Spring 核心组件工作原理简析

Spring Framework 的核心组件有三个： Spring Core，Spring Context 和 Spring Beans，它们奠定了 Spring 的基础并撑起了 Spring 的框架结构。Spring 的其它功能特性例如 Web、AOP、JDBC 等都是在其基础上发展实现的。

I. Bean 组件

Spring 使用工厂模式来管理程序中使用的对象（Bean），Bean 工厂最上层的接口为 BeanFactory，简单来看，工厂就是根据需要返回相应的 Bean 实例。

public interface BeanFactory {
//...
Object getBean(String name);
}

在工厂模式中，在工厂的实现类中生成 Bean 返回给调用客户端，这就要求客户端提供生成自己所需类实例的工厂类，增加客户负担。Spring 结合控制反转和依赖注入为客户端提供所需的实例，简化了客户端的操作。具体的实现方式大致如下。

public class DefaultListableBeanFactory extends AbstractAutowireCapableBeanFactory
implements ConfigurableListableBeanFactory, BeanDefinitionRegistry, Serializable {
/** Map of bean definition objects, keyed by bean name */
private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<String, BeanDefinition>;
public void registerBeanDefinition(String beanName, BeanDefinition beanDefinition){
//...
}
}

beanDefinitionMap 作为具体的 Bean 容器，Spring 创建的对象实例保存其中。客户端需要时，使用工厂的 getBean 方法去试图得到相应的实例，如果实例已存在，则返回该实例；如果实例不存在，则首先产生相应实例并通过 registerBeanDefinition 方法将其保存在 beanDefinitionMap 中（Lazy Initialization)，然后返回该实例给客户端。



Spring Bean 工厂的继承关系

Spring 中的相关代码包是 org.springframework.beans

beanDefinitionMap 并不直接保存实例本身，而是将实例封装在 BeanDefinition 对象后进行保存。BeanDefinition 包含了实例的所有信息，其简化版的定义如下。

public class BeanDefinition {
private Object bean;

private Class<?> beanClass;
private String beanClassName;

// Bean 属性字段的初始化值
private BeanPropertyValues beanPropertyValues;

//...
}

Spring Bean 工厂生产 Bean 时

1) 先将实例的类型参数保存到 beanClass 和 beanClassName，将需要初始化的字段名和值保存到 beanPropertyValues 中，这个过程 Spring 通过控制反转来实现，本文第二小节将予以简要说明

2) 生成 bean 实例，并利用反射机制将需要初始化的字段值写入 bean 实例，将实例保存在 bean 中，完成 BeanDefinition 的构建。

假设我们已经完成了步骤 1) 的操作，之后的过程用代码表述如下所示。

public void registerBeanDefinition(String beanName, BeanDefinition beanDefinition){
//生成 bean 实例，并完成初始化
Object bean = createBean(beanDefinition);
//将 bean 实例保存在 beanDefinition 中
beanDefinition.setBean(bean);
//将 beanDefinition 实例保存在 Spring 容器中
beanDefinitionMap.put(beanName, beanDefinition);
}

protected Object createBean(BeanDefinition beanDefinition) {
try{
Object bean = beanDefinition.getBeanClass().newInstance();
try {
setBeanPropertyValues(bean, beanDefinition);
} catch (NoSuchFieldException | SecurityException | IllegalArgumentException e) {
e.printStackTrace();
}
return bean;
}catch(InstantiationException e){
e.printStackTrace();
}catch(IllegalAccessException e){
e.printStackTrace();
}

return null;
}

protected void setBeanPropertyValues(Object bean, BeanDefinition beanDefinition) throws NoSuchFieldException, SecurityException, IllegalArgumentException, IllegalAccessException{
for(PropertyValue pv : beanDefinition.getBeanPropertyValues().getBeanPropertyValues()){
Field beanFiled = bean.getClass().getDeclaredField(pv.getName());
beanFiled.setAccessible(true);
beanFiled.set(bean, pv.getValue());
}
}

II. Context 组件

一般地，传统的程序设计中，无论是使用工厂创建实例，或是直接创建实例，实例调用者都要先主动创建实例，而后才能使用。控制反转（Inverse of Control) 将实例的创建过程交由容器实现，调用者将控制权交出，是所谓控制反转。

依赖注入（Dependence Injection) 在控制反转的基础上更进一步。如果没有依赖注入，容器创建实例并保存后，调用者需要使用 getBean(String beanName) 才能获取到实例。使用依赖注入时，容器会将 Bean 实例自动注入到完成相应配置的调用者，供其进一步使用。

Context 组件借助上述的控制反转和依赖注入，协助实现了 Spring 的 Ioc 容器。下面我们以一个 Service 类作为所需的 Bean 实例进行说明。实际应用中，我们会需要 Spring 管理很多 Bean 实例。

public class SampleService {
private String service;
public String getService() {
return service;
}
public void setService(String service) {
this.service= service;
}
}

在程序运行过程中，需要一个 SampleService ，我们不让调用者 new 一个实例，而是在配置文件中表明该 SampleService 的实例交由 Spring 容器进行管理，并指定其初始化参数。配置文件即资源，其内容如下。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans>
<bean name="sampleService " class="com.service.SampleService ">
<property name="service" value="This is a service"></property>
</bean>
</beans>

Spring Core 组件提供 ResourceLoader 接口，便于读入 xml 文件或其他资源文件。其核心功能代码应该提供如下方法。

public class ResourceLoader {
public Resource getResource(String location){
URL resource = this.getClass().getClassLoader().getResource(location);
return new UrlResource(resource);
}
}

// UrlResource 的功能代码
public class UrlResource implements Resource {
private final URL url;

public UrlResource(URL url){
this.url = url;
}

@Override
public InputStream getInputStream() throws IOException {
URLConnection urlConnection = url.openConnection();
urlConnection.connect();
return urlConnection.getInputStream();
}

}

即加载资源文件，并以数据流的形式返回。Context 根据资源中的定义，生成相应的 bean 并保存在容器中，bean 的名字是 sampleService ，供程序进一步使用。这样就完成了控制反转的工作。接下来就需要把 sampleService 注入到需要使用它的地方，亦即完成依赖注入操作。

现在假设 SampleController 中使用 SampleService 的对象，Spring 提供三种依赖注入的方式，构造器注入、setter 注入和注解注入。

public class SampleController {
/**
* 3. 注解注入
**/
/* @Autowired */
private SampleService sampleService;

/**
* 1. 构造器注入
**/
public SampleController(SampleService sampleService){
this.sampleService = sampleService;
}
//无参构造函数
public SampleController(){}

// 类的核心功能
public void process(){
System.out.println(sampleService.getService());
}
/**
* 2. setter 注入
**/
/*public void setService(SampleService service) {
this.service= service;
}*/
}

三种注入方式在配置文件中对应不同的配置方式，在前面 xml 文件的基础上，我们可以分别实现这三种注入方式。需要注意的是，这里 SampleController 也是使用 Spring 的 Ioc 容器生成管理的。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans>
<bean name="sampleService " class="com.service.SampleService ">
<property name="service" value="This is a service"></property>
</bean>

<!-- 1. 构造器注入方式为SampleContorller 的 bean 注入 SampleService -->
<bean name="sampleContorller" class="com.controller.SampleContorller">
<!-- index 是构造方法中相应参数的顺序 -->
<constructor-arg index="0" ref="sampleService"></constructor-arg>
</bean>

<!-- 2. setter 注入方式为SampleContorller 的 bean 注入 SampleService -->
<!--
<bean name="sampleContorller" class="com.controller.SampleContorller">
<property name="sampleService " ref="sampleService"></property>
</bean>
-->

<!-- 3. 注解注入方式为SampleContorller 的 bean 注入 SampleService -->
<!--
<bean name="sampleContorller" class="com.controller.SampleContorller">

<!-- 不需要配置，Spring 自动按照类型注入相应的 bean -->
</bean>
-->
</beans>

参考文献 - Spring 框架的设计理念与设计模式分析