深入理解Spring IoC(控制反转)

IoC概念

IoC(Inversion of Control,控制倒转),是spring的核心,贯穿始终。所谓IoC,对于spring框架来说,就是由spring来负责控制对象的生命周期和对象间的关系。所有的类都会在spring容器中登记,告诉spring你是个什么,你需要什么,然后spring会在系统运行到适当的时候,把你要的东西主动给你,同时也把你交给其他需要你的东西。所有的类的创建、销毁都由 spring来控制,也就是说控制对象生存周期的不再是引用它的对象,而是spring。对于某个具体的对象而言,以前是它控制其他对象,现在是所有对象都被spring控制,所以这叫控制反转。

IoC 的一个重点是在系统运行中(runtime),动态的向某个对象提供它所需要的其他对象。这一点是通过DI(Dependency Injection,依赖注入)来实现的。比如对象A需要操作数据库,以前我们总是要在A中自己编写代码来获得一个Connection对象,有了 spring我们就只需要告诉spring,A中需要一个Connection,至于这个Connection怎么构造,何时构造,A不需要知道。在系统运行时,spring会在适当的时候制造一个Connection,然后像打针一样,注射到A当中,这样就完成了对各个对象之间关系的控制。A需要依赖 Connection才能正常运行,而这个Connection是由spring注入到A中的,依赖注入的名字就这么来的。那么DI是如何实现的呢? Java 1.3之后一个重要特征是反射(reflection),它允许程序在运行的时候动态的生成对象、执行对象的方法、改变对象的属性,spring就是通过反射来实现注入的。

ioc
上图可以看出,之前由客户端主动创建的行为都变为了由IoC容器进行创建。传统Java SE程序设计,我们直接在对象内部通过new进行创建对象,是程序主动去创建依赖对象;而IoC是有专门一个容器来创建这些对象,即由Ioc容器来控制对 象的创建;IoC容器控制了对象;控制什么?主要控制了外部资源获取(不只是对象包括比如文件等);传统应用程序是由我们自己在对象中主动控制去直接获取依赖对象,也就是正转;而反转则是由容器来帮忙创建及注入依赖对象;为何是反转?因为由容器帮我们查找及注入依赖对象,对象只是被动的接受依赖对象,所以是反转;哪些方面反转了?依赖对象的获取被反转了。

Spring IoC结构

Spring 启动时读取应用程序提供的Bean配置信息,并在Spring容器中生成一份相应的Bean配置注册表,然后根据这张注册表实例化Bean,装配好Bean之间的依赖关系,为上层应用提供准备就绪的运行环境。

bean

Spring 通过一个配置文件描述 Bean 及 Bean 之间的依赖关系,利用 Java 语言的反射功能实例化 Bean 并建立 Bean 之间的依赖关系。 Spring 的 IoC 容器在完成这些底层工作的基础上,还提供了 Bean 实例缓存、生命周期管理、 Bean 实例代理、事件发布、资源装载等高级服务。

BeanFactory

  • BeanDefinitionRegistry: Spring 配置文件中每一个节点元素在 Spring 容器里都通过一个 BeanDefinition 对象表示,它描述了 Bean 的配置信息。而 BeanDefinitionRegistry 接口提供了向容器手工注册 BeanDefinition 对象的方法。

  • BeanFactory 接口位于类结构树的顶端 ,它最主要的方法就是 getBean(String beanName),该方法从容器中返回特定名称的 Bean,BeanFactory 的功能通过其他的接口得到不断扩展:

  • ListableBeanFactory:该接口定义了访问容器中 Bean 基本信息的若干方法,如查看Bean 的个数、获取某一类型 Bean 的配置名、查看容器中是否包括某一 Bean 等方法;

  • HierarchicalBeanFactory:父子级联 IoC 容器的接口,子容器可以通过接口方法访问父容器; 通过 HierarchicalBeanFactory 接口, Spring 的 IoC 容器可以建立父子层级关联的容器体系,子容器可以访问父容器中的 Bean,但父容器不能访问子容器的 Bean。Spring 使用父子容器实现了很多功能,比如在 Spring MVC 中,展现层 Bean 位于一个子容器中,而业务层和持久层的 Bean 位于父容器中。这样,展现层 Bean 就可以引用业务层和持久层的 Bean,而业务层和持久层的 Bean 则看不到展现层的 Bean。

  • ConfigurableBeanFactory:是一个重要的接口,增强了 IoC 容器的可定制性,它定义了设置类装载器、属性编辑器、容器初始化后置处理器等方法;

  • AutowireCapableBeanFactory:定义了将容器中的 Bean 按某种规则(如按名字匹配、按类型匹配等)进行自动装配的方法;

  • SingletonBeanRegistry:定义了允许在运行期间向容器注册单实例 Bean 的方法;

IoC容器的初始化

ApplicationContext 由 BeanFactory 派生而来,提供了更多面向实际应用的功能。
在BeanFactory 中,很多功能需要以编程的方式实现,而在 ApplicationContext 中则可以通过配置的方式实现。
ApplicationContext

ApplicationContext 继承了 HierarchicalBeanFactory 和 ListableBeanFactory 接口,在此基础上,还通过多个其他的接口扩展了 BeanFactory 的功能:

  • ClassPathXmlApplicationContext:默认从类路径加载配置文件

  • FileSystemXmlApplicationContext:默认从文件系统中装载配置文件

  • ApplicationEventPublisher:让容器拥有发布应用上下文事件的功能,包括容器启动事件、关闭事件等。实现了 ApplicationListener 事件监听接口的 Bean 可以接收到容器事件 , 并对事件进行响应处理。在 ApplicationContext 抽象实现类AbstractApplicationContext 中,我们可以发现存在一个 ApplicationEventMulticaster,它负责保存所有监听器,以便在容器产生上下文事件时通知这些事件监听者。

  • MessageSource:为应用提供 i18n 国际化消息访问的功能;
  • ResourcePatternResolver : 所 有 ApplicationContext 实现类都实现了类似于PathMatchingResourcePatternResolver 的功能,可以通过带前缀的 Ant 风格的资源文件路径装载 Spring 的配置文件。
  • LifeCycle:该接口是 Spring 2.0 加入的,该接口提供了 start()和 stop()两个方法,主要用于控制异步处理过程。在具体使用时,该接口同时被 ApplicationContext 实现及具体 Bean 实现, ApplicationContext 会将 start/stop 的信息传递给容器中所有实现了该接口的 Bean,以达到管理和控制 JMX、任务调度等目的。
  • ConfigurableApplicationContext 扩展于 ApplicationContext,它新增加了两个主要的方法: refresh()和 close(),让 ApplicationContext 具有启动、刷新和关闭应用上下文的能力。在应用上下文关闭的情况下调用 refresh()即可启动应用上下文,在已经启动的状态下,调用 refresh()则清除缓存并重新装载配置信息,而调用close()则可关闭应用上下文。这些接口方法为容器的控制管理带来了便利,但作为开发者,我们并不需要过多关心这些方法。

Bean的生命周期

1.当调用者通过 getBean(beanName)向容器请求某一个 Bean 时,如果容器注册了org.springframework.beans.factory.config.InstantiationAwareBeanPostProcessor 接口,在实例化 Bean 之前,将调用接口的 postProcessBeforeInstantiation()方法;

2.根据配置情况调用 Bean 构造函数或工厂方法实例化 Bean;

3.如果容器注册了 InstantiationAwareBeanPostProcessor 接口,在实例化 Bean 之后,调用该接口的 postProcessAfterInstantiation()方法,可在这里对已经实例化的对象进行一些“梳妆打扮”;

4.如果 Bean 配置了属性信息,容器在这一步着手将配置值设置到 Bean 对应的属性中,不过在设置每个属性之前将先调用InstantiationAwareBeanPostProcessor 接口的postProcessPropertyValues()方法;

5.调用 Bean 的属性设置方法设置属性值;

6.如果 Bean 实现了 org.springframework.beans.factory.BeanNameAware 接口,将调用setBeanName()接口方法,将配置文件中该 Bean 对应的名称设置到 Bean 中;

7.如果 Bean 实现了 org.springframework.beans.factory.BeanFactoryAware 接口,将调用 setBeanFactory()接口方法,将 BeanFactory 容器实例设置到 Bean 中;

8.如果 BeanFactory 装配了 org.springframework.beans.factory.config.BeanPostProcessor后处理器,将调用 BeanPostProcessor 的 Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName)接口方法对 Bean 进行加工操作。其中入参 bean 是当前正在处理的 Bean,而 beanName 是当前 Bean 的配置名,返回的对象为加工处理后的 Bean。用户可以使用该方法对某些 Bean 进行特殊的处理,甚至改变 Bean 的行为, BeanPostProcessor 在 Spring 框架中占有重要的地位,为容器提供对 Bean 进行后续加工处理的切入点, Spring 容器所提供的各种“神奇功能”(如 AOP,动态代理等)都通过 BeanPostProcessor 实施;

9.如果 Bean 实现了 InitializingBean 的接口,将调用接口的 afterPropertiesSet()方法;

10.如果在通过 init-method 属性定义了初始化方法,将执行这个方法;

11.BeanPostProcessor 后处理器定义了两个方法:其一是 postProcessBeforeInitialization() 在第 8 步调用;其二是 Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName)方法,这个方法在此时调用,容器再次获得对 Bean 进行加工处理的机会;

12.如果在中指定 Bean 的作用范围为 scope=“prototype”,将 Bean 返回给调用者,调用者负责 Bean 后续生命的管理, Spring 不再管理这个 Bean 的生命周期;如果作用范围设置为 scope=“singleton”,则将 Bean 放入到 Spring IoC 容器的缓存池中,并将 Bean引用返回给调用者, Spring 继续对这些 Bean 进行后续的生命管理;

13.对于 scope=“singleton”的 Bean,当容器关闭时,将触发 Spring 对 Bean 的后续生命周期的管理工作,首先如果 Bean 实现了 DisposableBean 接口,则将调用接口的afterPropertiesSet()方法,可以在此编写释放资源、记录日志等操作;

14.对于 scope=“singleton”的 Bean,如果通过的 destroy-method 属性指定了 Bean 的销毁方法, Spring 将执行 Bean 的这个方法,完成 Bean 资源的释放等操作。

可以将这些方法大致划分为三类:

  • Bean 自身的方法:如调用 Bean 构造函数实例化 Bean,调用 Setter 设置 Bean 的属性值以及通过的 init-method 和 destroy-method 所指定的方法;

  • Bean 级生命周期接口方法:如 BeanNameAware、 BeanFactoryAware、 InitializingBean 和 DisposableBean,这些接口方法由 Bean 类直接实现;

  • 容器级生命周期接口方法:后处理器接口一般不由 Bean 本身实现,它们独立于 Bean,实现类以容器附加装置的形式注册到 Spring 容器中并通过接口反射为 Spring 容器预先识别。当Spring 容器创建任何 Bean 的时候,这些后处理器都会发生作用,所以这些后处理器的影响是全局性的。当然,用户可以通过合理地编写后处理器,让其仅对感兴趣Bean进行加工处理。

ApplicationContext 和 BeanFactory 另一个最大的不同之处在于:ApplicationContext会利用 Java 反射机制自动识别出配置文件中定义的 BeanPostProcessor、 InstantiationAwareBeanPostProcessor 和 BeanFactoryPostProcessor,并自动将它们注册到应用上下文中;而后者需要在代码中通过手工调用 addBeanPostProcessor()方法进行注册。这也是为什么在应用开发时,我们普遍使用 ApplicationContext 而很少使用 BeanFactory 的原因之一。

IOC容器工作机制

容器启动过程

web环境下Spring容器、SpringMVC容器启动过程:

  • 对于一个web应用,其部署在web容器中,web容器提供其一个全局的上下文环境,这个上下文就是ServletContext,其为后面的spring IoC容器提供宿主环境;

  • 在web.xml中会提供有contextLoaderListener(或ContextLoaderServlet)。在web容器启动时,会触发容器初始化事件,此时contextLoaderListener会监听到这个事件,其contextInitialized方法会被调用,在这个方法中,spring会初始化一个启动上下文,这个上下文被称为根上下文,即WebApplicationContext,这是一个接口类,确切的说,其实际的实现类是XmlWebApplicationContext。这个就是spring的IoC容器,其对应的Bean定义的配置由web.xml中的context-param标签指定。在这个IoC容器初始化完毕后,spring容器以WebApplicationContext.ROOTWEBAPPLICATIONCONTEXTATTRIBUTE为属性Key,将其存储到ServletContext中,便于获取;

  • contextLoaderListener监听器初始化完毕后,开始初始化web.xml中配置的Servlet,这个servlet可以配置多个,以最常见的DispatcherServlet为例(Spring MVC),这个servlet实际上是一个标准的前端控制器,用以转发、匹配、处理每个servlet请求。DispatcherServlet上下文在初始化的时候会建立自己的IoC上下文容器,用以持有spring mvc相关的bean,这个servlet自己持有的上下文默认实现类也是XmlWebApplicationContext。在建立DispatcherServlet自己的IoC上下文时,会利用WebApplicationContext.ROOTWEBAPPLICATIONCONTEXTATTRIBUTE先从ServletContext中获取之前的根上下文(即WebApplicationContext)作为自己上下文的parent上下文(即第2步中初始化的XmlWebApplicationContext作为自己的父容器)。有了这个parent上下文之后,再初始化自己持有的上下文(这个DispatcherServlet初始化自己上下文的工作在其initStrategies方法中可以看到,大概的工作就是初始化处理器映射、视图解析等)。初始化完毕后,spring以与servlet的名字相关(此处不是简单的以servlet名为Key,而是通过一些转换)的属性为属性Key,也将其存到ServletContext中,以便后续使用。这样每个servlet就持有自己的上下文,即拥有自己独立的bean空间,同时各个servlet共享相同的bean,即根上下文定义的那些bean。

Bean加载过程

Spring的高明之处在于,它使用众多接口描绘出了所有装置的蓝图,构建好Spring的骨架,继而通过继承体系层层推演,不断丰富,最终让Spring成为有血有肉的完整的框架。所以查看Spring框架的源码时,有两条清晰可见的脉络:

1)接口层描述了容器的重要组件及组件间的协作关系;

2)继承体系逐步实现组件的各项功能。

接口层清晰地勾勒出Spring框架的高层功能,框架脉络呼之欲出。有了接口层抽象的描述后,不但Spring自己可以提供具体的实现,任何第三方组织也可以提供不同实现, 可以说Spring完善的接口层使框架的扩展性得到了很好的保证。纵向继承体系的逐步扩展,分步骤地实现框架的功能,这种实现方案保证了框架功能不会堆积在某些类的身上,造成过重的代码逻辑负载,框架的复杂度被完美地分解开了。

Spring组件按其所承担的角色可以划分为两类:

1)物料组件:Resource、BeanDefinition、PropertyEditor以及最终的Bean等,它们是加工流程中被加工、被消费的组件,就像流水线上被加工的物料;

BeanDefinition:Spring通过BeanDefinition将配置文件中的配置信息转换为容器的内部表示,并将这些BeanDefinition注册到BeanDefinitionRegistry中。Spring容器的后续操作直接从BeanDefinitionRegistry中读取配置信息。

2)加工设备组件:ResourceLoader、BeanDefinitionReader、BeanFactoryPostProcessor、InstantiationStrategy以及BeanWrapper等组件像是流水线上不同环节的加工设备,对物料组件进行加工处理。

  • InstantiationStrategy:负责实例化Bean操作,相当于Java语言中new的功能,并不会参与Bean属性的配置工作。属性填充工作留待BeanWrapper完成

  • BeanWrapper:继承了PropertyAccessor和PropertyEditorRegistry接口,BeanWrapperImpl内部封装了两类组件:被封装的目标Bean和一套用于设置Bean属性的属性编辑器;具有三重身份:Bean包裹器、属性访问器、属性编辑器注册表。

  • PropertyAccessor:定义了各种访问Bean属性的方法。PropertyEditorRegistry:属性编辑器的注册表

完整Bean的作业流程

流程

1、ResourceLoader从存储介质中加载Spring配置信息,并使用Resource表示这个配置文件的资源;

2、BeanDefinitionReader读取Resource所指向的配置文件资源,然后解析配置文件。配置文件中每一个解析成一个BeanDefinition对象,并保存到BeanDefinitionRegistry中;

3、容器扫描BeanDefinitionRegistry中的BeanDefinition,使用Java的反射机制自动识别出Bean工厂后处理后器(实现BeanFactoryPostProcessor接口)的Bean,然后调用这些Bean工厂后处理器对BeanDefinitionRegistry中的BeanDefinition进行加工处理。主要完成以下两项工作:

1)对使用到占位符的元素标签进行解析,得到最终的配置值,这意味对一些半成品式的BeanDefinition对象进行加工处理并得到成品的BeanDefinition对象;

2)对BeanDefinitionRegistry中的BeanDefinition进行扫描,通过Java反射机制找出所有属性编辑器的Bean(实现java.beans.PropertyEditor接口的Bean),并自动将它们注册到Spring容器的属性编辑器注册表中(PropertyEditorRegistry);

4.Spring容器从BeanDefinitionRegistry中取出加工后的BeanDefinition,并调用InstantiationStrategy着手进行Bean实例化的工作;

5.在实例化Bean时,Spring容器使用BeanWrapper对Bean进行封装,BeanWrapper提供了很多以Java反射机制操作Bean的方法,它将结合该Bean的BeanDefinition以及容器中属性编辑器,完成Bean属性的设置工作;

6.利用容器中注册的Bean后处理器(实现BeanPostProcessor接口的Bean)对已经完成属性设置工作的Bean进行后续加工,直接装配出一个准备就绪的Bean。

总结

Spring IOC容器主要有继承体系底层的BeanFactory、高层的ApplicationContext和WebApplicationContext。Bean有自己的生命周期。
容器启动原理:Spring应用的IOC容器通过tomcat的Servlet或Listener监听启动加载;Spring MVC的容器由DispatchServlet作为入口加载;Spring容器是Spring MVC容器的父容器。
容器加载Bean原理:
BeanDefinitionReader读取Resource所指向的配置文件资源,然后解析配置文件。配置文件中每一个解析成一个BeanDefinition对象,并保存到BeanDefinitionRegistry中;
容器扫描BeanDefinitionRegistry中的BeanDefinition;调用InstantiationStrategy进行Bean实例化的工作;使用BeanWrapper完成Bean属性的设置工作;
单例Bean缓存池:Spring 在 DefaultSingletonBeanRegistry 类中提供了一个用于缓存单实例 Bean 的缓存器,它是一个用 HashMap 实现的缓存器,单实例的 Bean 以 beanName 为键保存在这个HashMap 中。

本文主要转载自Spring IOC原理总结

参考

Spring IOC原理总结

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