Spring IOC 容器启动流程分析

Spring IOC 容器启动流程分析

使用 Spring 时,XML 和注解是使用得最多的两种配置方式,虽然是两种完全不同的配置方式,但对于 IOC 容器来说,两种方式的不同主要是在 BeanDefinition 的解析上。而对于核心的容器启动流程,仍然是一致的。

AbstractApplicationContextrefresh 方法实现了 IOC 容器启动的主要逻辑,启动流程中的关键步骤在源码中也可以对应到独立的方法。接下来以 AbstractApplicationContext 的实现类 ClassPathXmlApplicationContext 为主 ,并对比其另一个实现类 AnnotationConfigApplicationContext, 解读 IOC 容器的启动过程。

AbstractApplicationContext.refresh


    @Override
    public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
        synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
            // Prepare this context for refreshing.
            prepareRefresh();

            // Tell the subclass to refresh the internal bean factory.
            ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();

            // Prepare the bean factory for use in this context.
            prepareBeanFactory(beanFactory);

            try {
                // Allows post-processing of the bean factory in context subclasses.
                postProcessBeanFactory(beanFactory);

                // Invoke factory processors registered as beans in the context.
                invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);

                // Register bean processors that intercept bean creation.
                registerBeanPostProcessors(beanFactory);

                // Initialize message source for this context.
                initMessageSource();

                // Initialize event multicaster for this context.
                initApplicationEventMulticaster();

                // Initialize other special beans in specific context subclasses.
                onRefresh();

                // Check for listener beans and register them.
                registerListeners();

                // Instantiate all remaining (non-lazy-init) singletons.
                finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

                // Last step: publish corresponding event.
                finishRefresh();
            }

            // ...
        }
    }

ApplicationContext 和 BeanFactory 的关系

ClassPathXmlApplicationContextAnnotationConfigApplicationContext 的继承树如下所示。两者都继承自 AbstractApplicationContext

Spring ApplicationContext 继承图.jpg
Spring ApplicationContext 继承图.jpg

ApplicationContext 继承树(高清大图)

Spring BeanFactory 继承图.jpg
Spring BeanFactory 继承图.jpg

BeanFactory 继承树(高清大图)

ApplicationContext 是 IOC 容器的承载体,而 BeanFactory 是操作这个容器的工具,两者关系紧密,相互协作。refresh 方法实现了 ApplicationContextBeanFactory 相互协作的主要过程,不同之处主要在子类 AbstractRefreshableApplicationContextGenericApplicationContext 中实现,两者使用的 BeanFactory 都为 DefaultListableBeanFactoryDefaultListableBeanFactory 的定义如下:

DefaultListableBeanFactory:

public class DefaultListableBeanFactory extends AbstractAutowireCapableBeanFactory
        implements ConfigurableListableBeanFactory, BeanDefinitionRegistry, Serializable

可见 DefaultListableBeanFactory 实现了 ConfigurableListableBeanFactory,意味着是可配置,可遍历的,至于为什么可以,让我们继续往下寻找找答案。

BeanDefinition 的获取

DefaultListableBeanFactory 中使用 Map 结构保存所有的 BeanDefinition 信息:

DefaultListableBeanFactory:

private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>(256);

ClassPathXmlApplicationContext 中的解析

使用 BeanDefinitionDocumentReader(可参看 DefaultBeanDefinitionDocumentReader.processBeanDefinition方法) 将 xml 中的 bean 解析为 BeanDefinition, 然后由 BeanDefinitionRegistry 注册到 BeanFactory 中。
入口:AbstractApplicationContext.refreshBeanFactory(在 refresh 中调用)

AnnotationConfigApplicationContext 中的解析

通过 BeanDefinitionScanner 扫描 Bean 声明,解析为 BeanDefinition 并由 BeanDefinitionRegistry 注册到 BeanFactory 中。
入口:AnnotationConfigApplicationContext 的构造函数。

为什么 ClassPathXmlApplicationContext 的入口是在 refreshBeanFactory 方法中 ?

AbstractApplicationContext.refreshBeanFactory 定义如下:

AbstractApplicationContext:

protected abstract void refreshBeanFactory() throws BeansException, IllegalStateException

可见是一个抽象方法,具体实现在子类中。只有 "Refreshable" 的 BeanFactory 才会在该方法中实现具体操作,如 AbstractRefreshableApplicationContext:

AbstractRefreshableApplicationContext:

@Override
    protected final void refreshBeanFactory() throws BeansException {
        if (hasBeanFactory()) {
            destroyBeans();
            closeBeanFactory();
        }
        try {
            DefaultListableBeanFactory beanFactory = createBeanFactory();
            beanFactory.setSerializationId(getId());
            customizeBeanFactory(beanFactory);
            loadBeanDefinitions(beanFactory);
            synchronized (this.beanFactoryMonitor) {
                this.beanFactory = beanFactory;
            }
        }
        catch (IOException ex) {
            throw new ApplicationContextException("I/O error parsing bean definition source for " + getDisplayName(), ex);
        }
    }

可见 AbstractRefreshableApplicationContext.``refreshBeanFactory 方法会检查 BeanFactory 是否已经存在(hasBeanFactory),已经存在就先销毁所有的 Bean(destoryBeans)并关闭(closeBeanFactory) BeanFactory,然后再创建(createBeanFactory)新的。
GenericApplicationContext.refreshBeanFactory中会检查是否为第一次调用,不是就抛出异常,不执行其他逻辑,即 GenericApplicationContext 不是 "Refreshable"的。

主流程分析

refresh 方法在 AbstractApplicationContext 中定义,其中的 obtainFreshBeanFactory 方法调用了 getBeanFactory 方法,该方法用于获取 BeanFactory,这里为 DefaultListableBeanFactory,接下来无特别说明,大部分的方法和变量都将取自 AbstractApplicationContextDefaultListableBeanFactory

Spring Context refresh 主流程时序图_看图王.jpg
Spring Context refresh 主流程时序图_看图王.jpg

高清大图

BeanPostProcessor

BeanPostProcessor 接口让开发者在 IOC 容器对 Bean 进行实例化时收到回调(postProcessAfterInitializationpostProcessBeforeInitialization 方法)。spring 框架内部的许多通知(Aware)就是通过这个接口实现,如 ApplicationContextAwareProcessor, ServletContextAwareProcessor,他们的实现会在 postProcessBeforeInitialization 方法中进行检查,若实现了特定接口,就会调用 Aware 的回调方法,给予通知:

ServletContextAwareProcessor:

@Override
    public Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException {
        if (getServletContext() != null && bean instanceof ServletContextAware) {
            ((ServletContextAware) bean).setServletContext(getServletContext());
        }
        if (getServletConfig() != null && bean instanceof ServletConfigAware) {
            ((ServletConfigAware) bean).setServletConfig(getServletConfig());
        }
        return bean;
    }

postProcessBeanFactory 方法中,子类可以通过 beanFactory.addBeanPostProcessor 方法添加自己的 BeanPostProcessorbeanFactory 中,最终将保存到 BeanFactorybeanPostProcessors(实为CopyOnWriteArrayList) 中。prepareBeanFactoryregisterBeanPostProcessors 方法是集中实例化并添加这些 Bean 的地方。

BeanFactoryPostProcessor 和 BeanDefinitionRegistryPostProcessor

从"BeanDefinition 的获取"的介绍可以知道 BeanDefinitionRegistry 用于将 BeanDefinition 注册到 BeanFactory 中,GenericApplicationContextDefaultListableBeanFactory 都实现了该接口,GenericApplicationContext 中的实现直接调用了 beanFactory 的实现。

BeanFactoryPostProcessorBeanDefinitionRegistryPostProcessorBeanPostProcessor 类似,但从他们的命名就可以看出,所针对的目标不同,分别是 BeanFactoryBeanDefinitionRegistry:
1 BeanFactoryPostProcessor 回调让开发者有机会在 BeanFactory 已经初始化好的情况下对 BeanFactory 的一些属性进行覆盖,或是对 beanDefinitionMap 中的 BeanDefinition 进行修改。
2 BeanDefinitionRegistryPostProcessor 则让开发者可以继续添加 BeanDefinitionBeanFactory 中。

具体逻辑在 invokeBeanFactoryPostProcessors 中实现,这里首先会将所有实现了 BeanFactoryPostProcessors的 Bean 实例化,然后调用其回调方法(postProcessBeanDefinitionRegistrypostProcessBeanFactory 方法)。

对于这部分 Bean 的实例化和进行回调有一定的优先级规则。PriorityOrdered 继承自 Ordered 接口,实现了 PriorityOrderedBeanDefinitionRegistryPostProcessor 将最先被实例化并调用,然后同样的规则来回调实现了 BeanFactoryPostProcessor 的 Bean:
PriorityOrdered > Ordered > 未实现 Ordered 的

registerBeanPostProcessors 方法中对 BeanPostProcessor 的实例化也有这样的优先级规则:
PriorityOrdered > Ordered > 未实现 Ordered 的 > MergedBeanDefinitionPostProcessor

ApplicationEventMulticaster

initApplicationEventMulticaster 中会对 ApplicationEventMulticaster 进行初始化: 首先会检查是否已经有了ApplicationEventMulticasterBeanDefinition(在 beanDefinitionMap 中检查),有就让容器进行实例化,没有就使用框架默认的 ApplicationEventMulticaster (即 SimpleApplicationEventMulticaster),先实例化,然后注册到容器中(MessageSourceinitMessageSource 方法中也是同样的方式进行初始化)。

事件的起始发送处将事件包装为 ApplicationEvent ,并通过 ApplicationEventPublisher 提交给 ApplicationEventMulticasterApplicationEventMulticaster 会将事件广播给 ApplicationListener,处理最终的分发。

AbstractApplicationEventMulticaster 中的 applicationListeners(实为 LinkedHashSet<ApplicationListener>) 变量保存了所有的广播接收者,registerListeners 方法会将所有的 ApplicationListener 添加到该集合中。

finishRefresh 方法中有一个对 ContextRefreshedEvent 事件的广播可以作为参考,最终事件会由 multicastEvent 方法处理:

SimpleApplicationEventMulticaster.multicastEvent

@Override
    public void multicastEvent(final ApplicationEvent event, @Nullable ResolvableType eventType) {
        ResolvableType type = (eventType != null ? eventType : resolveDefaultEventType(event));
        Executor executor = getTaskExecutor();
        for (ApplicationListener<?> listener : getApplicationListeners(event, type)) {
            if (executor != null) {
                executor.execute(() -> invokeListener(listener, event));
            }
            else {
                invokeListener(listener, event);
            }
        }
    }

那么在我们自己的 Bean 中如何得到这个 ApplicationEventPublisher 呢?
ApplicationContext 的定义如下:

ApplicationContext:

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

可见 ApplicationContext 继承了 ApplicationEventPublisher,这就说明 AbstractApplicationContext 也是一个 ApplicationEventPublisher。在我们自己的 Bean 中通过实现 ApplicationEventPublisherAware,我们就能通过 setApplicationEventPublisher 回调得到 ApplicationEventPublisher

上面我们提到 spring 的许多 Aware 是通过 BeanPostProcessor 实现的,ApplicationEventPublisherAware 也不例外:

ApplicationContextAwareProcessor:

@Override
    @Nullable
    public Object postProcessBeforeInitialization(final Object bean, String beanName) throws BeansException {
        // ...
        if (bean instanceof Aware) {
            if (bean instanceof EnvironmentAware) {
                ((EnvironmentAware) bean).setEnvironment(this.applicationContext.getEnvironment());
            }
            if (bean instanceof EmbeddedValueResolverAware) {
                ((EmbeddedValueResolverAware) bean).setEmbeddedValueResolver(this.embeddedValueResolver);
            }
            if (bean instanceof ResourceLoaderAware) {
                ((ResourceLoaderAware) bean).setResourceLoader(this.applicationContext);
            }
            if (bean instanceof ApplicationEventPublisherAware) {
                ((ApplicationEventPublisherAware) bean).setApplicationEventPublisher(this.applicationContext);
            }
            if (bean instanceof MessageSourceAware) {
                ((MessageSourceAware) bean).setMessageSource(this.applicationContext);
            }
            if (bean instanceof ApplicationContextAware) {
                ((ApplicationContextAware) bean).setApplicationContext(this.applicationContext);
            }
        }
        // ...
    }

IOC 容器在实例化我们的 Bean 时会调用 ApplicationContextAwareProcessor.postProcessBeforeInitialization 方法,该方法会检查我们的 Bean,我们的 Bean 如果实现了 ApplicationEventPublisherAware,那么就会回调 setApplicationEventPublisher 方法将 applicationContext(即ApplicationEventPublisher) 传给我们,我们就能够发布事件。

BeanFactory.getBean

BeanFactory 的几个重载了的 getBean 方法是 Bean 最终进行实例化的地方,registerBeanPostProcessors, invokeBeanFactoryPostProcessorsfinishBeanFactoryInitialization 方法都调用了 getBean 方法对一些特定 Bean 进行了实例化。

finishBeanFactoryInitialization 中通过调用 BeanFactorypreInstantiateSingletons 对单例 Bean 进行实例化。BeanFactoryBeanDefinition 都具有父子的概念,在子级找不到指定的 Bean 时将一直往上(父级)找,找到就进行实例化

总结

spring IOC 容器的启动步骤可总结如下:
1 初始化 ApplicationContext
环境属性的初始化和验证,启动时间记录和相关标记设置,应用事件和监听者的初始化。

2 准备好容器中的 BeanDefinition (eager-initializing beans)
BeanDefinition 的解析、扫描和注册,BeanDefinition 的扫描和注册大致可以分为 XML 和注解两种,两种方式各自使用的组件有所不同,该步骤的时间也可以在最前面。

3 初始化 BeanFactory
准备好 BeanFactory 以供 ApplicationContext 进行使用,对接下来将要使用到的 Bean 进行实例化,资源进行准备,属性进行设置。

4 注册 BeanPostProcessors
BeanPostProcessors 是进行扩展的关键组件,需要在该步骤中进行注册,可分为两种类型: 一种是框架使用者提供的,用于特定业务功能的,另一种是框架开发者提供的,用于扩展框架功能。

5 调用 BeanDefinitionRegistryPostProcessor
BeanDefinitionRegistryPostProcessor 是一种功能增强,可以在这个步骤添加新的 BeanDefinitionBeanFactory 中。

6 调用 BeanFactoryPostProcessor
BeanFactoryPostProcessor 是一种功能增强,可以在这个步骤对已经完成初始化的 BeanFactory 进行属性覆盖,或是修改已经注册到 BeanFactoryBeanDefinition

7 初始化 MessageSourceApplicationEventMulticaster
MessageSource 用于处理国际化资源,ApplicationEventMulticaster 是应用事件广播器,用于分发应用事件给监听者。

8 初始化其他 Bean 和进行其他的的上下文初始化
主要用于扩展

9 注册 ApplicationListene
ApplicationListene 注册到 BeanFactory 中,以便后续的事件分发

10 实例化剩余的 Bean 单例
步骤 4 到 9 都对一些特殊的 Bean 进行了实例化,这里需要对所有剩余的单例 Bean 进行实例化

11 启动完成
资源回收,分发"刷新完成"事件。

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