Spring框架中Ioc 容器如何工作

1、Spring框架的设计理念与设计模式分析

2、Spring框架中Ioc 容器如何工作

Ioc 容器如何工作

前面介绍了 Core 组件、Bean 组件和 Context 组件的结构与相互关系，下面这里从使用者角度看一下:

1. 他们是如何运行的
2. 我们如何让 Spring 完成各种功能
3. Spring 到底能有那些功能
4. 些功能是如何得来的

如何创建 BeanFactory 工厂

由以上介绍：
Ioc 容器实际上就是 Context 组件结合其他两个组件（Bean组件，Core组件）共同构建了一个 Bean 关系网。
如何构建这个关系网？构建的入口就在 AbstractApplicationContext 类的 refresh 方法中。这个方法的代码如下：

public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
// 准备好这个背景。
prepareRefresh();
// 告诉子类刷新内部bean工厂。
ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
// 准备bean工厂以便在此上下文中使用。
prepareBeanFactory(beanFactory);
try {
// 允许在上下文子类中对bean工厂进行后处理。
postProcessBeanFactory(beanFactory);
// 在上下文中调用注册为bean的工厂处理器。
invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
// 注册拦截bean创建的bean处理器。
registerBeanPostProcessors(beanFactory);
// 为此上下文初始化消息源。
initMessageSource();
// 为此上下文初始化事件多主机。
initApplicationEventMulticaster();
// 初始化特定上下文子类中的其他特殊bean。
onRefresh();
// 检查侦听器bean并注册它们。
registerListeners();
// 实例化所有剩余的（非懒加载）单例。
finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
// 最后一步：发布对应的事件。
finishRefresh();
}
catch (BeansException ex) {
// 销毁已经创建的单例以避免资源悬空。
destroyBeans();
// 重置“活动”标志。
cancelRefresh(ex);
// 将异常传播到调用方。
throw ex;
}
}
}

这个方法就是构建整个 Ioc 容器过程的完整的代码，了解了里面的每一行代码基本上就了解大部分 Spring 的原理和功能了。

这段代码主要包含这样几个步骤：

1. 构建 BeanFactory，以便于产生所需的“演员”
2. 注册可能感兴趣的事件
3. 创建 Bean 实例对象
4. 触发被监听的事件

下面就结合代码分析这几个过程。

ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
prepareBeanFactory(beanFactory);

这两句就是在创建和配置 BeanFactory。这里是 refresh 也就是刷新配置，前面介绍了 Context 有可更新的子类，这里正是实现这个功能，当 BeanFactory 已存在是就更新，如果没有就新创建。下面是更新 BeanFactory 的方法代码：

protected final void refreshBeanFactory() throws BeansException {
if (hasBeanFactory()) {
destroyBeans();
closeBeanFactory();
}
try {
DefaultListableBeanFactory beanFactory = createBeanFactory();
beanFactory.setSerializationId(getId());
customizeBeanFactory(beanFactory);
loadBeanDefinitions(beanFactory);
synchronized (this.beanFactoryMonitor) {
this.beanFactory = beanFactory;
}
}
catch (IOException ex) {
throw new ApplicationContextException(
"I/O error parsing bean definition source for "
+ getDisplayName(), ex);
}
}

这个方法实现了 AbstractApplicationContext 的抽象方法 refreshBeanFactory，这段代码清楚的说明了 BeanFactory 的创建过程。注意 BeanFactory 对象的类型的变化，前面介绍了他有很多子类，在什么情况下使用不同的子类这非常关键。BeanFactory 的原始对象是 DefaultListableBeanFactory，这个非常关键，因为他设计到后面对这个对象的多种操作，下面看一下这个类DefaultListableBeanFactory 的继承层次类图：

从这个图中发现除了 BeanFactory 相关的类外，还发现了与 Bean 的 register 相关。这在 refreshBeanFactory 方法中有一行 loadBeanDefinitions(beanFactory) 将找到答案，这个方法将开始加载、解析 Bean 的定义，也就是把用户定义的数据结构转化为 Ioc 容器中的特定数据结构。
这个过程可以用下面创建 BeanFactory时序图解释：

Bean 的解析和登记流程时序图如下：

创建好 BeanFactory 后，接下去添加一些 Spring 本身需要的一些工具类，这个操作在 AbstractApplicationContext 的 prepareBeanFactory 方法完成。

// 允许在上下文子类中对bean工厂进行后处理。
postProcessBeanFactory(beanFactory);
// 在上下文中调用注册为bean的工厂处理器。
invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
// 注册拦截bean创建的bean处理器。
registerBeanPostProcessors(beanFactory);

接下来的三行代码对 Spring 的功能扩展性起了至关重要的作用。前两行主要是让你现在可以对已经构建的 BeanFactory 的配置做修改，后面一行就是让你可以对以后再创建 Bean 的实例对象时添加一些自定义的操作。所以他们都是扩展了 Spring 的功能，所以我们要学习使用 Spring 必须对这一部分搞清楚。
其中在 invokeBeanFactoryPostProcessors 方法中主要是获取实现 BeanFactoryPostProcessor 接口的子类。并执行它的 postProcessBeanFactory 方法，这个方法的声明如下：

void postProcessBeanFactory(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory)
throws BeansException;

它的参数是 beanFactory，说明可以对 beanFactory 做修改，这里注意这个 beanFactory 是 ConfigurableListableBeanFactory 类型的，这也印证了前面介绍的不同 BeanFactory 所使用的场合不同，这里只能是可配置的 BeanFactory，防止一些数据被用户随意修改。
registerBeanPostProcessors 方法也是可以获取用户定义的实现了 BeanPostProcessor 接口的子类，并执行把它们注册到 BeanFactory 对象中的 beanPostProcessors 变量中。BeanPostProcessor 中声明了两个方法：postProcessBeforeInitialization、postProcessAfterInitialization 分别用于在 Bean 对象初始化时执行。可以执行用户自定义的操作。

如何创建 Bean 实例并构建 Bean 的关系网

下面就是 Bean 的实例化代码，是从 finishBeanFactoryInitialization 方法开始的。

protected void finishBeanFactoryInitialization(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory) {

// 停止使用临时类加载器进行类型匹配。
beanFactory.setTempClassLoader(null);

// 允许缓存所有bean定义元数据，不需要进一步更改。
beanFactory.freezeConfiguration();

// 实例化所有剩余（非lazy init）单例。
beanFactory.preInstantiateSingletons();
}

从上面代码中可以发现 Bean 的实例化是在 BeanFactory 中发生的。preInstantiateSingletons 方法的代码如下：

public void preInstantiateSingletons() throws BeansException {
if (this.logger.isInfoEnabled()) {
this.logger.info("Pre-instantiating singletons in " + this);
}
synchronized (this.beanDefinitionMap) {
for (String beanName : this.beanDefinitionNames) {
RootBeanDefinition bd = getMergedLocalBeanDefinition(beanName);
if (!bd.isAbstract() && bd.isSingleton()
&& !bd.isLazyInit()) {
if (isFactoryBean(beanName)) {
final FactoryBean factory =
(FactoryBean) getBean(FACTORY_BEAN_PREFIX+ beanName);
boolean isEagerInit;
if (System.getSecurityManager() != null
&& factory instanceof SmartFactoryBean) {
isEagerInit = AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedAction<Boolean>() {
public Boolean run() {
return ((SmartFactoryBean) factory).isEagerInit();
}
}, getAccessControlContext());
}
else {
isEagerInit = factory instanceof SmartFactoryBean
&& ((SmartFactoryBean) factory).isEagerInit();
}
if (isEagerInit) {
getBean(beanName);
}
}
else {
getBean(beanName);
}
}
}
}
}

这里出现了一个非常重要的 Bean —— FactoryBean，可以说 Spring 一大半的扩展的功能都与这个 Bean 有关，这是个特殊的 Bean 是一个工厂 Bean，可以产生 Bean 的 Bean，这里的产生 Bean 是指 Bean 的实例，如果一个类继承 FactoryBean 用户只要实现他的 getObject 方法，就可以自己定义产生实例对象的方法。然而在 Spring 内部这个 Bean 的实例对象是 FactoryBean，通过调用这个对象的 getObject 方法就能获取用户自定义产生的对象，从而为 Spring 提供了很好的扩展性。

如何创建 Bean 的实例对象以及如何构建 Bean 实例对象之间的关联关系式 Spring 中的一个核心关键，下面是Bean 实例创建流程图：

如果是普通的 Bean 就直接创建他的实例，是通过调用 getBean 方法。下面是创建 Bean 实例创建时序图：

还有一个非常重要的部分就是建立 Bean 对象实例之间的关系，这也是 Spring 框架的核心竞争力，何时、如何建立他们之间的关系请看下面的时序图：

Ioc 容器的扩展点

现在还有一个问题就是如何让这些 Bean 对象有一定的扩展性，就是可以加入用户的一些操作。那么有哪些扩展点呢？ Spring 又是如何调用到这些扩展点的？
对 Spring 的 Ioc 容器来说，用户可以实现这些接口中定义的方法，Spring 就会在适当的时候调用他们。主要有这么几个：

1. BeanFactoryPostProcessor：在构建 BeanFactory 时调用
2. BeanPostProcessor：构建 Bean 对象时调用
3. InitializingBean ：在 Bean 实例创建被调用
4. DisposableBean：在 Bean 销毁时被调用

还有一个是 FactoryBean 他是个特殊的 Bean，这个 Bean 可以被用户更多的控制。

这些扩展点通常也是我们使用 Spring 来完成我们特定任务的地方，如何精通 Spring 就看你有没有掌握好 Spring 有哪些扩展点，并且如何使用他们，要知道如何使用他们就必须了解他们内在的机理。可以用下面一个比喻来解释。

我们把 Ioc 容器比作一个箱子，这个箱子里有若干个球的模子，可以用这些模子来造很多种不同的球，还有一个造这些球模的机器，这个机器可以产生球模。

那么他们的对应关系就是：

1. BeanFactory 是那个造球模的机器，
2. 球模就是 Bean
3. 球模造出来的球就是 Bean 的实例。

那前面所说的几个扩展点又在什么地方呢？
4. BeanFactoryPostProcessor 对应到当造球模被造出来时，你将有机会可以对其做出适当的修正，也就是他可以帮你修改球模。
5. InitializingBean 和 DisposableBean 是在球模造球的开始和结束阶段，你可以完成一些预备和扫尾工作。
6. BeanPostProcessor 就可以让你对球模造出来的球做出适当的修正。
7. 最后还有一个 FactoryBean，它可是一个神奇的球模。这个球模不是预先就定型了，而是由你来给他确定它的形状，既然你可以确定这个球模型的形状，当然他造出来的球肯定就是你想要的球了，这样在这个箱子里你可以发现所有你想要的球。

注意：

前面的介绍了 Spring 容器的构建过程，那 Spring 能为我们做什么，Spring 的 Ioc 容器又能做什么呢？
我们使用 Spring 必须要首先构建 Ioc 容器，没有它 Spring 无法工作，ApplicatonContext.xml 就是 Ioc 容器的默认配置文件，Spring 的所有特性功能都是基于这个 Ioc 容器工作的。

参考：https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-spring-principle/