造輪子：實現一個簡易的 Spring IoC 容器

做者：DeppWang、原文地址

我經過實現一個簡易的 Spring IoC 容器，算是入門了 Spring 框架。本文是對實現過程的一個總結提煉，須要配合源碼閱讀，源碼地址。

結合本文和源碼，你應該能夠學到：Spring 的原理和 Spring Boot 的原理。

Spring 框架是 Java 開發的，Java 是面向對象的語言，因此 Spring 框架自己有大量的抽象、繼承、多態。對於初學者來講，光是理清他們的邏輯就很麻煩，我摒棄了那些包裝，只實現了最本質的功能。代碼不是很嚴謹，但只爲了理解 Spring 思想卻夠了。

下面正文開始。

零、前言

在沒有 Spring 框架的遠古時代，咱們業務邏輯長這樣：

public class PetStoreService {
    AccountDao accountDao = new AccountDao();
}

public class AccountDao {
}

PetStoreService petStoreService = new PetStoreService();

處處都是 new 關鍵字，須要開發人員顯式的使用 new 關鍵字來建立業務類對象（實例）。這樣有不少弊端，如，建立的對象太多，耦合性太強，等等。

有個叫 Rod Johnson 老哥對此很不爽，就開發了一個叫 Spring 的框架，就是爲了幹掉 new 關鍵字（哈哈，我杜撰的，只是爲了說明 Spring 的做用）。

有了 Spring 框架，由框架來新建對象，管理對象，並處理對象之間的依賴，咱們程序員不再用 new 業務類對象了。咱們來看看 Spring 框架是如何實現的吧。

注：如下 Spring 框架簡寫爲 Spring

本節源碼對應：v0

1、實現「實例化 Bean 」

首先，Spring 須要實例化類，將其轉換爲對象。在 Spring 中，咱們管（業務）類叫 Bean，因此實例化類也能夠稱爲實例化 Bean。

早期 Spring 須要藉助 xml 配置文件來實現實例化 Bean，能夠分爲三步（配合源碼 v1 閱讀）：

1. 從 xml 配置文件獲取 Bean 信息，如全限定名等，將其做爲 BeanDefinition（Bean 定義類）的屬性
2. 使用一個 Map 存放全部 BeanDefinition，此時 Spring 本質上是一個 Map，存放 BeanDefinition
3. 當獲取 Bean 實例時，經過類加載器，根據全限定名，獲得其類對象，經過類對象利用反射建立 Bean 實例

關於類加載和反射，前者能夠看看《深刻理解 Java 虛擬機》第 7 章，後者能夠看看《廖雪峯 Java 教程》反射 部分。本文只學習 Spring，這兩個知識點不作深刻討論。

名詞解釋：

• 全限定名：指編譯後的 class 文件在 jar 包中的路徑

本節源碼對應：v1

2、實現「填充屬性（依賴注入）」

實現實例化 Bean 後，此時成員變量（引用）還爲 null：

此時須要經過一種方式實現，讓引用指向實例，咱們管這一步叫填充屬性。

當一個 Bean 的成員變量類型是另外一個 Bean 時，咱們能夠說一個 Bean 依賴於另外一個 Bean。因此填充屬性，也能夠稱爲依賴注入（Dependency Injection，簡稱 DI）。

拋開 Spring 不談，在正常狀況下，咱們有兩種方式實現依賴注入，一、使用 Setter() 方法，二、使用構造方法。使用 Setter() 方法以下：

public class PetStoreService {
    private AccountDao accountDao;
    public void setAccountDao(AccountDao accountDao) {
        this.accountDao = accountDao;
    }
}

public class AccountDao {
}

PetStoreService petStore = new PetStoreService();
petStore.setAccountDao(new AccountDao()); // 將依賴 new AccountDao() 注入 petStore

其實早期 Spring 也是經過這兩種方式來實現依賴注入的。下面是 Spring 經過 xml 文件 + Setter() 來實現依賴注入的步驟（配合源碼 v2 閱讀）：

1. 給 PetStoreService 添加 Setter() 方法，並稍微修改一下 xml 配置文件，添加 <property>，表明對應 Setter() 方法。
2. 從 xml 配置文件獲取 Bean 的屬性 <property>，存放到 BeanDefinition 的 propertyNames 中。
3. 經過 propertyName 獲取屬性實例，利用反射，經過 Setter() 方法實現填充屬性（依賴注入）

基於構造函數實現依賴注入的方式跟 Setter() 方法差很少，感興趣能夠 Google 搜索查看。

由於 Spring 實現了依賴注入，因此咱們程序員沒有了建立對象的控制權，因此也被稱爲控制反轉（Inversion of Control，簡稱 IoC）。由於 Spring 使用 Map 管理 BeanDefinition，咱們也能夠將 Spring 稱爲 IoC 容器。

本節源碼對應：v2

3、使用「單例模式、工廠方法模式」

前面兩步實現了獲取 Bean 實例時建立 Bean 實例，但 Bean 實例常用，不能每次都新建立。其實在 Spring 中，一個業務類只對應一個 Bean 實例，這須要使用單例模式。

單例模式：一個類有且只有一個實例

Spring 使用類對象建立 Bean 實例，是如何實現單例模式的？

Spring 其實使用一個 Map 存放全部 Bean 實例。建立時，先看 Map 中是否有 Bean 實例，沒有就建立；獲取時，直接從 Map 中獲取。這種方式能保證一個類只有一個 Bean 實例。

private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(64);

早期 Spring 使用 Bean 的策略是用到時再實例化所用 Bean，傑出表明是 XmlBeanFactory，後期爲了實現更多的功能，新增了 ApplicationContext，二者都繼承於 BeanFactory 接口。這使用了工廠方法模式。

工廠方法模式：定義一個用於建立對象的接口，讓子類決定實例化哪個類。Factory Method 使一個類的實例化延遲到其子類。

咱們將 BeanIocContainer 修改成 BeanFactory 接口，只提供 getBean() 方法。建立（IoC）容器由其子類本身實現。

ApplicationContext 和 BeanFactory 的區別：ApplicationContext 初始化時就實例化全部 Bean，BeanFactory 用到時再實例化所用 Bean。

本節源碼對應：v3

3、實現「註解」

前面使用 xml 配置文件的方式，實現了實例化 Bean 和依賴注入。這種方式比較麻煩，還容易出錯。Spring 從 2.5^ref 開始可以使用註解替代 xml 配置文件。好比：

1. 使用 @Component 註解代替 <bean>
2. 使用 @Autowired 註解代替 <property>

@Component 用於生成 BeanDefinition，原理（配合源碼 v4 閱讀）：

• 根據 component-scan 指定路徑，找到路徑下全部包含 @Component 註解的 Class 文件，做爲 BeanDefinition
• 如何判斷 Class 是否有 @Component：利用字節碼技術，獲取 Class 文件中的元數據（註解等），判斷元數據中是否有 @Componet

@Autowired 用於依賴注入，原理（配合源碼 v4 閱讀）：

• 經過反射，查看 Field 中是否有 @Autowired 類型的註解，有，則使用反射實現依賴注入

至此，咱們仍是在須要經過配置文件來實現組件掃描。有沒有徹底不使用配置文件的方式？有！

咱們可使用 @Configuration 替代配置文件，並使用 @ComponentScan 來替代配置文件的 <context:component-scan> 。

@Configuration // 將類標記爲 @Configuration，表明這個類是至關於一個配置文件
@ComponentScan // ComponentScan 掃描 PetStoreConfig.class 所在路徑及其所在路徑全部子路徑的文件
public class PetStoreConfig {
    public static void main(String[] args) {
        ApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(PetStoreConfig.class);
        PetStoreService userService = context.getBean(PetStoreService.class);
        userService.getAccountDao();
    }
}

使用註解其實跟使用 xml 配置文件同樣，目的是將配置類做爲入口，實現掃描組件，將其加載進 IoC 容器中的功能。

AnnotationConfigApplicationContext 是專爲針對配置類的啓動類。其實現機制，能夠 Google 查閱。

名詞解釋：

• Component：組件
• Autowired：自動裝配

本節源碼對應：v4

4、Spring Boot 原理

說到了 @Configuration 和 @ComponentScan，就不得不提 Spring Boot。由於 Spring Boot 就使用了 @Configuration 和 @ComponentScan，你能夠點開 @SpringBootApplication 看到。

咱們發現，Spring Boot 啓動時，並無使用 AnnotationConfigApplicationContext 來指定啓動某某 Config 類。這是由於它使用了 @EnableAutoConfiguration 註解。

Spring Boot 利用了 @EnableAutoConfiguration 來自動加載標識爲 @Configuration 的配置類到容器中。Spring Boot 還能夠將須要自動加載的配置類放在 spring.factories 中，Spring Boot 將自動加載 spring.factories 中的配置類。spring.factories 需放置於META-INF 下。

如 Spring Boot 項目啓動時，autocofigure 包中將自動加載到容器的（部分）配置類以下：

以上也是 Spring Boot 的原理。

在 Spring Boot 中，咱們引入的 jar 包都有一個字段，starter，咱們叫 starter 包。

標識爲 starter（啓動器）是由於引入這些包時，咱們不用設置額外操做，它能被自動裝配，starter 包通常都包含本身的 spring.factories。如 spring-cloud-starter-eureka-server：

如 druid-spring-boot-starter：

有時候咱們還須要自定義 starter 包，好比在 Spring Cloud 中，當某個應用要調用另外一個應用的代碼時，要麼調用方使用 Feign（HTTP），要麼將被調用方自定義爲 starter 包，讓調用方依賴引用，再 @Autowired 使用。此時須要在被調用方設置配置類和 spring.factories：

@Configuration
@ComponentScan
public class ProviderAppConfiguration {
}

// spring.factories
# Auto Configure
org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
com.amy.cloud.amycloudact.ProviderAppConfiguration

固然，你也能夠把這兩個文件放在調用方（此時要指定掃描路徑），但通常放在被調用方。ps：若是你兩個應用的 base-package 路徑同樣，那麼能夠不用這一步。

說了 Spring Boot，那麼在 Spring MVC，如何將引入 jar 包的組件注入容器？

• 跟掃描本項目包同樣，在 xml ，增長引入 jar 包的掃描路徑：

<context:component-scan base-package="引入 jar 包的 base-package" />
...

嗯，本節沒有源碼

5、結語

以上實現了一個簡易的 Spring IoC 容器，順便說了一下 Spring Boot 原理。Spring 還有不少重要功能，如：管理 Bean 生命週期、AOP 的實現，等等。後續有機會再作一次分享。

來個註解小結：

• Spring 只實例化標識爲 @Component 的組件（即業務類對象）
• @Component 做爲組件標識
• @Autowired 用於判斷是否須要依賴注入
• @ComponentScan 指定組件掃描路徑，不指定即爲當前路徑
• @Configuration 表明配置類，做爲入口
• @EnableAutoConfiguration 實現加載配置類

有的童鞋可能還會有這樣的疑問：

jdk jar 包、工具 jar 包的類是否須要注入容器？

• 回答是不須要，由於容器只管理業務類，注入容器的類都有 @Component 註解。

全文完。

本文由博客一文多發平臺 OpenWrite 發佈！