注册到相应的BeanDefinitionRegistry，这样容器的启动工作就完成了。

　　2、Bean实例化阶段

　　经过第一阶段，现在所有的bean定义信息都通过BeanDefinition的方式注册到BeanDefinitionRegistry中，当某个请求方通过容器的getBean方法明确的请求某个对象，或者因依赖关系容器需要隐式的调用getBean方法时，就会触发第二个阶段的活动。

　　该阶段，容器会首先检查所请求的对象之前是否已经初始化，如果没有，则会根据注册的BeanDefinition所提供的信息实例化请求对象，并为其注入依赖，如果该对象实现了某些回调接口，也会根据回调接口的要求来装配它。当该对象装配完成之后，容器就会立即将其返回请求方使用。