Spring源码：IOC原理解析（一）

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IOC(Inversion of Control)，即控制反转，意思是将对象的创建和依赖关系交给第三方容器处理，我们要用的时候告诉容器我们需要什么然后直接去拿就行了。举个例子，我们有一个工厂，它生产各种产品，当你需要某个产品，比如你需要一辆汽车，你就告诉工厂你需要一辆汽车，工厂就会直接返回给你一辆汽车，而不需要你自己通过付出劳动来得到这辆汽车，你也不用关心工厂是如何生产这辆汽车。对应到我们的程序中就是，IOC容器会帮我们创建和管理对象，当你告诉容器你需要某个对象时，容器会把这个对象返回给你，而不需要自己去new出一个对象来，对象的创建和管理会由容器自动进行，直接从容器中拿来用就可以了。IOC可以说是Spring最核心的思想，它使我们的开发变得简单（对象之间的依赖关系可以通过配置文件或者注解来建立），对于这种优秀的设计思想，我们当然有必要研究一下它的底层实现原理。

首先我们来关注一个接口，源码如下：

package org.springframework.beans.factory;

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

/**
 *
 * @author Rod Johnson
 * @author Juergen Hoeller
 * @author Chris Beams
 * @since 13 April 2001
 *
 */
public interface BeanFactory {

    String FACTORY_BEAN_PREFIX = "&";

    Object getBean(String name) throws BeansException;

    <T> T getBean(String name, @Nullable Class<T> requiredType) throws BeansException;

    Object getBean(String name, Object... args) throws BeansException;

    <T> T getBean(Class<T> requiredType) 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, @Nullable Class<?> typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;

    @Nullable
    Class<?> getType(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;

    String[] getAliases(String name);

}

这个接口便是spring核心的bean工厂定义，它是IOC容器的顶层接口，spring中所有bean工厂都直接或间接的继承或实现了这个接口。我们平时使用的最多的ApplicationContext接口也继承了BeanFactory接口，因此它具有BeanFactory接口的所有功能，这里顺便提一下，从BeanFactory获取bean时，实例化BeanFactory容器并不会实例化所配置的bean，只有当使用某个bean(getBean)时，才会实时的实例化该bean；从ApplicationContext获取bean时，实例化ApplicationContext容器时会一并实例化容器中的所有的bean。

从BeanFactory的源码可以看出，它实现的核心功能就是根据名称或类型来返回一个bean实例。一个工厂如果要具备这种功能，结合工厂模式的思想，我们可以试想一下它需要具备以下几个条件：

1、持有各种bean的定义，只有拿到了bean的定义信息，才能根据这些信息进行实例化；

2、持有各种bean之间的依赖关系，如果一个类中持有对另一个类的引用，那么在对该类进行实例化时，必须根据类之间的依赖关系对相关类也进行实例化，因此，工厂必须获得类之间的依赖关系，否则无法正确实例化；

3、以上两种信息都依赖于我们的配置信息定义，比如xml配置文件，工厂需要一个工具来读取配置文件的信息。

以上是我们设想IOC的实现思路，只要满足以上三个条件，就能构造一个工厂，生产各种bean。但是我们还是有一些疑问，比如在第一个条件中，我们如何持有bean的定义呢？我们先来看另外一个接口：

package org.springframework.beans.factory.config;

import org.springframework.beans.BeanMetadataElement;
import org.springframework.beans.MutablePropertyValues;
import org.springframework.core.AttributeAccessor;
import org.springframework.lang.Nullable;

/**
 * 一个BeanDefinition描述一个bean实例具有的属性值，构造函数参数值，以及具体实现的进一步信息。
 *
 * A BeanDefinition describes a bean instance, which has property values,
 * constructor argument values, and further information supplied by
 * concrete implementations.
 *
 * @author Juergen Hoeller
 * @author Rob Harrop
 * @since 19.03.2004
 */
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;

    void setParentName(@Nullable String parentName);

    @Nullable
    String getParentName();

    void setBeanClassName(@Nullable String beanClassName);

    @Nullable
    String getBeanClassName();

    void setScope(@Nullable String scope);

    @Nullable
    String getScope();

    void setLazyInit(boolean lazyInit);

    boolean isLazyInit();

    /**
     * Set the names of the beans that this bean depends on being initialized.
     * The bean factory will guarantee that these beans get initialized first.
     */
    void setDependsOn(String... dependsOn);

    /**
     * Return the bean names that this bean depends on.
     */
    @Nullable
    String[] getDependsOn();

    void setAutowireCandidate(boolean autowireCandidate);

    boolean isAutowireCandidate();

    void setPrimary(boolean primary);

    boolean isPrimary();

    void setFactoryBeanName(@Nullable String factoryBeanName);

    @Nullable
    String getFactoryBeanName();

    void setFactoryMethodName(@Nullable String factoryMethodName);

    @Nullable
    String getFactoryMethodName();

    ConstructorArgumentValues getConstructorArgumentValues();

    MutablePropertyValues getPropertyValues();

    boolean isSingleton();

    boolean isPrototype();

    boolean isAbstract();

    int getRole();

    @Nullable
    String getDescription();

    @Nullable
    String getResourceDescription();

    @Nullable
    BeanDefinition getOriginatingBeanDefinition();

}

BeanDefinition，顾名思义便是spring中的bean定义接口，spring的工厂里持有的就是此接口定义的内容。从源码可以看出，这个接口继承了两个另外两个接口，一个是AttributeAccessor接口，继承这个接口就意味着BeanDefinition接口拥有了处理属性的能力，另外一个接口是BeanMetedataElement，它可以获得bean的配置定义的元素，对于xml文件来说就是会持有bean的标签。从源码中我们可以看出，BeanDefinition接口定义了两个方法，分别是void setDependsOn(String... dependsOn)和String[] getDependsOn()，从方法的说明可以看出，这两个方法就是设置依赖的bean的名称和获取依赖的bean的名称，这就意味着只要我们有一个BeanDefinition，就能得到得到bean的定义信息和bean之间的依赖关系，从而可以生产一个完整的bean实例。

从上面两个接口，我们大致可以猜出spring是如何持有bean的定义信息及依赖关系了，没错，就是让bean工厂持有一个Map<String，BeanDefinition>，String型的beanName作为key，BeanDefinition型的bean定义作为value，这样就能生产一个bean实例。BeanFactory接口当然不能持有这个map对象，那么一定是在它的某个实现类里所持有的，我们找到了这个实现类，来看看源码：

package org.springframework.beans.factory.support;

import java.io.IOException;
import java.io.NotSerializableException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;
import java.lang.annotation.Annotation;
import java.lang.ref.Reference;
import java.lang.ref.WeakReference;
import java.lang.reflect.Method;
import java.security.AccessController;
import java.security.PrivilegedAction;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collection;
import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.IdentityHashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.LinkedHashSet;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Optional;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import javax.inject.Provider;

import org.springframework.beans.BeanUtils;
import org.springframework.beans.BeansException;
import org.springframework.beans.TypeConverter;
import org.springframework.beans.factory.BeanCreationException;
import org.springframework.beans.factory.BeanCurrentlyInCreationException;
import org.springframework.beans.factory.BeanDefinitionStoreException;
import org.springframework.beans.factory.BeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.BeanFactoryAware;
import org.springframework.beans.factory.BeanFactoryUtils;
import org.springframework.beans.factory.BeanNotOfRequiredTypeException;
import org.springframework.beans.factory.CannotLoadBeanClassException;
import org.springframework.beans.factory.FactoryBean;
import org.springframework.beans.factory.InjectionPoint;
import org.springframework.beans.factory.NoSuchBeanDefinitionException;
import org.springframework.beans.factory.NoUniqueBeanDefinitionException;
import org.springframework.beans.factory.ObjectFactory;
import org.springframework.beans.factory.ObjectProvider;
import org.springframework.beans.factory.SmartFactoryBean;
import org.springframework.beans.factory.SmartInitializingSingleton;
import org.springframework.beans.factory.config.AutowireCapableBeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.config.BeanDefinition;
import org.springframework.beans.factory.config.BeanDefinitionHolder;
import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableBeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableListableBeanFactory;
import org.springframework.beans.factory.config.DependencyDescriptor;
import org.springframework.beans.factory.config.NamedBeanHolder;
import org.springframework.core.OrderComparator;
import org.springframework.core.ResolvableType;
import org.springframework.core.annotation.AnnotationUtils;
import org.springframework.lang.Nullable;
import org.springframework.util.Assert;
import org.springframework.util.ClassUtils;
import org.springframework.util.CompositeIterator;
import org.springframework.util.ObjectUtils;
import org.springframework.util.StringUtils;

/**
 * 基于bean definition对象的完整bean工厂
 *
 * Default implementation of the
 * {@link org.springframework.beans.factory.ListableBeanFactory} and
 * {@link BeanDefinitionRegistry} interfaces: a full-fledged bean factory
 * based on bean definition objects.
 *
 * @author Rod Johnson
 * @author Juergen Hoeller
 * @author Sam Brannen
 * @author Costin Leau
 * @author Chris Beams
 * @author Phillip Webb
 * @author Stephane Nicoll
 * @since 16 April 2001
 * @see StaticListableBeanFactory
 * @see PropertiesBeanDefinitionReader
 * @see org.springframework.beans.factory.xml.XmlBeanDefinitionReader
 */
@SuppressWarnings("serial")
public class DefaultListableBeanFactory extends AbstractAutowireCapableBeanFactory
        implements ConfigurableListableBeanFactory, BeanDefinitionRegistry, Serializable {

    @Nullable
    private static Class<?> javaxInjectProviderClass;

    static {
        try {
            javaxInjectProviderClass =
                    ClassUtils.forName("javax.inject.Provider", DefaultListableBeanFactory.class.getClassLoader());
        }
        catch (ClassNotFoundException ex) {
            // JSR-330 API not available - Provider interface simply not supported then.
            javaxInjectProviderClass = null;
        }
    }

    /** Map from serialized id to factory instance */
    private static final Map<String, Reference<DefaultListableBeanFactory>> serializableFactories =
            new ConcurrentHashMap<>(8);

    /** Optional id for this factory, for serialization purposes */
    @Nullable
    private String serializationId;

    /** Whether to allow re-registration of a different definition with the same name */
    private boolean allowBeanDefinitionOverriding = true;

    /** Whether to allow eager class loading even for lazy-init beans */
    private boolean allowEagerClassLoading = true;

    /** Optional OrderComparator for dependency Lists and arrays */
    @Nullable
    private Comparator<Object> dependencyComparator;

    /** Resolver to use for checking if a bean definition is an autowire candidate */
    private AutowireCandidateResolver autowireCandidateResolver = new SimpleAutowireCandidateResolver();

    /** Map from dependency type to corresponding autowired value */
    private final Map<Class<?>, Object> resolvableDependencies = new ConcurrentHashMap<>(16);

    /** Map of bean definition objects, keyed by bean name */
    //beanFactory持有此map,这样就可以在任何时候获取bean的BeanDefinition来创建一个bean实例
    private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>(256);

    /** Map of singleton and non-singleton bean names, keyed by dependency type */
    private final Map<Class<?>, String[]> allBeanNamesByType = new ConcurrentHashMap<>(64);

    /** Map of singleton-only bean names, keyed by dependency type */
    private final Map<Class<?>, String[]> singletonBeanNamesByType = new ConcurrentHashMap<>(64);

    /** List of bean definition names, in registration order */
    private volatile List<String> beanDefinitionNames = new ArrayList<>(256);

    /** List of names of manually registered singletons, in registration order */
    private volatile Set<String> manualSingletonNames = new LinkedHashSet<>(16);

    /** Cached array of bean definition names in case of frozen configuration */
    @Nullable
    private volatile String[] frozenBeanDefinitionNames;

    /** Whether bean definition metadata may be cached for all beans */
    private volatile boolean configurationFrozen = false;
}

DefaultListableBeanFactory类，这个类是默认的bean工厂实现类，这里只贴出了部分源码，完整的代码太长。我们来看其中的一行代码：

/** Map of bean definition objects, keyed by bean name */
    //beanFactory持有此map,这样就可以在任何时候获取bean的BeanDefinition来创建一个bean实例
    private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>(256);

这行代码证明了我们的猜测，从方法是说明就可以看出这是bean定义的map对象，以bean的名称作为key。到这里思路就明确了，bean工厂的初始化就是往这个map对象里加东西，把我们xml文件里定义的bean填充到这个对象里，bean工厂就可以工作了。

那么怎样将xml文件配置的bean注册到这个map对象里呢？我们可以试试以下思路：

1、需要一个工具来找到xml配置文件，可以称之为资源定位；

2、需要一个Reader来读取xml配置信息，即DOM解析；

3、将读取出来的信息注册到map对象里。

以代码来验证一下，写一个Person类作为bean：

public class Person {

    public void work(){
        System.out.println("I am working...");
    }
}

创建一个applicationContext.xml配置文件，配置bean：

<?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 id="person" class="com.springframework.bean.test.Person"></bean>

</beans>

接下来写个测试类：

public class Client {

    public static void main(String[] args) {

        ClassPathResource classPathResource = new ClassPathResource("applicationContext.xml");

        DefaultListableBeanFactory defaultListableBeanFactory = new DefaultListableBeanFactory();

        XmlBeanDefinitionReader beanDefinitionReader = new XmlBeanDefinitionReader(defaultListableBeanFactory);

        beanDefinitionReader.loadBeanDefinitions(classPathResource);

        System.out.println(defaultListableBeanFactory.getBeanDefinitionCount());

        Person person = (Person)defaultListableBeanFactory.getBean("person");

        person.work();

    }
}

执行结果如下：

七月 06, 2017 9:41:48 下午 org.springframework.beans.factory.xml.XmlBeanDefinitionReader loadBeanDefinitions
信息: Loading XML bean definitions from class path resource [applicationContext.xml]
1
I am working...

从结果可以看出，我们成功解析了xml文件，并注册了一个bean定义，通过getBean()方法成功返回了一个实例。上面的测试类用4行代码实现了bean工厂的初始化：

第一行，完成了资源定位；

第二行，创建了一个默认的bean工厂；

第三行，创建了一个Reader，这个Reader用来读取xml文件，将创建的defaultListableBeanFactory 作为参数传递给Reader，表示为此工厂创建Reader；

第四行，用Reader读取配置信息，并将解析的bean定义注册到defaultListableBeanFactory 中。

执行完以上四个步骤，bean工厂酒杯正确初始化了，接下来我们可以调用工厂的方法，以及获得bean实例。

但是在实际开发中不会这么复杂，spring可以更简单的一步到位，它是这么做的：

public class TestSpringBeanFactory {

    public static void main(String[] args) {

        ApplicationContext ctx = new FileSystemXmlApplicationContext("src/applicationContext.xml");

        System.out.println(ctx.getBeanDefinitionCount());

        Person person = (Person) ctx.getBean("person");

        person.work();

    }

}

我们看看执行结果：

七月 06, 2017 9:42:55 下午 org.springframework.context.support.AbstractApplicationContext prepareRefresh
信息: Refreshing org.springframework.context.support.FileSystemXmlApplicationContext@20ad9418: startup date [Thu Jul 06 21:42:55 CST 2017]; root of context hierarchy
七月 06, 2017 9:42:55 下午 org.springframework.beans.factory.xml.XmlBeanDefinitionReader loadBeanDefinitions
信息: Loading XML bean definitions from file [C:\Users\fangfuhai\workspace\spring-code-learning\src\applicationContext.xml]
1
I am working...

从结果可以看出，spring用一行代码就完成了我们四个步骤，仔细看看日志信息就可以发现，spring也是用XmlBeanDefinitionReader 来读取、解析并注册，同时在日志信息里还多了两行，这说明在这一行代码里，spring还做了更多的事情。

我们在new一个FileSystemXmlApplicationContext对象的时候，spring到底做了那些事情呢？下一章节我们来一探究竟。