十分钟带你了解Spring概念与IOC设计思想

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Spring的概念

Spring的起源

要谈Spring的历史，就要先谈J2EE。J2EE应用程序的广泛实现是在1999年和2000年开始的，它的出现带来了诸如事务管理之类的核心中间层概念的标准化，但是在实践中并没有获得绝对的成功，因为开发效率，开发难度和实际的性能都令人失望。

曾经使用过EJB开发JAVA EE应用的人，一定知道，在EJB开始的学习和应用非常的艰苦，很多东西都不能一下子就很容易的理解。EJB要严格地实现各种不同类型的接口，类似的或者重复的代码大量存在。而配置也是复杂和单调，同样使用JNDI进行对象查找的代码也是单调而枯燥。虽然有一些开发工作随着xdoclet的出现，而有所缓解，但是学习EJB的高昂代价，和极低的开发效率，极高的资源消耗，都造成了EJB的使用困难。而Spring出现的初衷就是为了解决类似的这些问题。

Spring的一个最大的目的就是使JAVA EE开发更加容易。同时，Spring之所以与Struts、Hibernate等单层框架不同，是因为Spring致力于提供一个以统一的、高效的方式构造整个应用，并且可以将单层框架以最佳的组合揉和在一起建立一个连贯的体系。可以说Spring是一个提供了更完善开发环境的一个框架，可以为POJO(Plain Ordinary Java Object)对象提供企业级的服务。

Spring的特性

从Spring框架的特性来看：

  • 非侵入式：基于Spring开发的应用中的对象可以不依赖Spring的API；

  • 控制反转：IOC，指的是将对象创建权交给Spring去创建。使用Spring之前，对象的创建都是由我们自己在代码中new创建。而使用Spring之后，对象的创建都是给力Spring框架。

  • 依赖注入：DI，是指的是依赖的对象不需要手动调用setXX方法去设置，而是通过配置赋值。

  • 面向切面编程：Aspect Oriented Programming——AOP

    容器：Spring 是一个容器，因为它包含并且管理应用对象的生命周期

    组件化：Spring 实现了使用简单的组件配置组合成一个复杂的应用。在 Spring 中可以使用XML和Java注解组合这些对象。

    一站式：在 IOC 和 AOP 的基础上可以整合各种企业应用的开源框架和优秀的第三方类库（实际上 Spring 自身也提供了表现层的 SpringMVC 和持久层的 Spring JDBC）

从使用Spring 框架的好处看：

  • Spring 在一个单元模式中是有组织的。即使包和类的数量非常大，你只要担心你需要的，而其它的就可以忽略了。
  • Spring 不会让你白费力气做重复工作，它真正的利用了一些现有的技术，像 ORM 框架、日志框架、JEE、Quartz 和 JDK 计时器，其他视图技术。
  • 测试一个用 Spring 编写的应用程序很容易，因为环境相关的代码被移动到这个框架中。此外，通过使用 JavaBean-style POJOs，它在使用依赖注入注入测试数据时变得更容易。
  • 轻量级的 IOC 容器往往是轻量级的，例如，特别是当与 EJB 容器相比的时候。这有利于在内存和 CPU 资源有限的计算机上开发和部署应用程序。

Spring框架组成

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虽然这个图来源于Spring Framwork5.0 M4 版本，但是它依然是V4版本的图，比如Spring 5版本中的web模块已经去掉了Portlet模块，新增了WebFlux模块等。

Core Container（Spring的核心容器）

Spring 的核心容器是其他模块建立的基础，由 Beans 模块、Core 核心模块、Context 上下文模块和 SpEL 表达式语言模块组成，没有这些核心容器，也不可能有 AOP、Web 等上层的功能。具体介绍如下。

  • Beans 模块：提供了框架的基础部分，包括控制反转和依赖注入。
  • Core 核心模块：封装了 Spring 框架的底层部分，包括资源访问、类型转换及一些常用工具类。
  • Context 上下文模块：建立在 Core 和 Beans 模块的基础之上，集成 Beans 模块功能并添加资源绑定、数据验证、国际化、Java EE 支持、容器生命周期、事件传播等。ApplicationContext 接口是上下文模块的焦点。
  • SpEL 模块：提供了强大的表达式语言支持，支持访问和修改属性值，方法调用，支持访问及修改数组、容器和索引器，命名变量，支持算数和逻辑运算，支持从 Spring 容器获取 Bean，它也支持列表投影、选择和一般的列表聚合等。

Data Access/Integration（数据访问／集成）

数据访问／集成层包括 JDBC、ORM、OXM、JMS 和 Transactions 模块，具体介绍如下。

  • JDBC 模块：提供了一个 JDBC 的样例模板，使用这些模板能消除传统冗长的 JDBC 编码还有必须的事务控制，而且能享受到 Spring 管理事务的好处。
  • ORM 模块：提供与流行的“对象-关系”映射框架无缝集成的 API，包括 JPA、JDO、Hibernate 和 MyBatis 等。而且还可以使用 Spring 事务管理，无需额外控制事务。
  • OXM 模块：提供了一个支持 Object /XML 映射的抽象层实现，如 JAXB、Castor、XMLBeans、JiBX 和 XStream。将 Java 对象映射成 XML 数据，或者将XML 数据映射成 Java 对象。
  • JMS 模块：指 Java 消息服务，提供一套 “消息生产者、消息消费者”模板用于更加简单的使用 JMS，JMS 用于用于在两个应用程序之间，或分布式系统中发送消息，进行异步通信。
  • Transactions 事务模块：支持编程和声明式事务管理。

Web模块

Spring 的 Web 层包括 Web、Servlet、WebSocket 和 Webflux 组件，具体介绍如下。

  • Web 模块：提供了基本的 Web 开发集成特性，例如多文件上传功能、使用的 Servlet 监听器的 IOC 容器初始化以及 Web 应用上下文。
  • Servlet 模块：提供了一个 Spring MVC Web 框架实现。Spring MVC 框架提供了基于注解的请求资源注入、更简单的数据绑定、数据验证等及一套非常易用的 JSP 标签，完全无缝与 Spring 其他技术协作。
  • WebSocket 模块：提供了简单的接口，用户只要实现响应的接口就可以快速的搭建 WebSocket Server，从而实现双向通讯。
  • Webflux 模块： Spring WebFlux 是 Spring Framework 5.x中引入的新的响应式web框架。与Spring MVC不同，它不需要Servlet API，是完全异步且非阻塞的，并且通过Reactor项目实现了Reactive Streams规范。Spring WebFlux 用于创建基于事件循环执行模型的完全异步且非阻塞的应用程序。

此外Spring4.x中还有Portlet 模块，在Spring 5.x中已经移除

  • Portlet 模块：提供了在 Portlet 环境中使用 MVC 实现，类似 Web-Servlet 模块的功能。

AOP、Aspects、Instrumentation和Messaging

在 Core Container 之上是 AOP、Aspects 等模块，具体介绍如下：

  • AOP 模块：提供了面向切面编程实现，提供比如日志记录、权限控制、性能统计等通用功能和业务逻辑分离的技术，并且能动态的把这些功能添加到需要的代码中，这样各司其职，降低业务逻辑和通用功能的耦合。
  • Aspects 模块：提供与 AspectJ 的集成，是一个功能强大且成熟的面向切面编程（AOP）框架。
  • Instrumentation 模块：提供了类工具的支持和类加载器的实现，可以在特定的应用服务器中使用。
  • messaging 模块：Spring 4.0 以后新增了消息（Spring-messaging）模块，该模块提供了对消息传递体系结构和协议的支持。
  • jcl 模块： Spring 5.x中新增了日志框架集成的模块。

Spring IOC体系结构设计

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如果作为一个IOC容器的设计者，主体上应该包含哪几个部分：

  • 加载Bean的配置（比如xml），解析配置生成统一Bean容器中；
  • 根据Bean定义加载Bean的实例，并放在Bean的容器中，比如Bean的依赖注入，Bean的嵌套等
  • 除了基础Bean外，还有针对企业级的特别Bean，比如国际化Message、事件Event
  • 对容器Bean提供统一的管理和调用，比如用工厂模式管理，提供方法根据名字和类的类型从容器中获取Bean

这种思考的过程才是建设性的，知识体系的构建才是高效的。

IOC容器功能规范和Bean的注册

Spring Bean的创建是典型的工厂模式，这一系列的Bean工厂，也即IOC容器为开发者管理对象间的依赖关系提供了很多便利和基础服务，在Spring中有许多的IOC容器的实现供用户选择和使用，这是IOC容器的基础；在顶层的结构设计主要围绕着BeanFactory和xxxRegistry进行：

  • BeanFactory： 工厂模式定义了IOC容器的基本功能规范
  • BeanRegistry： 向IOC容器手工注册 BeanDefinition 对象的方法

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BeanFactory定义了IOC 容器基本功能规范？

BeanFactory作为最顶层的一个接口类，它定义了IOC容器的基本功能规范，BeanFactory 有三个子类：ListableBeanFactory、HierarchicalBeanFactory 和AutowireCapableBeanFactory。

BeanFactory为何要定义这么多层次的接口？定义了哪些接口？

主要是为了区分在 Spring 内部在操作过程中对象的传递和转化过程中，对对象的数据访问所做的限制。

  • ListableBeanFactory：该接口定义了访问容器中 Bean 基本信息的若干方法，如查看Bean 的个数、获取某一类型 Bean 的配置名、查看容器中是否包括某一 Bean 等方法；
  • HierarchicalBeanFactory：父子级联 IoC 容器的接口，子容器可以通过接口方法访问父容器； 通过 HierarchicalBeanFactory 接口， Spring 的 IoC 容器可以建立父子层级关联的容器体系，子容器可以访问父容器中的 Bean，但父容器不能访问子容器的 Bean。Spring 使用父子容器实现了很多功能，比如在 Spring MVC 中，展现层 Bean 位于一个子容器中，而业务层和持久层的 Bean 位于父容器中。这样，展现层 Bean 就可以引用业务层和持久层的 Bean，而业务层和持久层的 Bean 则看不到展现层的 Bean。
  • ConfigurableBeanFactory：是一个重要的接口，增强了 IoC 容器的可定制性，它定义了设置类装载器、属性编辑器、容器初始化后置处理器等方法；
  • ConfigurableListableBeanFactory: ListableBeanFactory 和 ConfigurableBeanFactory的融合；
  • AutowireCapableBeanFactory：定义了将容器中的 Bean 按某种规则（如按名字匹配、按类型匹配等）进行自动装配的方法；

如何将Bean注册到BeanFactory中？BeanRegistry

Spring 配置文件中每一个<bean>节点元素在 Spring 容器里都通过一个 BeanDefinition 对象表示，它描述了 Bean 的配置信息。而 BeanDefinitionRegistry 接口提供了向容器手工注册 BeanDefinition 对象的方法。

BeanDefinition：各种Bean对象及其相互的关系

Bean对象存在依赖嵌套等关系，所以设计者设计了BeanDefinition，它用来对Bean对象及关系定义；我们在理解时只需要抓住如下三个要点：

  • BeanDefinition 定义了各种Bean对象及其相互的关系
  • BeanDefinitionReader 这是BeanDefinition的解析器
  • BeanDefinitionHolder 这是BeanDefination的包装类，用来存储BeanDefinition，name以及aliases等。
  • BeanDefinition

SpringIOC容器管理了我们定义的各种Bean对象及其相互的关系，Bean对象在Spring实现中是以BeanDefinition来描述的，其继承体系如下

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  • BeanDefinitionReader

Bean 的解析过程非常复杂，功能被分的很细，因为这里需要被扩展的地方很多，必须保证有足够的灵活性，以应对可能的变化。Bean 的解析主要就是对 Spring 配置文件的解析。这个解析过程主要通过下图中的类完成：

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  • BeanDefinitionHolder

BeanDefinitionHolder 这是BeanDefination的包装类，用来存储BeanDefinition，name以及aliases等

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ApplicationContext：IOC接口设计和实现

IoC容器的接口类是ApplicationContext，很显然它必然继承BeanFactory对Bean规范（最基本的ioc容器的实现）进行定义。而ApplicationContext表示的是应用的上下文，除了对Bean的管理外，还至少应该包含了

  • 访问资源： 对不同方式的Bean配置（即资源）进行加载。(实现ResourcePatternResolver接口)
  • 国际化: 支持信息源，可以实现国际化。（实现MessageSource接口）
  • 应用事件: 支持应用事件。(实现ApplicationEventPublisher接口)

ApplicationContext接口的设计

我们来看下ApplicationContext整体结构

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HierarchicalBeanFactory 和 ListableBeanFactory： ApplicationContext 继承了 HierarchicalBeanFactory 和 ListableBeanFactory 接口，在此基础上，还通过多个其他的接口扩展了 BeanFactory 的功能：

ApplicationEventPublisher：让容器拥有发布应用上下文事件的功能，包括容器启动事件、关闭事件等。实现了 ApplicationListener 事件监听接口的 Bean 可以接收到容器事件 ， 并对事件进行响应处理 。 在 ApplicationContext 抽象实现类AbstractApplicationContext 中，我们可以发现存在一个 ApplicationEventMulticaster，它负责保存所有监听器，以便在容器产生上下文事件时通知这些事件监听者。

MessageSource：为应用提供 i18n 国际化消息访问的功能；

ResourcePatternResolver ： 所 有 ApplicationContext 实现类都实现了类似于PathMatchingResourcePatternResolver 的功能，可以通过带前缀的 Ant 风格的资源文件路径装载 Spring 的配置文件。

LifeCycle：该接口是 Spring 2.0 加入的，该接口提供了 start()和 stop()两个方法，主要用于控制异步处理过程。在具体使用时，该接口同时被 ApplicationContext 实现及具体 Bean 实现， ApplicationContext 会将 start/stop 的信息传递给容器中所有实现了该接口的 Bean，以达到管理和控制 JMX、任务调度等目的。

ApplicationContext接口的实现

在考虑ApplicationContext接口的实现时，关键的点在于，不同Bean的配置方式（比如xml,groovy,annotation等）有着不同的资源加载方式，这便衍生除了众多ApplicationContext的实现类。

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我们把之前的设计要点和设计结构结合起来看：

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到此，基本可以帮助你从顶层构建对IoC容器的设计理解，而不是过早沉溺于代码的细节。

更新于 2022-01-09 
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