Spring IoC(一)IoC容器的设计与实现：BeanFactory与ApplicationContext

阳光穿透心脏的1/2处 2022-05-31 01:53 224阅读 0赞

在写BeanFactory与ApplicationContext 之前，我想先简单聊一聊Spring IoC 容器，希望能给大家一个参考。如果你对这反面的知识比较了解，可以直接跳过。

## (一)Spring IoC 容器概述 ##

### 1.1IOC & DI ###

控制反转(Inversion of Control)：其思想是反转资源获取的方向。 传统的资源查找方式要求组件向容器发起请求查找资源。 作为回应, 容器适时的返回资源。  
而应用了 IOC 之后, 则是容器主动地将资源推送给它所管理的组件, 组件所要做的仅是选择一种合适的方式来接受资源。 这种行为也被称为查找的被动形式。  
如果要确定是哪些方面被反转了，结论是：依赖对象的获得被反转了。  
它包括依赖注入（Dependency Injection）和依赖查找（Dependency Lookup）。

依赖注入(Dependency Injection) ： IOC 的另一种表述方式。即组件以一些预先定义好的方式接受来自如容器的资源注入。 相对于 IOC 而言，这种表述更直接。

### 1.2IoC 容器的优点 ###

在Spring 中，IoC容器是实现控制反转这个理念的载体，它可以在对象生成或初始化时直接将数据注入到对象中。这种依赖注入可以是递归进行的，对象被逐层注入。IoC 容器把对象的依赖关系有序的建立起来，简化了对象依赖关系的管理，在很大程度上简化了面向对象系统的复杂性。

通过使用IoC 容器，对象依赖关系的管理被反转了，被反转到IoC 容器中，对象之间的相互依赖关系由IoC 容器管理，并由IoC 容器完成对象的注入。这在很大程度上简化了应用的开发，把对象从复杂的对象依赖关系解放出来。

IoC 容器可以把资源的获取方向反转，让IoC 容器主动管理这些依赖关系，将这些关系注入到组件中，可以使依赖关系的适配和管理变得更加灵活。

如果合作对象的引用或依赖关系的管理由具体对象来完成，会导致代码的高度耦合和可测试性降低，这对复杂的面向对象系统的设计是非常不利的。有了IoC 容器之后，这些依赖关系可以通过把对象的依赖注入交给框架或者IoC 容器来完成，这种从具体对象手中交出控制的做法是非常有价值的，它可以在解耦代码的同时提高代码的可测试性。

## (二)BeanFactory与 ApplicationContext ##

### 2.1IoC 容器系列 ###

在Spring IoC 容器的设计中，有两个主要的容器系列，一个是实现BeanFactory 接口的简单容器系列，这系列容器只实现的容器的基本功能；另一个是ApplicationContext 应用上下文，它作为容器的高级系列而存在。应用上下文在简单容器的基础上，增加了许多面向框架的特性，同时对应用环境做了许多适配。有了这两种基本的容器系列，基本上就可以满足用户对IoC 容器使用的大部分需求了。

我们可以在代码的角度来查看一下这些容器的设计情况。  
![这里写图片描述][SouthEast]  
通过继承结构我们可以发现BeanFactory 是作为一个最基本的接口类存在于Spring IoC 容器体系中的。这个继承结构图可以作为参考，下面主要介绍BeanFactory与 ApplicationContext。

### 2.2BeanFactory ###

#### 2.2.1BeanFactory 应用场景 ####

BeanFactory 提供了最基本的IoC 容器的实现，关于这些功能的定义，如下：  
![这里写图片描述][SouthEast 1]  
BeanFactory 接口定义了IoC 容器的最基本形式，并且提供了IoC 容器所应该遵守的最基本的服务契约。同时，这也是IoC 容器所应该遵守的最底层和最基本的编程规范，勾勒出了最基本的IoC 容器轮廓。很显然BeanFactory 只是一个接口，所以并没有给出方法的实现。其中DefaultListableBeanFactory、XmlBeanFactory 和ApplicationContext都可以看作是容器体系中的具体容器产品。在Spring 中，所有的Bean 都是由BeanFactory 来进行管理的。

BeanFactory 中设计了getBean() 方法，这个方法是IoC 容器API 的主要方法，通过这个方法，可以获取到由IoC 容器所管理的Bean。通过上面的图我们可以知道，BeanFactory 支持多种方式获取Bean。下面来具体了解一下其中一些方法的作用。

*  containsBean() ：可以让用户判断容器中是否含有指定名字的Bean。
 *  isSingleton() ：查询指定名字的Bean 是不是单例的。默认情况下，Spring IoC 容器中的Bean 是单例的。用户可以在BeanDefinition 中指定。
 *  isPrototype()：查询指定名字的Bean 是不是原型的。与isSingleton() 方法类似。
 *  isTypeMatch()：用来查询指定名字的Bean 的Class 类型是否是特定的Class 类型。
 *  getType()：获取指定名字的Bean 的Class 类型。
 *  getAliases()：获取指定名字的Bean 的所有别名。这些别名可以在BeanDefinition 定义。

这些定义的接口方法规划了IoC 容器的基本特征。BeanFactory 允许使用不同的方式来检索Bean，从而将以前用户自己创建与管理Bean 的方式中解放出来。这些检索方法是Spring IoC 容器的最基本的入口。

#### 2.2.2BeanFactory 容器的设计原理 ####

BeanFactory 接口提供了使用IoC 容器的规范。在这基础上，Spring 还提供了一些符合这个容器接口的具体实现。这里以XMLBeanFactory 为例(现在这个类已经被废弃了)来简单说明IoC 容器的设计原理。下面是这个类的部分继承结构。  
![这里写图片描述][SouthEast 2]  
XMLBeanFactory 作为IoC 容器最底层的实现，与ApplicationContext 相比有明显的特点：它只提供最基本的IoC 容器的功能。我们可以把BeanFactory 实现时IoC 容器的基本形式，而各种ApplicationContext 的实现是IoC 容器的高级变现形式。接下来就从XMLBeanFactory 入手来简要分析IoC 容器是如何实现的。下面是去掉注释后的XMLBeanFactory 底层源码。

public class XmlBeanFactory extends DefaultListableBeanFactory { 
    
        private final XmlBeanDefinitionReader reader = new XmlBeanDefinitionReader(this);
    
        public XmlBeanFactory(Resource resource) throws BeansException {
            this(resource, null);
        }
    
        public XmlBeanFactory(Resource resource, BeanFactory parentBeanFactory) throws BeansException {
            super(parentBeanFactory);
            this.reader.loadBeanDefinitions(resource);
        }
    }

XMLBeanFactory 继承自DefaultListableBeanFactory ，后者这个类非常重要，是经常可以用到的一个IoC 容器的实现。DefaultListableBeanFactory 这个包含了基本IoC 容器所具有的的重要功能，也是很多IoC 容器系列都会用到的一个基本IoC 产品。比如在ApplicationContext 中就会用到它。实现涉及到了1000多行代码，有很多的方法，这里不方便贴出，有兴趣的话大家可以自己查看。

在Spring 中实际上把DefaultListableBeanFactory 作为一个默认的功能完整的IoC 容器来使用。XMLBeanFactory 在继承了DefaultListableBeanFactory 的同时，扩展了其中的方法。由它的名字我们可以看出，XMLBeanFactory 是一个与XML 文件相关的BeanFactory。

这个类是如何读取XML 的呢？其实，对于XML 文件的信息的读取并不是由XMLBeanFactory 直接完成的。在上面的源码中，可以看出在XMLBeanFactory 中定义并初始化了一个XmlBeanDefinitionReader 对象，有了这个reader 对象，那些以XML 方式定义的BeanDefinition 就有了处理的地方。实际上，对于XML 形式的信息处理是由XmlBeanDefinitionReader 来完成的。

在XMLBeanFactory 构造函数中，需要指定BeanDefinition 的信息来源。Resource 是Spring 用来封装I/O 操作的接口，由其具体的实现类来加载XML 文件，从而来完成Bean 的初始化与依赖注入过程。下面是Resource 相关的继承结构图。  
![这里写图片描述][SouthEast 3]

XMLBeanFactory 的功能是建立在DefaultListableBeanFactory 类基础上的，并在这个基本容器的基础上实现了一些关于XML 文件的操作。XMLBeanFactory 中的源码很好理解：在XMLBeanFactory 的构造函数中得到需要的Resource 对象对XmlBeanDefinitionReader 对象初始化，以及使用这个对象来完成loadBeanDefinitions() 方法的调用，loadBeanDefinitions() 同时也是IoC 容器初始化的重要组成部分。

通过对过程的分析，我们就可以总结一下IoC 容器的使用过程(这里通过代码的方式总结)，这个过程可以参考上面的XmlBeanFactory 源码实现。

ClassPathResource res = new ClassPathResource("bean.xml");
    DefaultListableBeanFactory factory = new DefaultListableBeanFactory();
    XmlBeanDefinitionReader reader = new XmlBeanDefinitionReader(factory);
    reader.loadBeanDefinitions(res);

过程分析：

1.  创建IoC 配置文件的抽象信息，这个抽象资源包含了BeadDefinition 的定义信息。
2.  创建一个BeanFactory，这里以DefaultListableBeanFactory 为例。
3.  创建一个BeadDefinition 的读取器，通过一个回调配置给BeanFactory。
4.  从定义好的资源位置读取配置信息，具体的解析过程由XmlBeanDefinitionReader 对象来完成。在完成载入和注册Bean之后，需要的IoC 容器就建立起来了。这时候就可以直接使用了。

### 2.3ApplicationContext ###

#### 2.3.1ApplicationContext 应用场景 ####

在Spring 中，系统已经为用户提供了定义好的容器的实现，从而简化我们的开发。相比那些简单扩展BeanFactory 的基本IoC 容器，我们常用的是AppliCationContext，它除了提供了前面介绍的基本IoC 容器功能外，还提供了一些附加功能，因此让用户更方便的使用。下面是ApplicationContext 接口关系图。  
![这里写图片描述][SouthEast 4]  
有些接口为ApplicationContext 提供了一些BeanFactory 所不具备的新特性。

*  支持不同的信息源。ApplicationContext 扩展了MessageResource 接口，这些信息源的功能可以支持国际化的实现。
 *  访问资源。这一特性体验在Resource 与ResourceLoader 上，这样一来，我们可以从不同的地方得到Bean 定义资源。
 *  支持应用事件。继承了接口ApplicationEventPublisher，从而在上下文中引入了事件机制。这些事件和Bean 的生命周期的结合为Bean 的管理提供了便利。
 *  在ApplicationContext 中提供的附加服务。这些服务使得基本的IoC 容器的基本功能更加丰富。

#### 2.3.2ApplicationContext 容器的设计原理 ####

在ApplicationContext 容器中，这里以FileSystemXmlApplicationContext 的实现原理来说明ApplicationContext 容器的设计原理。下面是FileSystemXmlApplicationContext 的继承结构。  
![这里写图片描述][SouthEast 5]

FileSystemXmlApplicationContext 继承自AbstractXmlApplicationContext，AbstractXmlApplicationContext 中实现了FileSystemXmlApplicationContext 的大部分功能。在FileSystemXmlApplicationContext 中，作为一个具体的应用上下文，只需要实现和它自身相关的两个功能。

一个功能是，在实例化FileSystemXmlApplicationContext 时，启动IoC 容器的refresh() 过程。主要相关代码如下：

public FileSystemXmlApplicationContext(String[] configLocations, boolean refresh, ApplicationContext parent)
                throws BeansException {
    
            super(parent);
            setConfigLocations(configLocations);
            if (refresh) {
                refresh();
            }
        }

这个refresh() 过程会涉及到IoC 容器启动时的一系列复杂操作，同时对于不同的容器的实现，这些操作都是类似的，因此在基类中将它们封装好。所以这里只简单分析一下其调用过程。关于refresh() 在IoC 容器中的具体实现，会在后面的博文中讲述。

另一个功能是FileSystemXmlApplicationContext 设计的相关功能，这个功能决定怎样从文件系统中加载XML 的Bean 资源。下面是相关源码：

@Override
        protected Resource getResourceByPath(String path) {
            if (path != null && path.startsWith("/")) {
                path = path.substring(1);
            }
            return new FileSystemResource(path);
        }

通过这个过程，可以为文件系统中以XML 文件形式存在的BneaDefinition 做准备。从而通过这个方法，得到FileSystemXmlApplicationContext 的资源定位。

参考资料  
《Spring 技术内幕》

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[SouthEast 1]: /images/20220531/cf45bd1318324108963276c80083ac67.png
[SouthEast 2]: /images/20220531/6b2994c3e6454a47833d9c036bdc6af7.png
[SouthEast 3]: /images/20220531/640e8f8864be4b8eb6fd18dbae99220b.png
[SouthEast 4]: /images/20220531/01b1b67eb8be43a28b94a5527e403136.png
[SouthEast 5]: /images/20220531/1b77d172468e4584ae0f178af30a5bc1.png