Spring（二）核心容器 - 簡介 、BeanFactory、ApplicationContext

目錄

• 前言
• 1、容器簡介
• 2、容器的結構
  • 2.1 BeanFactory
  • 2.2 ApplicationContext
    • 2.2.1 ConfigurableApplicationContext
    • 2.2.2 WebApplicationContext
  • 2.3 差異對比
• 3、ApplicationContext 准備啟動
• 4、總結

前言

在上篇文章中，和大家一起討論了 Spring 的整體架構，其大致分為五個模塊：核心容器、AOP、Web、Data 數據訪問、Test模塊。其中核心容器是 Spring 的核心部分，其它模塊也都依賴於該容器。這里和就大家一起深入討論 Spring 的容器，它的作用是什么、怎么實現的。

1、容器簡介

容器顧名思義就是用來裝東西的，裝的是什么？裝的是 Bean。

Bean 是 Spring 的基本單位，在基於 Spring 的 Java EE 應用中，所有的組件都被當成 Bean 處理，包括數據源、Hibernate 的 SessionFactory、事務管理器等。在 Spring 中，Bean 是一個非常廣義的概念，任何 Java 對象、Java 組件都被當成 Bean 處理。

那容器僅僅是用來保存 Bean 這么簡單么？不是。

當我們需要使用某個 Bean 時，容器會自動幫我們創建，並在適當時銷毀。還有一種情況，當某個 Bean 中需創建另一個 Bean 時，也就是 Bean 之間有依賴關系，這種依賴的 Bean 也是由容器自動創建。在外界有一個標准的名詞，前者稱呼為 IOC，也就是控制反轉，后者稱呼為 DI，也就是依賴注入。

IOC/DI

IOC (Inversion of Control) 控制反轉：所謂控制反轉，就是當我們需要某個 Bean 時，將 Bean 的名稱告知容器，由容器去創建該 Bean，而不是我們手動 new 一個，這里 Bean 創建管理的控制權都交給了容器，所以這是一種控制權的反轉。其通俗點講就是需要什么東西讓別人送過來，而不是自己去拿。

DI (Dependency Injection) 依賴注入：就是指當 A Bean 里面需創建 B Bean 時，會在創建 A Bean 的時候，自動將依賴的 B Bean 注入進去，其 B Bean 是被動接受注入而不是自己主動去找。換句話說就是指 A Bean 不是從容器中查找它依賴的 B Bean，而是在容器創建 A Bean 候主動將它依賴的 B Bean 注入給它。

IOC 和 DI 其實歸根結底實現的功能是相同的，只是同樣的功能站在不同的角度來闡述罷了，不過我們通常喜歡將這兩個概念統稱為 IOC。當然，在真實場景中，交由 Spring 容器創建的 Bean 泛指在應用程序中的表現層、業務層、持久層等各層對應的 Bean，如 Controller、Service 等；進行數據交互的模型，如 DTO、VO 等就不需交由 Spring 來創建。

所以，容器本質上可以也可以看作是 Bean 工廠，該工廠管理 Bean 的生命周期，以及 Bean 之間的依賴關系。外界也將 Spring 容器稱為 IOC 容器。當然，這里容器僅僅是 Spring 的抽象概念，代碼中將其具象化為 BeanFactory 或 ApplicationContext，容器功能也由具象化的類進行處理。

2、容器的結構

容器的實現類並不是唯一的，Spring 框架提供了多個容器的實現，這些容器分為兩套體系：一套是早期的 BeanFactory 體系；還有一套是現在常用的 ApplicationContext，也可稱為應用上下文，它繼承了 BeanFactory，它除了有 BeanFactory 的功能外
，還提供了其他服務，例如事務和 AOP 服務、國際化（il8n）的消息源以及應用程序事件處理等企業級的服務。

說到這，就不得不說 Spring 的兩種配置方式，在早期都是 XML 配置文件的方式，而現在使用的是注解配置的方式。BeanFactory 體系的容器一般用來處理 XML 配置文件的方式，而 ApplicationContext 體系則都可以處理。

2.1 BeanFactory

BeanFactory 是容器最基礎的類，它定義了容器的基本功能規范：

public interface BeanFactory {

    // 對 FactoryBean 的轉義定義，因為如果使用 bean 的名字檢索 FactoryBean 得到的對象是工廠生成的對象，
    // 如果需要得到工廠本身，需要轉義（FactoryBean 在后續會詳細介紹）
    String FACTORY_BEAN_PREFIX = "&";
    
    // 根據 bean 的名字，獲取在容器中 bean 實例
    Object getBean(String name) throws BeansException;
    
    //根據 bean 的名字和 Class 類型來得到 bean 實例，增加了類型安全驗證機制。
    <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;
    
    // 提供對 bean 的檢索，看看是否在容器有這個名字的 bean
    boolean containsBean(String name);
    
    // 根據 bean 名字，判斷這個 bean 是不是單例
    boolean isSingleton(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    
    // 根據 bean 名字，判斷這個 bean 是不是原型
    boolean isPrototype(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    
    // 根據 bean 名字，判斷是否與指定的類型匹配
    boolean isTypeMatch(String name, ResolvableType typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    boolean isTypeMatch(String name, @Nullable Class<?> typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    
    // 得到 bean 實例的 Class 類型
    Class<?> getType(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
    
    // 得到bean 的別名，如果根據別名檢索，那么其原名也會被檢索出來
    String[] getAliases(String name);
}

在 BeanFactory 里只對容器的基本行為作了定義，其根本不關心你的 Bean 是如何定義怎樣加載的。
正如我們只關心工廠里得到什么的產品對象，至於工廠是怎么生產這些對象的，這個基本的接口不關心。而要知道工廠是如何產生對象的，我們就需要看具體的容器了，也就是 BeanFactory 的子類。

BeanFactory 體系中常用的實現類有：

• ListableBeanFactory：提供容器中 bean 迭代的功能。如返回所有 Bean 的名字、容器中 Bean 的數量等。
• HierarchicalBeanFactory：提供父容器的訪問功能，可通過 ConfigurableBeanFactory 的 setParentBeanFactory 方法設置父容器。
• AutowireCapableBeanFactory：為 Spring 容器之外的 Bean ，也就是未交由 Spring 管理的 Bean ，提供依賴注入的功能。

以上三個是 BeanFactory 的直系親屬，這個三個直系親屬下面又派生了兩個復雜的容器：

• ConfigurableBeanFactory：其繼承了 HierarchicalBeanFactory 和 SingletonBeanRegistry 這兩個接口，其提供了很多方法，如：定義類加載器、類型轉化、屬性編輯器、注冊依賴 Bean 、銷毀 bean 等，且該接口被大多數的容器繼承、實現。
• ConfigurableListableBeanFactory：這個接口繼承了 ListableBeanFactory、 AutowireCapableBeanFactory、ConfigurableBeanFactory，自身主要提供用於分析和修改 bean 定義以及預先實例化單例 Bean 的方法。

最后是核心容器：

• DefaultListableBeanFactory：它實現了以上所有的接口，在 BeanFactory 體系中可以作為一個獨立的容器使用。

BeanFactory 大致的繼承關系如下：

其實以前常用的容器是 XmlBeanFactory ，它是 DefaultListableBeanFactory 的實現類，現已被廢除，原因還未找到，有知道的小伙伴，可在底下留言告知。

但我們基本不單獨使用 BeanFactory ，而是直接使用 ApplicationContext ，因為 ApplicationContext 包含了 BeanFactory。

2.2 ApplicationContext

上面說過 ApplicationContext 是 BeanFactory 子類，它不僅包含 BeanFactory 所有功能，還對其進行了擴展，而我們喜歡將 ApplicationContext 稱為應用上下文，因為容器只是它的基本功能。

public interface ApplicationContext extends EnvironmentCapable, ListableBeanFactory, HierarchicalBeanFactory,
		MessageSource, ApplicationEventPublisher, ResourcePatternResolver {

	// 返回此應用程序上下文的唯一ID
	@Nullable
	String getId();

	// 返回此上下文所屬的應用程序名稱
	String getApplicationName();

	// 返回應用上下文具像化的類名
	String getDisplayName();

	// 返回第一次加載此上下文時的時間戳
	long getStartupDate();

	// 獲取父級應用上下文
	@Nullable
	ApplicationContext getParent();

	// 將 AutowireCapableBeanFactory 接口暴露給外部使用
	AutowireCapableBeanFactory getAutowireCapableBeanFactory() throws IllegalStateException;
}

ApplicationContext 自身提供的方法非常簡單，但它繼承了六個接口，來擴展自身功能：

• EnvironmentCapable：獲取 Environment。
• ListableBeanFactory、HierarchicalBeanFactory：這是 BeanFactory 體系接口，分別提供 Bean 迭代和訪問父容器的功能。
• MessageSource：支持國際化功能。
• ApplicationEventPublisher：應用事件發布器，封裝事件發布功能的接口。
• ResourcePatternResolver：該接口繼承至 ResourceLoader ，作用是加載多個 Resource。

ApplicationContext 同樣提供了非常多的實現類，其又可細分為兩大類， ConfigurableApplicationContext 和 WebApplicationContext。

2.2.1 ConfigurableApplicationContext

該接口是比較重要的一個接口，幾乎所有的應用上下文都實現了該接口。該接口在ApplicationContext的基礎上提供了配置應用上下文的能力，此外提供了生命周期的控制能力。

public interface ConfigurableApplicationContext extends ApplicationContext, Lifecycle, Closeable {

	// 應用上下文配置時，這些符號用於分割多個配置路徑
	String CONFIG_LOCATION_DELIMITERS = ",; \t\n";

	// BeanFactory中，ConversionService類所對應的bean的名字。如果沒有此類的實例的話嗎，則使用默認的轉換規則
	String CONVERSION_SERVICE_BEAN_NAME = "conversionService";

	//LoadTimeWaver類所對應的Bean在容器中的名字。如果提供了該實例，上下文會使用臨時的 ClassLoader ，這樣，LoadTimeWaver就可以使用bean確切的類型了 
	String LOAD_TIME_WEAVER_BEAN_NAME = "loadTimeWeaver";

	// Environment 類在容器中實例的名字
	String ENVIRONMENT_BEAN_NAME = "environment";

	// System 系統變量在容器中對應的Bean的名字
	String SYSTEM_PROPERTIES_BEAN_NAME = "systemProperties";

	// System 環境變量在容器中對應的Bean的名字
	String SYSTEM_ENVIRONMENT_BEAN_NAME = "systemEnvironment";

    // 設置容器的唯一ID
	void setId(String id);

	// 設置此容器的父容器
	void setParent(@Nullable ApplicationContext parent);

	// 設置容器的 Environment 變量
	void setEnvironment(ConfigurableEnvironment environment);

	// 以 ConfigurableEnvironment 的形式返回此容器的環境變量。以使用戶更好的進行配置
	@Override
	ConfigurableEnvironment getEnvironment();

	// 此方法一般在讀取應用上下文配置的時候調用，用以向此容器中增加BeanFactoryPostProcessor。增加的Processor會在容器refresh的時候使用。
	void addBeanFactoryPostProcessor(BeanFactoryPostProcessor postProcessor);

	// 向容器增加一個 ApplicationListener，增加的 Listener 用於發布上下文事件，如 refresh 和 shutdown 等
	void addApplicationListener(ApplicationListener<?> listener);

	// 向容器中注入給定的 Protocol resolver
	void addProtocolResolver(ProtocolResolver resolver);

	// 這是初始化方法，因此如果調用此方法失敗的情況下，要將其已經創建的 Bean 銷毀。
    // 換句話說，調用此方法以后，要么所有的Bean都實例化好了，要么就一個都沒有實例化
	void refresh() throws BeansException, IllegalStateException;

	// 向JVM注冊一個回調函數，用以在JVM關閉時，銷毀此應用上下文
	void registerShutdownHook();

	// 關閉此應用上下文，釋放其所占有的所有資源和鎖。並銷毀其所有創建好的 singleton Beans
	@Override
	void close();

	// 檢測此 FactoryBean 是否被啟動過
	boolean isActive();

	// 返回此應用上下文的容器。
	// 千萬不要使用此方法來對 BeanFactory 生成的 Bean 做后置處理，因為單例 Bean 在此之前已經生成。
    // 這種情況下應該使用 BeanFactoryPostProcessor 來在 Bean 生成之前對其進行處理
	ConfigurableListableBeanFactory getBeanFactory() throws IllegalStateException;
}

該接口下又有幾個重要的實現類：

• AbstractApplicationContext：這是個抽象類，僅實現了公共的上下文特性。這個抽象類使用了模板方法設計模式，需要具體的實現類去實現這些抽象的方法。
• GenericApplicationContext：該類繼承自 AbstractApplicationContext，是為通用目的設計的，它能加載各種配置文件，例如 xml，properties 等等。它的內部持有一個 DefaultListableBeanFactory 的實例，實現了 BeanDefinitionRegistry 接口，以便允許向其應用任何 bean 的定義的讀取器。
• AnnotationConfigApplicationContext：該類繼承自 GenericApplicationContext ，提供了注解配置（例如：@Configuration、@Component等）和類路徑掃描（scan方法）的支持。

2.2.2 WebApplicationContext

該接口是專門為 Web 應用准備的，其允許從相對於 Web 根目錄的路徑中裝載配置文件完成初始化。

public interface WebApplicationContext extends ApplicationContext {

	// 整個 Web 應用上下文是作為屬性放置在 ServletContext 中的，該常量就是應用上下文在 ServletContext 屬性列表中的 key
	String ROOT_WEB_APPLICATION_CONTEXT_ATTRIBUTE = WebApplicationContext.class.getName() + ".ROOT";

	// 定義了三個作用域的名稱
	String SCOPE_REQUEST = "request";
	String SCOPE_SESSION = "session";
	String SCOPE_APPLICATION = "application";

	// 在工廠中的 bean 名稱
	String SERVLET_CONTEXT_BEAN_NAME = "servletContext";

	// ServletContext 初始化參數名稱
	String CONTEXT_PARAMETERS_BEAN_NAME = "contextParameters";

	// 在工廠中 ServletContext 屬性值環境bean的名稱
	String CONTEXT_ATTRIBUTES_BEAN_NAME = "contextAttributes";

	// 用來獲取 ServletContext 對象
	@Nullable
	ServletContext getServletContext();
}

該接口的核心實現類有：

• ConfigurableWebApplicationContext：該接口同時繼承了 WebApplicationContext 和 ConfigurableApplicationContext，提供了 Web 應用上下文的可配置的能力。
• GenericWebApplicationContext：該類繼承自 GenericApplicationContext，實現了 ConfigurableWebApplicationContext。
• XmlWebApplicationContext：該上下文是使用 Xml 配置文件的方式，不過是在 Web 環境中使用的。
• AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext：該類是被 SpringBoot 擴展而來的，SpringBoot 使用的就是該上下文。

2.3 差異對比

從上面可以看出 BeanFactory 是 Sping 框架的基礎接口，一般是面向 Spring 本身；而 ApplicationContext 是以 BeanFactory 為基礎進行綜合能力擴展，用於滿足大型業務應用的創建， ApplicationContext 一般面向使用 Sping 框架的開發者。幾乎所有的應用場合我們都是直接使用 ApplicationContet 而非底層的 BeanFactory。

下表列出了BeanFactory 和 ApplicationContext 接口和實現所提供的功能：

功能 / 特點	BeanFactory	ApplicationContext
Bean 實例化/裝配	有	有
BeanPostProcessor 自動注冊	沒有	有
BeanFactoryPostProcessor 自動注冊	沒有	有
MessageSource 便捷訪問（針對i18n）	沒有	有
ApplicationEvent 發布	沒有	有

兩者還有一個區別是：

• ApplicationContext 在容器啟動時，一次性創建了所有的 Bean。
• BeanFactory 在容器啟動時，並未創建 Bean，直到第一次訪問某個 Bean 時才創建目標 Bean。

3、ApplicationContext 准備啟動

在真實環境中，一般通過集成 SSM 或者 SpringBoot 來自動創建 ApplicationContext。

先從 SSM 開始

1、在 web.xml 配置監聽器

<!-- spring監聽器 -->
<listener>
    <listener-class>org.springframework.web.context.ContextLoaderListener</listener-class>
</listener>

2、容器啟動時會調用 ContextLoaderListener 中的 contextInitialized 方法。

public class ContextLoaderListener extends ContextLoader implements ServletContextListener {
    
    ...
    
    @Override
	public void contextInitialized(ServletContextEvent event) {
		initWebApplicationContext(event.getServletContext());
	}
	
	...
}

3、調用父類的 initWebApplicationContext 方法，在該方法中創建、啟動上下文。

public class ContextLoader {
    
    ...
    
    public WebApplicationContext initWebApplicationContext(ServletContext servletContext) {
		
		...

		try {
			
			if (this.context == null) {
			
			    // 通過 createWebApplicationContext 方法創建上下文，默認創建 XmlWebApplicationContext
				this.context = createWebApplicationContext(servletContext);
			}
			if (this.context instanceof ConfigurableWebApplicationContext) {
				ConfigurableWebApplicationContext cwac = (ConfigurableWebApplicationContext) this.context;
				if (!cwac.isActive()) {
					
					...
					// 在該方法中調用上下文的 refresh 方法，refresh 就是啟動上下文的入口
					configureAndRefreshWebApplicationContext(cwac, servletContext);
				}
			}
			...
		}
		...
	}
    ...
    
    protected void configureAndRefreshWebApplicationContext(ConfigurableWebApplicationContext wac, ServletContext sc) {
	    
	    ...	
		
		wac.refresh();
	}
    
    ...
}

SpringBoot 啟動 ApplicationContext

1、從啟動類開始

@SpringBootApplication
public class DiveInSpringBootApplication {
	public static void main(String[] args) {
		SpringApplication.run(DiveInSpringBootApplication.class, args);
	}
}

2、找到 SpringApplication 中，最后重載的 run 方法

public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {
    
    ...
    
    ConfigurableApplicationContext context = null;
    
    ...
    
    try {
        ...
        // 通過 createApplicationContext 方法創建上下文，根據 Web 環境不同創建的上下文也不同
        context = createApplicationContext();
    
        ...
        // 該方法用於啟動上下文
        refreshContext(context);
        ...
    
    }
    catch (Throwable ex) {
        ...
    }
    
    context = createApplicationContext();
    
    ...
}

3、進入 refreshContext 方法，里面調用了 refresh 方法

private void refreshContext(ConfigurableApplicationContext context) {
	refresh(context);
	if (this.registerShutdownHook) {
		try {
			context.registerShutdownHook();
		}
		catch (AccessControlException ex) {
			// Not allowed in some environments.
		}
	}
}

4、這里，最終也是調用 ApplicationContext 的 refresh 方法來啟動上下文

protected void refresh(ApplicationContext applicationContext) {
	Assert.isInstanceOf(AbstractApplicationContext.class, applicationContext);
	((AbstractApplicationContext) applicationContext).refresh();
}

注：這里主要討論容器的創建和啟動部分，所以省略了其他部分的代碼。其中 SpringBoot 啟動上下文在前幾篇 《SpringBoot系列》文章有詳細介紹，感興趣的伙伴可自行查閱

可以看到雖然 SSM 和 SpringBoot 的上下文對象不同，但最終都是調用上下文中的 refresh 方法來啟動。該方法是 ApplicationContext 的核心，如 Bean 注冊、注入、解析 XML 、解析注解等是從該方法開始，其內部實現大致如下：

public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
    synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
        // 1. 初始化 refresh 的上下文環境，就是記錄下容器的啟動時間、標記已啟動狀態、處理配置文件中的占位符
        prepareRefresh();

        // 2. 初始化 BeanFactory，加載並解析配置
        ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = this.obtainFreshBeanFactory();

        /* ---至此，已經完成了簡單容器的所有功能，下面開始對簡單容器進行增強--- */

        // 3. 對 BeanFactory 進行功能增強，如設置BeanFactory的類加載器，添加幾個 BeanPostProcessor，手動注冊幾個特殊的 bean
        prepareBeanFactory(beanFactory);

        try {
            // 4. 后置處理 beanFactory，交由子類實現
            postProcessBeanFactory(beanFactory);

            // 5. 調用已注冊的 BeanFactoryPostProcessor
            invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);

            // 6. 注冊 BeanPostProcessor，僅僅是注冊，調用在getBean的時候
            registerBeanPostProcessors(beanFactory);

            // 7. 初始化國際化資源
            initMessageSource();

            // 8. 初始化事件廣播器
            initApplicationEventMulticaster();

            // 9. 留給子類實現的模板方法
            onRefresh();

            // 10. 注冊事件監聽器
            registerListeners();

            // 11. 實例化所有非延遲加載的單例
            finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

            // 12. 完成刷新過程，發布應用事件
            finishRefresh();
            
        } catch (BeansException ex) {
            if (logger.isWarnEnabled()) {
                logger.warn("Exception encountered during context initialization - cancelling refresh attempt: " + ex);
            }
            
            // 13.銷毀已經初始化的 singleton 的 Beans，以免有些 bean 會一直占用資源
            this.destroyBeans();
            
            // Reset 'active' flag.
            this.cancelRefresh(ex);
            // Propagate exception to caller.
            throw ex;
        } finally {
            // Reset common introspection caches in Spring's core, since we
            // might not ever need metadata for singleton beans anymore...
            this.resetCommonCaches();
        }
    }
}

接下來的文章，將對 refresh 方法中的各部分進行詳細討論。

4、總結

最后來做個整體的總結。文章從 Spring 的整體架構開始討論，整體分為五個模塊：核心容器、AOP、Web、Data 數據訪問、Test模塊，而核心容器又是 Spring 的基礎。容器的作用是什么？提供 IOC/DI 功能；怎么實現的？其核心是 BeanFactory 和 ApplicationContext ，一般使用 ApplicationContext ，其包含了 BeanFactory 的所有功能，並對其進行擴展。在 SSM 和 SpringBoot 中自動創建 ApplicationContext 並調用它的 refresh 方法進行啟動，它的 refresh 就是實現容器一系列功能的入口。

以上就是本章內容，如果文章中有錯誤或者需要補充的請及時提出，本人感激不盡。

參考：

https://www.cnblogs.com/09120912zhang/p/7746252.html
https://docs.spring.io/spring/docs/5.2.3.RELEASE/spring-framework-reference/core.html#context-introduction
https://www.jianshu.com/p/2854d8984dfc
https://blog.csdn.net/baidu_36327010/article/details/87983262
https://www.cnblogs.com/zhangfengxian/p/11192054.html
https://www.cnblogs.com/sharpest/p/10885820.html