对Spring IoC容器实现的结构分析

原文：http://www.iteye.com/magazines/71
本文的目标：
从实现的角度来认识SpringIoC容器。

观察的角度：
从外部接口，内部实现，组成部分，执行过程四个方面来认识SpringIoC容器。

本文的风格：
首先列出SpringIoC的外部接口及内部实现所涉及到的组件列表；
其次介绍组件之间的相互关系以对整个执行过程有所把握；
然后针对每一个组件的简单介绍，包括组件的类结构图，核心功能描述，重要接口的重要方法描述；
接下来看SpringIoC容器实现对面向对象基本设计原则的遵守；
最后是后记部分。

术语约定：
组件：本文中的组件是指在功能概念上具有相对独立性的功能单元，物理结构上的特征一般由一组接口、一组抽象类、一组具体实现类、异常类、工具类所组成；
            这里的组件是一种相当狭义的描述，根据上下文的不同，组件可以有不同的表现形式，如：相对于Spring框架，SpringIoC容器就是Spring框架的一个组件，
    相对于系统的整体框架设计，Spring框架就是整体框架的一个组件，这里组件与模块的概念基本等同。
接口方法：一般定义在接口中，提供给外部调用的方法，接口方法最重要的在于接口提供者以清晰、简洁的定义提供了接口使用者所必需的功能特征；
基础方法：首先基础方法也是一个接口方法，但和接口方法的差别在于接口方法的直接实现依赖于基础方法(参见BeanDefintionReader接口中的方法定义)；
钩子方法：超类留给子类需要实现或重写的方法，
默认实现钩子方法：超类提供默认实现，子类可以选择是否有必要重写，
默认空实现钩子方法：超类提供一个空实现方法，子类可以选择是否有必要重写，
抽象钩子方法：超类留给子类必须实现的方法，
内部实现方法：对某一相对独立的处理逻辑的封装，以便增强代码的可读性、可修改性、可重用性，达到代码的清晰性、简洁性。
注：
本文的源代码基于Spring2.x。Spring的源代码也处于演变中，但对基础代码的影响并不大。

正文：

Spring IoC容器的外部接口:
ApplicationContext
BeanFactory
WebApplicationContext


BeanFactory是IoC容器的核心组件，其它组件都是在为BeanFactory提供服务.
ConfigurableBeanFactory
AutowireCapableBeanFactory
ListableBeanFactory
HierarchicalBeanFactory
AbstractBeanFactory
AbstractAutowireCapableBeanFactory
DefaultListableBeanFactory
SingletonBeanRegistry接口，
BeanDefintionRegistry接口，

Resource组件，

ResourceLoader组件，

BeanDefintion组件，

BeanDefintionReader组件，

XmlBeanDefinitionParser组件，

BeanDefintionParser组件，

NamespaceHandler组件，

NamespaceHandlerResolver组件，

BeanWrapper组件，
------------------------------------------------
ApplicationContext
ConfigurableApplicationContext
AbstractApplicationContext
AbstractRefreshApplicationContext
AbstractXmlApplicationContext
ClassPathXmlApplicationContext
FileSystemXmlApplicationContext

Lifecycle接口

ApplicationEventPublisher接口
ApplicationEventMulticaster组件

MessageSource组件

MessageSourceResolvable组件

-----------------------------------------------
WebApplicationContext
ConfigurableWebApplicationContext
AbstractRefreshWebApplicationContext
XmlWebApplicationContext

ContextLoader组件
ContextLoaderListener
ContextLoaderServlet
------------------------------------------------------------------------------------------
FactoryBean

一组回调接口，
InitializingBean
DisposableBean
BeanPostProcessor
BeanFactoryPostProcessor

BeanNameAware
BeanFactoryAware

ResourceLoaderAware
ApplicationContextPublisherAware
MessageSourceAware
ApplicationContextAware
ApplicationContextAwareProcessor

ServletContextAware
ServletConfigAware
ServletContextAwareProcessor
------------------------------------------------------------------------------------------------

对这三个接口(ApplicationContext、BeanFactory、WebApplicationContext)的讨论：
ApplicationContext接口是IoC容器概念的直接对应物，包括容器自身生命周期的管理(容器的启动，容器的初始化，容器的销毁)
一些便利功能的提供如：资源文件的读取，容器级事件的发布。
BeanFactory接口是IoC容器的核心，其它组件都为此组件提供支持，如Resource组件，ResourceLoader组件，BeanDefintionReader组件，
BeanDefintion组件，BeanWrapper组件等。BeanFactory接口相对于容器的概念太过低级，以至于直接使用需要应对较复杂的API。
WebApplicationContext接口提供IoC容器对Web环境的支持，与ServletAPI的集成工作。普通Java应用程序选择IoC容器使用ApplicationContext，
Web环境下的IoC容器使用WebApplicationContext。


下面来关注这两行代码的执行都发生了那些事情，以了解容器的整个执行过程。
ApplicationContext applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext("applicationContext.xml");
Foo foo = (Foo)applicationContext.getBean("foo");

1.首先实例化一个容器对象，
2.然后由ResourceLoader组件对参数"applicationContext.xml"进行解析，将此路径上指定的文件解析为Resource对象。
3.BeanDefinitionReader将Resource资源对象内的bean元素数据封装到BeanDefintion组件中，并通过BeanDefintionRegistry将BeanDefintion注册到
   BeanFactory中，
4.对Resource的解析工作主要包括三个主要部分,
    a:对xml文档的schema验证,
    b:对默认命名空间元素的解析,这部分委托给XmlBeanDefintionParser组件完成，
    c:对客户化命名空间元素的解析,这部分工作委托给BeanDefintionParser完成,NamespaceHadler组件和NamespaceHandlerResolver组件对BeanDefintionParser提供支持工作。
   这里需要提到的是一些特殊元素的解析如:import元素的解析；另外一点是对applicationContext.xml文件中的bean元素的实际解析工作是委托给
   XmlBeanDefintionParserHelper类完成的；上面提到的组件接口列表中与BeanDefinition相关的组件有BeanDefinition组件，BeanDefintionRegistry接口，
   除了这两个最重要的，还有如：BeanDefintionBuilder，BeanDefintionDecorator，BeanDefinitionValueResolver，BeanDefinitionRegistryBuilder等其它与BeanDefintion相关组件,
   都对BeanDefintion的操作提供支持。
   至此，已经完成了阶段性工作，就是已经将类型信息从applicationContext.xml配置文件bean元素中读取到内存对象的BeanDefinition组件中，接下来的工作就是如何将
   BeanDefintion组件中所保存的类型信息实例化为最终的对象。
5.接下来是容器的初始化工作：
   调用BeanFactoryPostProcessor接口，
   注册BeanPostProcessor接口，
   初始化MessageSource组件，
   初始化ApplicationEventMulticaster，
   注册容器级监听器，
   发布容器已刷新的事件，
   ApplicationContext接口对bean对象的初始化采取一种积极初始化策略，这样做容器初始化过程虽然比较慢，但后续的每一次bean访问相对较快，因为可以从singletonCache缓存中直接获取，
6.
   至此下面这行代码的执行过程已结束，
   ApplicationContext applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext("applicationContext.xml");
   接下来看这行代码的执行过程，
   Foo foo = (Foo)applicationContext.getBean("foo");
7.
getBean(String)的目标很明确，就是根据bean的名称得到一个bean对象，
对bean对象的不同角度的分类，
首先可以分为普通的非FactoryBean类型的bean对象和FactoryBean类型的bean对象，
其次可以分为singleton类型的bean对象和非singleton类型的bean对象，
但是这些分类是建立在一个已创建的bean对象基础之上。
8.下面来看创建一个bean对象的过程，
    createBean();
    首先容器对BeanDefintion进行整理，根据依赖、继承关系进行合并以得到最终的BeanDefintion，
    然后进行bean对象的实例化、初始化、对需要销毁操作的bean对象进行注册。
    在这一过程中涉及到一组回调接口的调用，包括实例化前后的处理逻辑，初始化前后的处理逻辑，初始化过程的回调逻辑，销毁操作执行逻辑，
    主要的回调接口有
    InitializingBean
    DisposableBean
    BeanPostProcessor
    XXXXXXAware
    配置风格的回调机制(init-method，destroy-method)
    对bean对象的初始化工作依赖于BeanWrapper组件，BeanWrapper组件以反射的方式将BeanDefintion组件中保存的属性信息设置到bean对象中。

组件描述：


Resource组件与ResourceLoader组件一起工作，将字符串格式指示的资源解析为Resource对象。
事实上ResourceLoader是Resource的工厂类，
Java代码
public interface ResourceLoader { 
    public Resource getResource(String location); 
} 

ResourceLoader的核心工作就是解析location，
location示例："classpath:applicationContext.xml"，"classpath*:applicationContext-*.xml"，"file:/some/resource/path/myTemplate.txt"，"http://myhost.com/resource/path/myTemplate.txt"
ResourceLoader根据所指示的前缀返回特定的Resource对象。


BeanDefintionReader组件，
Java代码
//将Resource中的内容通过BeanDefintionRegistry注册到BeanFactory中。 
public interface BeanDefintionReader { 
    BeanDefinitionRegistry getBeanFactory(); 
    ResourceLoader getResourceLoader(); 
    int loadBeanDefinitions(Resource[] resources) throws BeanDefinitionStoreException; 
    int loadBeanDefinitions(String location) throws BeanDefinitionStoreException; 
    int loadBeanDefinitions(String[] locations) throws BeanDefinitionStoreException; 
     /*
     *这是一个基础方法，从Resource中加载BeanDefinition；
     *这三个方法loadBeanDefintions(Resources[]),loadBeanDefintions(String[]),loadBeanDefintion(String)的实现
     *依赖于此方法的实现；
     *上面三个方法的实现在AbstractBeanDefinitionReader骨架类中完成，此方法的实现在XmlBeanDefintionReader中完成。
     */ 
    int loadBeanDefinitions(Resource resource) throws BeanDefinitionStoreException; 
} 



Java代码
//XmlBeanDefinitionParser组件处理配置文件中默认命名空间的元素解析， 
public interface XmlBeanDefinitionParser { 
    //对Document文档的解析，将解析出的内容封装到BeanDefintion中。 
    void registerBeanDefinitions(Document doc, ReaderContext readerContext)throws BeanDefinitionStoreException; 
} 

这三个组件(BeanDefintionParser组件，NamespaceHandler组件，NamespaceHandlerResolver组件)处理客户化的命名空间元素的解析，
此机制使用配置文件易于书写，具有可扩展性。
如spring提供的实现：<util:list>，<aop:config>，<tx:annotation-driven>，<context:annotation-config>，
第三方组件提供的实现：<jaxws:endpoint>，<amq:broker>等其它实现。
Java代码
//对客户化命名空间的bean元素进行解析操作。 
public interface BeanDefintionParser { 
    //对Element的解析。 
    BeanDefinition parse(Element element, ParserContext parserContext); 
} 
//根据元素命名空间得到此元素的BeanDefinitionParser处理程序；此类是BeanDefintionParser的工厂类。 
public interface NamespaceHandler { 
    void init(); 
    BeanDefinitionParser findParserForElement(Element element); 
    BeanDefinitionDecorator findDecoratorForElement(Element element); 
} 
//解析META-INF/spring.handlers中的配置信息；此类是NamespaceHandler 的工厂， 
public interface NamespaceHandlerResolver { 
    //根据命名空间指示符得到指定的命名空间处理器。 
    NamespaceHandler resolve(String namespaceUri); 
} 


BeanWrapper组件，
对java bean对象提供设置属性值、获取属性值操作，并能够将字符串类型值转换为正确的类型，这个工作依赖于PropertyEditor。
操作示例：
beanWrapper.setPropertyValue("name","foo");
beanWrapper.setPropertyValue("address.country","China");
beanWrapper.setPropertyValue("array[2]","arrayValue");
Java代码
//PropertyEditor注册器；提供注册、获取PropertyEditor操用。 
public interface PropertyEditorRegistry { 
    void registerCustomEditor(Class requiredType, PropertyEditor propertyEditor); 
    void registerCustomEditor(Class requiredType, String propertyPath, PropertyEditor propertyEditor); 
    PropertyEditor findCustomEditor(Class requiredType, String propertyPath); 
} 
//bean对象的属性访问器。 
public interface PropertyAccessor { 
    public boolean isReadableProperty(String name); 
    public boolean isWritableProperty(String name); 
    public Class<?> getPropertyType(String name); 
    public Object getPropertyValue(String name); 
    public void setPropertyValues(PropertyValues pvs); 
    public void setPropertyValues(Map<String,Object> pvs); 
    public void setPropertyValue(PropertyValue pv); 
    public void setPropertyValue(String name,Object value); 
} 
//对PropertyEditor增加管理功能。 
public interface ConfigurablePropertyAccessor extends PropertyEditorRegistry,PropertyAccessor { 
    void setExtractOldValueForEditor(boolean extractOldValueForEditor); 
    boolean isExtractOldValueForEditor(); 
} 
//对bean对象进行管理。 
public interface BeanWrapper extends ConfigurablePropertyAccessor { 
     //设置所在包装的object 
    void setWrappedInstance(Object obj); 
     //返回包装对象. 
    Object getWrappedInstance(); 
     //返回包装对象类型 
    Class getWrappedClass(); 
     //返回包装对象属性描述.. 
    PropertyDescriptor[] getPropertyDescriptors() throws BeansException; 
     //根据属性名返回特定的属性描述对象. 
    PropertyDescriptor getPropertyDescriptor(String propertyName) throws BeansException; 
} 


Java代码
//IoC容器的核心接口，提供访问IoC容器的基本操作。 
public interface BeanFactory { 
    //根据bean名称获取相应的bean对象. 此方法在AbstractBeanFactory骨架类中实现， 
    public Object getBean(String name) throws BeansException; 
} 
//定义分层的BeanFactory容器结构。 
public interface HierarchicalBeanFactory  extends BeanFactory { 
 
} 
//对BeanFactory提供配置信息. 
public interface ConfigurableBeanFactory extends HierarchicalBeanFactory { 
    void setParentBeanFactory(BeanFactory parentBeanFactory); 
    // 注册客户化属性编辑器. 
    void registerCustomEditor(Class requiredType, PropertyEditor propertyEditor); 
     //添加BeanPostProcessor. 
    void addBeanPostProcessor(BeanPostProcessor beanPostProcessor); 
    //销毁所有singleton类型bean对象. 
    void destroySingletons(); 
} 
//主要逻辑有创建一个bean对象实例的过程，根据不同的WireMode(byName、byType)完成不同的操作。 
public interface AutowireCapableBeanFactory extends BeanFactory { 
    //创建一个bean对象. 
    Object createBean(Class beanClass, int autowireMode, boolean dependencyCheck) throws BeansException; 
    //配置一个bean对象. 
    Object configureBean(Object existingBean, String beanName) throws BeansException; 
     //初始化bean对象. 
    Object initializeBean(Object existingBean, String beanName) throws BeansException; 
    Object applyBeanPostProcessorsBeforeInitialization(Object existingBean, String beanName) throws BeansException; 
    Object applyBeanPostProcessorsAfterInitialization(Object existingBean, String beanName) throws BeansException; 
} 
/*
  *提供对BeanDefintion对象的管理操作。
  *对通过BeanDefintionRegistry注册器注册到BeanFactory中的BeanDefintion对象进行管理，但注意此接口
  *并不依赖于BeanDefintion接口API；
  *此接口在操作上与BeanDefintionRegistry接口有重叠部分，但此接口的职责重在管理操作，而BeanDefintionRegistry重在注册操作，并且
  *BeanDefintionRegistry接口直接依赖于BeanDefintion接口API。
  */ 
public interface ListableBeanFactory { 
    boolean containsBeanDefinition(String beanName); 
    int getBeanDefinitionCount(); 
    String[] getBeanDefinitionNames(); 
    String[] getBeanNamesForType(Class type); 
    String[] getBeanNamesForType(Class type, boolean includePrototypes, boolean includeFactoryBeans); 
    Map getBeansOfType(Class type) throws BeansException; 
    Map getBeansOfType(Class type, boolean includePrototypes, boolean includeFactoryBeans) throws BeansException; 
} 
// 
public interface ConfigurableListableBeanFactory 
        extends ListableBeanFactory, AutowireCapableBeanFactory, ConfigurableBeanFactory,SingletonBeanRegistry { 
    void ignoreDependencyType(Class type); 
    void ignoreDependencyInterface(Class ifc); 
    BeanDefinition getBeanDefinition(String beanName) throws NoSuchBeanDefinitionException;  
    //在容器启动过程中实例化singleton类型bean对象。 
    void preInstantiateSingletons() throws BeansException; 
} 
//注册BeanDefintion对象，并进行管理操作。 
public interface BeanDefinitionRegistry { 
    int getBeanDefinitionCount(); 
    String[] getBeanDefinitionNames(); 
    boolean containsBeanDefinition(String beanName); 
    BeanDefinition getBeanDefinition(String beanName) throws NoSuchBeanDefinitionException; 
    void registerBeanDefinition(String beanName, BeanDefinition beanDefinition) throws BeansException; 
    String[] getAliases(String beanName) throws NoSuchBeanDefinitionException; 
    void registerAlias(String beanName, String alias) throws BeansException; 
} 
/*
*注册singleton类型对象，并进行管理操作；BeanDefinitionRegistry接口将BeanDefinition注册到BeanFactory中，此接口将singleton类型
*对象注册到BeanFactory中。
*/ 
public interface SingletonBeanRegistry { 
 
} 


ApplicationEventPublisher接口是容器事件发布接口,
ApplicationEventPublisher接口的功能是委托给ApplicationEventMulticaster组件实现的，
ApplicationEventMulticaster组件提供对监听器的完整操作，包括新增监听器、移除单个或全部监听器、通知监听器。
Java代码
//容器事件发布器。 
public interface ApplicationEventPublisher { 
    void publishEvent(ApplicationEvent event); 
} 
//一个完整的事件模型实现。 
public interface ApplicationEventMulticaster { 
    void addApplicationListener(ApplicationListener listener); 
    void removeApplicationListener(ApplicationListener listener); 
    void removeAllListeners(); 
    /*
     *事件发布方法，通知所有监听器；
     *ApplicationEventPublisher.publishEvent(ApplicationEvent)方法的实现委托给此方法完成。
     */ 
    void multicastEvent(ApplicationEvent event); 
} 
//监听器. 
public interface ApplicationListener extends java.util.EventListener { 
} 
//事件对象. 
public class extends ApplicationEvent extends java.util.EventObject { 
} 


MessageSource组件
MessageSourceResolvable组件
这是一个接口复用与组合复用协同工作的好例子，ApplicationContext接口继承了MessageSource接口，对外提供信息源处理操作，但内部实现委托给MessageSource组件完成。


Java代码
//SpringIoC容器的顶级接口. 
public interface ApplicationContext extends ListableBeanFactory, HierarchicalBeanFactory, 
        MessageSource, ApplicationEventPublisher, ResourcePatternResolver { 
    ApplicationContext getParent(); 
    AutowireCapableBeanFactory getAutowireCapableBeanFactory() throws IllegalStateException; 
    String getDisplayName(); 
    long getStartupDate(); 
} 
//对容器对象进行配置化、初始化工作. 
public interface ConfigurableApplicationContext extends ApplicationContext, Lifecycle { 
    void setParent(ApplicationContext parent); 
    void addBeanFactoryPostProcessor(BeanFactoryPostProcessor beanFactoryPostProcessor); 
    //此方法是核心方法，内部生成一个BeanFactory对象，并完成对BeanFactory对象的初始化和容器的初始化工作。 
    void refresh() throws BeansException, IllegalStateException; 
    ConfigurableListableBeanFactory getBeanFactory() throws IllegalStateException; 
    void close(); 
} 
//生命周期管理接口. 
public interface Lifecycle { 
    void start(); 
    void stop(); 
    boolean isRunning(); 
} 


WebApplicationContext
ConfigurableWebApplicationContext
AbstractRefreshWebApplicationContext
XmlWebApplicationContext
Java代码
//提供SpringIoC容器对Web环境ServletAPI的集成。 
public interface WebApplicationContext extends ApplicationContext { 
    ServletContext getServletContext(); 
} 
//提供WebApplicationContext的配置工作。 
public interface ConfigurableWebApplicationContext extends WebApplicationContext, ConfigurableApplicationContext { 
    void setServletContext(ServletContext servletContext); 
    void setServletConfig(ServletConfig servletConfig); 
    void setNamespace(String namespace); 
    void setConfigLocations(String[] configLocations); 
} 


Java代码
//ContextLoader组件从ServletContext初始化配置参数中获取Spring的配置文件路径信息，并进行IoC容器的实例化、初始化、销毁操作。 
public class ContextLoader { 
    public WebApplicationContext initWebApplicationContext(ServletContext servletContext){ 
        //code. 
    } 
    public void closeWebApplicationContext(ServletContext servletContext) { 
        //code. 
    } 
} 

ContextLoaderListener和ContextLoaderServlet提供两种方式将IoC容器集成到ServletContext缓存中。

从面向对象基本设计原则角度来看SpringIoC容器的设计：
最基本的两条设计原则--编程到接口、首选组合复用：
编程到接口，
    在SpringIoC容器实现中，interface 关键字随处可见，但是有一点需要注意的就是：并不是使用了interface关键字，就能保证编程到接口，
    但一般来说对编程到接口原则的遵守，inteface关键字的使用是必须的。编程到接口所描述的实质是要将组件的外部接口和内部实现分离
    开来，这将带来一系列的好处：可扩展性，可重用性，可维护性，依赖性，内聚性，耦合性，清晰性，简洁性，可读性，可修改性，
    抽象性，封装性，模块化，层次化，测试性，其它特性。
首选组合复用，
    面向对象的复用方式主要分两种--组合复用、继承复用，继承复用可以细分为两种--接口复用、具体复用，
    这条原则关注的组合复用与具体复用之间的区别，
    事实上这条原则针对复用方式的选择上意义并不大，因为这三种复用方式所处理的是不同的复用问题，一旦能够从has-a、is-like-a、is-a的角度
    区分开，问题就不大了。
    这条原则真正有意义的在于它的教训意义，可以借此了解这条原则形成的原因，全面了解复用的方式，了解每一种复用方式的特点，了解不同
    复用方式之间的差别。
    SpringIoC容器的设计很好的体现了这两条原则，如ApplicationContext接口
Java代码
public interface ApplicationContext extends ListableBeanFactory, HierarchicalBeanFactory, 
ssageSource, ApplicationEventPublisher, ResourcePatternResolver { 
} 

    这是一个基于接口的设计，并且是一个接口复用，
    ApplicationContext接口继承了ListableBeanFactory,HierarchicalBeanFactory,MessageSource,ApplicationEventPublisher,ResourcePatternResolver
    接口，那么就意味着 ApplicationContext可以提供这些接口中定义的所有功能，但是这些功能的实际实现并不是由ApplicationContext的实现类
    提供的，而是以组合复用的方式委托给了各个接口的实际实现类来完成；
    具体复用在接口的实现过程中所使用，以便将接口的设计层次与接口的实现层次分离开来，如：
Java代码
public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory implements AutowireCapableBeanFactory { 
} 

更为全面的设计原则描述：
单一职责、开闭原则、里氏代换原则、依赖倒转原则、接口隔离原则、组合复用原则、迪米特法则；
共同重用原则、共同封闭原则，无环依赖原则、稳定依赖原则、稳定抽象原则，


总结：
要全面理解IOC容器，回答下述问题是必须的。
1。IOC容器是什么，
2。IOC容器提供什么样的功能，
3。IOC容器的特征是什么，
4。IOC容器设计的理论依据是什么，
5。IOC容器的设计需要注意的问题是什么，
6。如何实现一个IOC容器，
7。不同容器、不同IOC容器之间的比较， [/size]