Spring3.X学习笔记-IoC容器概述

蔚落 2022-06-06 03:24 233阅读 0赞

> 2017即将接近尾声，每当年末的时候总要检查下今年还有什么事情没做，结果却发现今年好像也没做多少事情。于是就想着把之前一直想梳理的Spring知识，趁着年末好好整理下。本系列笔记基于”Spring3.x企业应用开发实战“一书，说来惭愧，书买了好多年了也没认真的看一遍，于是就有了这个想法，算是2017年的最后给自己的一份交代。

**在开始之前，先简要介绍下Spring吧！**

Spring是分层的Java SE/EE应用一站式的轻量级开源框架，由Rod Johnson创建，以IoC和AOP为内核，提供了展现层Spring MVC和持久层Spring JDBC以及业务层事务管理等众多企业级应用技术，并以海纳百川的胸怀整合了开源世界里众多的企业级应用技术，逐渐成为使用最多的Java EE企业应用开发框架。

### 1、IoC概述 ###

#### 1.1 IoC的概念 ####

IoC（控制反转：Inverse of Control）是一个重要的面向对象编程理论，Spring核心模块实现了IoC的功能。Spring中的其他模块，像AOP、声明式事务等功能都是建立在IoC的基础之上，它将类和类之间的依赖从代码中脱离出来，用配置的方式进行依赖关系描述，由IoC容器负责依赖类之间的创建、拼接、管理、获取等工作。一般来说IoC的概念有两种表示方式，一个叫**控制反转**，一个叫**依赖注入**。由于控制反转并不好理解，业界也曾进行广泛的讨论，最终软件界的泰斗级人物Martin Folwer提出了DI（依赖注入：Dependency Injection）的概念用以代替IoC。

> **控制反转**：对于软件来说，即某一接口具体实现类的选择控制权从调用类中移除，转交给第三方决定。
> 
> **依赖注入**：调用类对某一接口实现类的依赖关系由第三方（容器或协作类）注入，以移除调用类对某一接口实现类的依赖。

上面两个概念第一次接触的时候，你会发现都不太好理解，那是因为还不清楚IoC的实现机制，随着对IoC了解的深入，你会发现`依赖注入`的概念直接明了。

#### 1.2 IoC的类型 ####

从注入方法上看，主要可以划分为三种类型：构造函数注入、属性注入和接口注入。Spring支持构造函数注入和属性注入。

*  **构造函数注入**: 在构造函数注入中，我们通过调用类的构造函数，将接口实现类通过构造函数变量传入。
 *  **属性注入**: 属性注入是指通过Setter方法完成调用类所需依赖的注入。
 *  **接口注入**: 将调用类所有依赖注入的方法抽取到一个接口中，调用类通过实现该接口提供相应的注入方法。

由于通过接口注入需要额外声明一个接口，增加了类的数目，而且它的效果和属性注入并无本质区别，所以不提倡采用这种方式。

### 2、IoC的底层实现原理 ###

Spring的核心模块实现了IoC的功能，它通过配置文件或注解描述类和类之间的依赖关系，自动完成类的初始化和依赖注入的工作。让开发者们从底层实现类的实例化、依赖关系装配等工作中脱离出来，专注于更有意义的业务逻辑开发工作。这种“神奇”的力量归功于Java语言本身的类反射功能。

#### 2.1 Java反射知识 ####

Java语言允许通过程序化的方式间接对Class的对象实例操作，Class文件由类装载器装载后，在JVM中将形成一份描述CLass结构的元信息对象，通过该元信息对象可以获知Class的结构信息：如构造函数、属性和方法等。Java允许用户借由这个Class相关的元信息对象间接调用Class对象的功能，这就为使用程序化方式操作Class对象开辟了途径。下面先看一个例子：

public class Car { 
        private String brand;
        private String color;
        private int maxSpeed;
    
        public Car() {}
    
        public Car(String brand, String color, int maxSpeed) {
            this.brand = brand;
            this.color = color;
            this.maxSpeed = maxSpeed;
        }
    
        public void introduce() {
            System.out.println("brand:" + brand + ";color:" + color + ";maxSpeed:" + maxSpeed);
        }
    
        // 省略参数的getter/Setter方法
    }
    
    public class ReflectTest { 
    
        public static Car initByDefaultConst() throws Throwable {
            // 通过类装载器获取Car类对象
            ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            Class<?> clazz = loader.loadClass("com.hhxs.bbt.web.Car");
            // 获取类的默认构造器对象并通过它实例化Car
            Constructor<?> cons = clazz.getDeclaredConstructor((Class[]) null);
            Car car = (Car) cons.newInstance();
            // 通过反射方法设置属性
            Method setBrand = clazz.getMethod("setBrand", String.class);
            setBrand.invoke(car, "红旗CA72");
            Method setColor = clazz.getMethod("setColor", String.class);
            setColor.invoke(car, "黑色");
            Method setMaxSpeed = clazz.getMethod("setMaxSpeed", int.class);
            setMaxSpeed.invoke(car, 200);
            return car;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Throwable {
            Car car1 = initByDefaultConst();
            car1.introduce();
        }
    }

通过查看运行结果，可以看到这和直接通过构造函数和方法调用类功能的效果是一致的，只不过前者是间接调用，后者是直接调用罢了。这说明我们完全可以通过编程方式调用Class的各项功能。如果我们将这些信息以一个配置文件的方式提供，就可以使用Java语言的反射功能编写一段通用代码对类似于Car的类进行实例化及功能调用操作了。有没有感觉这和上面提到的Spring框架的实现机制很相似，Spring正是基于Java语言自带的反射机制实现了IoC的功能。

**下面简要介绍下上述例子用到得三个主要反射类，这些反射对象类在`java.reflect`包中定义:**

*  **Constructor**: 类的构造函数反射类，通过Class\#getConstructors()方法可以获得类的所有构造函数反射对象数组。Constructor的一个主要方法是newInstance(Object\[\]… initargs)，通过该方法可以创建一个对象类的实例，相当`new`关键字。
 *  **Method**: 类方法的反射类，通过Class\#getDeclaredMethods()方法可以获取类的所有方法发射类对象数组Method\[\]。Method最主要的方法是invoke(Object obj, Objcet… args)，obj表示操作的目标对象，args为方法入参。
 *  **Field**: 类的成员变量反射类，通过Class\#getDeclaredFields()方法可以获取类的成员变量反射对象数组。Filed类最主要的方法是set(Object obj, Object value)，obj表示操作的目标对象，通过value为目标类对象的成员变量设置值。

此外，Java还为包提供了Package反射类，在JDK5.0中还未注解提供了AnnotatedElement反射类。总之，Java的反射体系保证了可以通过程序化的方式访问目标类中的所有元素，对于private或protected的成员变量和方法，只要JVM的安全机制允许，也可以通过反射进行调用`setAccessible(boolean access)`。

### 3、三个核心接口 ###

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、声明周期管理、Bean实例代理、事件发布、资源装载等高级服务。

#### 3.1 BeanFactory ####

Bean工厂(com.springframework.beans.factory.BeanFactory)是Spring框架最核心的接口，它提供了高级IoC的配置机制。BeanFactory使管理不同不同类型的Java对象成为可能，一般称BeanFactory为IoC容器。BeanFactory是类的通用工厂，它可以创建并管理各种类的对象，Spring称这些被创建和管理的Java对象为Bean。Bean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。下面看一个小例子:

// spring文件
    <?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
    <beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
        xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:p="http://www.springframework.org/schema/p"
        xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans-3.0.xsd">
        <bean id="car" class="com.hhxs.bbt.web.Car"
            p:brand="红旗CA72"
            p:color="黑色"
            p:maxSpeed="200" />
    </beans>
    
    // JAVA代码
    public class BeanFactoryTest { 
        public static void main(String[] args) throws Throwable{
           ResourcePatternResolver resolver = new PathMatchingResourcePatternResolver();
           Resource res = resolver.getResource("classpath:spring/beans.xml");
           System.out.println(res.getURL());
           BeanFactory bf = new XmlBeanFactory(res);
           System.out.println("init BeanFactory.");
    
           Car car = bf.getBean("car",Car.class);
           System.out.println("car bean is ready for use!");
           car.introduce();
        }
    }

**注意：** *通过BeanFactory启动IoC容器时，并不会初始化配置文件中定义的Bean，初始化动作发生在第一次调用时。对于单实例的Bean来说，BeanFactory会缓存Bean实例，所以第二次使用getBean()获取Bean时将直接从IoC容器的缓存中获取Bean实例。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。*

#### 3.2 ApplicationContext ####

应用上下文(com.springframework.context.ApplicationContext)建立在BeanFactory基础之上，提供了更多面向应用的功能，它提供了国际化支持和框架事件体系，更易于创建实际应用。一般称ApplicationContext为应用上下文或者Spring容器。

ApplicationContext的主要实现类是ClassPathXmlApplicationContext和FileSystemXmlApplicationContext，前者默认从类路径中加载配置文件，后者默认从文件系统中装载配置文件。

ApplicationContext ctx = new ClassPathXmlApplicationContext("spring/beans.xml");    
    //或者
    ApplicationContext ctx = new FileSystemXmlApplicationContext("spring/beans.xml");

在获取ApplicationContext实例后，就可以像BeanFactory一样调用getBean(beanName)返回Bean了。**需要注意的是**：*ApplicationContext在初始化应用上下文时就实例化所有单实例的Bean。*因此，相比BeanFactory，初始化时间也会相对较长些，不过之后的调用就不在有“第一次惩罚”的问题。

#### 3.3 WebApplicationContext ####

WebApplicationContext是专门为Web应用准备的，它允许应用从相对于Web根目录的路径中装载配置文件完成初始化工作。从WebApplicationContext中可以获得ServletContext的引用，整个Web应用上下文对象将作为属性放置到ServletContext中，以便Web应用环境可以访问Spring应用上下文。  
  
![Spring与Wen应用的上下文融合][Spring_Wen]  
  
WebApplicationContext的初始化方式和BeanFactory、ApplicationContext有所区别，因为WebApplicationContext需要ServletContext实例，也就是说它必须在拥有Web容器的前提下才能完成启动的工作。有过Web开发经验的读者都知道可以在web.xml中配置自启动的Servlet(spring3.0及以后版本中已经删除)或定义Web容器监听器（ServletContextListener），借助这两者中的任何一个都可以完成启动Spring Web应用上下文的工作。  
  
**通过web容器监听器启动：**`web.xml`

<context-param>
      <param-name>contextConfigLocation</param-name>
      <param-value>
        classpath:/spring/spring-context.xml
      </param-value>
    </context-param>
    
    
    <listener>
      <listener-class>org.springframework.web.context.ContextLoaderListener</listener-class>
    </listener>

### 4、Bean的生命周期 ###

#### 4.1 BeanFactory中Bean的生命周期 ####

我们知道Web容器中的Servlet拥有明确的生命周期，Spring容器中的Bean也拥有相似的生命周期。我们可以从两个层面定义Bean的生命周期：第一个层面是Bean的作用范围；第二个层面是实例化Bean时所经历的一系列阶段。  
  
![BeanFactory中Bean的生命周期][BeanFactory_Bean]  
  
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postProcessAfterInstantiationn()方法，可以在这里对已经实例化的对象进行处理。  
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值之前先调用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.bean.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 postProcessBeforeInstantiation(Object bean, Stringn 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。**BeanPostProcessor在Spring框架中占有重要的地位，为容器提供duiBean进行后续架构处理的切入点，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，将调用该接口的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后处理定义了两个方法：其一时postProcessBeforeInstantiation()在第8步调用；其二是Object postProcessAfterInstantiationn(Object bean, String beanName)方法，这个方法在此时调用，容器中再次获得对Bean进行加工处理的机会。  
12. 如果在中指定Bean的作用范围是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。  
  
**Bean生命周期实例：**

public class Car implements BeanFactoryAware, BeanNameAware, InitializingBean, DisposableBean { 
        private String brand;
        private String color;
        private int maxSpeed;
    
        private BeanFactory beanFactory;
        private String beanName;
    
        public Car() {
            System.out.println("调用Car()构造函数。");
        }
    
        public Car(String brand, String color, int maxSpeed) {
            this.brand = brand;
            this.color = color;
            this.maxSpeed = maxSpeed;
        }
    
        public void introduce() {
            System.out.println("brand:" + brand + ";color:" + color + ";maxSpeed:" + maxSpeed);
        }
    
        public String getBrand() {
            return brand;
        }
    
        public void setBrand(String brand) {
            System.out.println("调用setBrand()设置属性。");
            this.brand = brand;
        }
    
        public String getColor() {
            return color;
        }
    
        public void setColor(String color) {
            this.color = color;
        }
    
        public int getMaxSpeed() {
            return maxSpeed;
        }
    
        public void setMaxSpeed(int maxSpeed) {
            this.maxSpeed = maxSpeed;
        }
        // 5 DisposableBean方法
        @Override
        public void destroy() throws Exception {
            System.out.println("调用DisposaleBean.destroy()。");
        }
        // 4 IntializingBean接口方法
        @Override
        public void afterPropertiesSet() throws Exception {
            System.out.println("调用IntializingBean.afterPropertiesSet()。");
        }
        // 3 BeanNameAware接口方法
        @Override
        public void setBeanName(String name) {
            System.out.println("调用BeanNameAware.setBeanName()。");
            this.beanName = beanName;
        }
        // 2 BeanFactoryAware接口方法
        @Override
        public void setBeanFactory(BeanFactory beanFactory) throws BeansException {
            System.out.println("调用BeanFactoryAware.setBeanFactory()。");
            this.beanFactory = beanFactory;
        }
        // 6 通过<bean>的init-method属性指定的初始化方法
        public void myInit() {
            System.out.println("调用init-method所指定的myInit()，将maxSpeed设置为240。");
            this.maxSpeed = 240;
        }
        // 7 通过<bean>的destroy-method属性指定的销毁方法
        public void myDestroy() {
            System.out.println("调用destroy-method所指定的myDestroy()。");
        }
    }
    
    public class MyInstantiationAwareBeanPostProcessor extends InstantiationAwareBeanPostProcessorAdapter { 
    
        // 1 在实例化Bean前进行调用
        public Object postProcessBeforeInitialization(Class beanClass, String beanName) throws BeansException {
            // 1-1 仅对容器中Car Bean进行处理
            if ("car".equals(beanName)) {
                System.out.println("InstantiationAware BeanPostProcessor.postProcessBeforeInstantiation");
            }
            return null;
        }
    
        // 2 在实例化Bean后调用
        public boolean postProcessAfterInstantiation(Object bean, String beanName) {
            // 2-1 仅对容器中Car Bean进行处理
            if ("car".equals(beanName)) {
                System.out.println("InstantiationAware BeanPostProcessor.postProcessAfterInstantiation");
            }
            return true;
        }
    
        // 3 在设置某个属性时调用
        public PropertyValues postProcessPropertyValues(PropertyValues pvs, PropertyDescriptor[] pds, Object bean,
                String beanName) throws BeansException {
            // 3-1 仅对容器中Car Bean进行处理,还可以通过pdst入参进行过滤，仅对car的某个特定属性时进行处理
            if("car".equals(beanName)) {
                System.out.println("InstantiationAware AwareBeanPostProcessor.postProcessPropertyValues");
            }
            return pvs;
        }
    }
    
    public class MyBeanPostProcessor implements BeanPostProcessor { 
    
        @Override
        public Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException {
    
            if(beanName.equals("car")) {
                Car car = (Car)bean;
                if(car.getColor() == null) {
                    System.out.println("调用BeanPostProcessor.postProcessBeforeInitialization(),color为空，设置为默认黑色。");
                    car.setColor("黑色");
                }
            }
            return bean;
        }
    
        @Override
        public Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException {
            if(beanName.equals("car")) {
                Car car = (Car)bean;
                if(car.getMaxSpeed() >= 200) {
                    System.out.println("调用BeanPostProcessor.postProcess AfterInitialization(), 将maxSpeed调整为200。");
                    car.setMaxSpeed(200);
                }
            }
            return bean;
        }
    
    }
    
    **beans.xml**
    <?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
    <beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
        xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:p="http://www.springframework.org/schema/p"
        xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans-3.0.xsd">
        <bean id="car" class="com.hhxs.bbt.web.Car"
            init-method="myInit"
            destroy-method="myDestroy"
            p:brand="红旗CA72"
            p:maxSpeed="200"
            scope="singleton" />
    </beans>
    
    public class BeanLifeCycle { 
    
        private static void lifeCycleInBeanFactory() {
    
            Resource res = new ClassPathResource("spring/beans.xml");
            BeanFactory bf = new XmlBeanFactory(res);
    
            // 向容器中注册后处理器
            ((ConfigurableBeanFactory)bf).addBeanPostProcessor(new MyBeanPostProcessor());
            ((ConfigurableBeanFactory)bf).addBeanPostProcessor(new MyInstantiationAwareBeanPostProcessor());
    
            // 第一次从容器中获取Car，将触发容器实例化该Bean,这将引发Bean生命周期方法的调用。
            Car car1 = (Car)bf.getBean("car");
            car1.introduce();
            car1.setColor("红色");
            car1.introduce();
    
            // 第二次从容器中获取Car，直接从缓存池中获取
            Car car2 = (Car)bf.getBean("car");
    
            // 查看car1和car2是否指向同一引用
            System.out.println("car1==car2:" + (car1==car2));
    
            // 关闭容器
            ((XmlBeanFactory)bf).destroySingletons();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            lifeCycleInBeanFactory();
        }
    }

运行上述代码，我们在控制台上得到以下输出信息，仔细观察，将发现它验证了我们前面所介绍的Bean生命周期过程。

调用Car()构造函数。
    InstantiationAware BeanPostProcessor.postProcessAfterInstantiation
    InstantiationAware AwareBeanPostProcessor.postProcessPropertyValues
    调用setBrand()设置属性。
    调用BeanNameAware.setBeanName()。
    调用BeanFactoryAware.setBeanFactory()。
    调用BeanPostProcessor.postProcessBeforeInitialization(),color为空，设置为默认黑色。
    调用IntializingBean.afterPropertiesSet()。
    调用init-method所指定的myInit()，将maxSpeed设置为240。
    调用BeanPostProcessor.postProcess AfterInitialization(), 将maxSpeed调整为200。
    brand:红旗CA72;color:黑色;maxSpeed:200
    brand:红旗CA72;color:红色;maxSpeed:200
    car1==car2:true
    调用DisposaleBean.destroy()。
    调用destroy-method所指定的myDestroy()。

#### 4.2 ApplicationContext中Bean的生命周期 ####

Bean在应用上下文中的生命周期和BeanFactory中生命周期类似，不同的是，如果Bean实现org.springframework.context.ApplicationContextAware接口，会增加一个调用该接口方法setApplicationContext()的步骤。  
  
![ApplicationContext中Bean的生命周期][ApplicationContext_Bean]  
  
此外，如果配置文件中声明了工作后处理器接口BeanFactoryPostProcessor的实现类，则应用上下文在装载配置文件之后初始化Bean实例之前将调用这些BeanFactoryPostProcessor对配置信息进行加工处理。工厂后处理器是容器级的，仅在应用上下文初始化时调用一次，其目的是完成一些配置文件的加工处理工作。  
  
ApplicationContext和BeanFactory另一**最大的不同之处**在于：前者会利用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拿你给通过手工调用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。

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————本文结束感谢您的阅读————

[Spring_Wen]: /images/20220606/9f715c6a7d474437b9cdf9c82e0c88e1.png
[BeanFactory_Bean]: /images/20220606/73456c57ed1b446083bc831dec2b9046.png
[ApplicationContext_Bean]: /images/20220606/e10fab95ebbd40dab1fd58d6490dd471.png