Spring: IOC容器的实现

上一篇中对Spring的IOC概念进行了介绍, 本篇将通过代码来实现一个简易版的IOC. 在Spring中, IOC是一个容器, 主要负责对托管至Spring的Bean进行创建及保存. Spring IOC创建Bean可分为单例和原型两种. 由于篇幅所限, 本篇中的简易版IOC只实现对单例Bean的管理.

设计思路

定位Bean

项目中的代码成千上万, Spring并不能准确的知道哪些Bean是需要由IOC容器创建并管理. 因此需要通过配置的方式将需要被管理的Bean告知Spring.

XML配置

早期的Spring, 被管理的Bean需要XML文件中进行声明.

<bean id="userService" class="com.atd681.xc.ssm.ioc.demo.UserService"></bean>
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注解配置

由于XML配置过于繁琐, 可读性较差. 为简化配置Spring推出了基于注解的配置. 在代码中对需要被管理的Bean添加指定注解即可.

package com.atd681.xc.ssm.ioc.demo;

@Component
public class UserService {
}
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为了提升性能, 需要告知Spring哪些目录下有需要被加载的Bean, Spring会扫描这些目录并将含有注解的Bean进行管理

<component-scan package="com.atd681.xc.ssm.ioc.demo" />
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解析Bean

确定需要被管理的Bean后, 就要对Bean进行解析. 由于有有XML和注解两种配置方式, 因此IOC容器需要分别解析XML配置及注解配置的Bean. 主要针对以下几项进行解析:

• 类型: 后续通过反射创建Bean时使用
• 名称: 保存时作为Bean的别名使用
• 属性: 依赖注入(下篇文字中实现)时使用

注册Bean

将解析得到的Bean描述信息注册到指定容器中.

创建Bean

将已注册到容器中的Bean依次实例化, 并统一保存. 根据Bean描述信息中的类型(Class)通过反射创建Bean的实例.

获取Bean

对外提供获取Bean的接口, 如果Bean不存在, 自动创建保存后返回.

接口与组件

BeanDefinition

BEAN描述类, 用来保存BEAN的基本信息, 包括名称, 类型, 属性等.

// BEAN描述信息
public class BeanDefinition {

    // 名称
    private String name;

    // CLASS
    private Class<?> clazz;

    // 通过名称和CLASS实例化, 默认使用CLASS名作为BEAN的名称
    public BeanDefinition(String name, Class<?> clazz) {
        this.clazz = clazz;
        this.name = BeanUtil.isEmpty(name) ? BeanUtil.getName(clazz) : name;
    }

    // Getter & Setter
    // ...

}

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BeanFactory

BEAN工厂, IOC容器的核心类. 负责统一创建及管理BEAN(包括描述信息和实例), 对外提供获取BEAN的接口. 由IOC容器管理的BEAN的所有操作都由BeanFactory完成.

// BEAN工厂, 提供BEAN的创建及获取
public class BeanFactory {

    // 保存所有BEAN的信息. K: BEAN名称, V: BEAN描述信息
    private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<String, BeanDefinition>();

    // 保存所有BEAN的实例化对象. K: BEAN名称, V: BEAN实例化对象
    private final Map<String, Object> beanObjectMap = new ConcurrentHashMap<String, Object>();

    // 注册BEAN
    public void registerBean(BeanDefinition bean) {
        beanDefinitionMap.put(bean.getName(), bean);
    }

    // 获取所有已注册BEAN的名称
    public Set<String> getBeanNames() {
        return this.beanDefinitionMap.keySet();
    }

    // 根据名称获取BEAN的类型
    public Class<?> getBeanType(String name) {
        return this.beanDefinitionMap.get(name).getClazz();
    }

    // 根据名称获取BEAN的实例
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public <T> T getBean(String name) throws Exception {
        return null;
    }

    // 实例化BEAN
    public void instanceBean() throws Exception {
    }

}

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ElementParser

配置文件节点解析器接口

// 节点解析器接口
public interface ElementParser {

    // 解析节点
    public void parse(Element ele, BeanFactory factory) throws Exception;

}
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BeanElementParser

解析XML配置文件中的节点, 将解析到的BEAN信息封装成BeanDefinition, 注册至BeanFactory中.

// Bean节点解析器,解析XML配置文件中的<bean>节点
public class BeanElementParser implements ElementParser {

    // 解析<bean>节点
    @SuppressWarnings("unchecked")
    @Override
    public void parse(Element ele, BeanFactory factory) throws Exception {
        // 解析<bean>节点, 将Bean描述信息封装
        BeanDefinition bd = null;
        // 向BEAN工厂注册Bean
        factory.registerBean(bd);
    }

}
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ComponentScanElementParser

解析XML配置文件中的节点, 获取package属性中的包目录, 扫描目录下的类并解析, 将需要被管理的BEAN信息封装成BeanDefinition, 注册至BeanFactory中.

// <component-scan>节点解析器
public class ComponentScanElementParser implements ElementParser {

    // 解析<component-scan>节点
    @Override
    public void parse(Element ele, BeanFactory factory) throws Exception {
        // 扫描package属性中定义的目录
        String basePackage = ele.getAttributeValue("package");
        // 解析目录下的Bean并注册至BEAN工厂
        BeanDefinition bd = null;
        factory.registerBean(bd);
    }

}
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Component

如果BEAN需要被Spring管理, 在类中添加该注解. 含有该注解的类在被ComponentScanElementParser扫描后会交由IOC容器管理.

// 托管Bean声明注解
@Documented
@Target({ ElementType.TYPE })
@Inherited
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Component {
    String value() default "";
}
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ApplicationContext

应用程序上下文, 提供IOC容器初始化入口及统一获取BEAN的接口.

package com.atd681.xc.ssm.ioc.framework;

import java.io.File;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

import javax.servlet.ServletContext;

import org.jdom.Document;
import org.jdom.Element;
import org.jdom.input.SAXBuilder;

import com.atd681.xc.ssm.ioc.framework.parser.BeanElementParser;
import com.atd681.xc.ssm.ioc.framework.parser.ComponentScanElementParser;
import com.atd681.xc.ssm.ioc.framework.parser.ElementParser;

// 应用程序上下文
public class ApplicationContext {

    // 配置文件路径
    private String configLocation;

    // BEAN工厂
    private BeanFactory beanFactory;

    // 节点解析器容器
    private Map<String, ElementParser> parserMap = new HashMap<String, ElementParser>();

    // 无参构造
    public ApplicationContext() {
    }

    // 根据配置文件路径实例化上下文
    public ApplicationContext(String configLocation) {
        this.setConfigLocation(configLocation);
    }

    // 设置配置文件路径
    public void setConfigLocation(String configLocation) {
        this.configLocation = configLocation;
    }

    // 初始化
    public void init() throws Exception {
        this.init(null);
    }

    // 根据Servlet上下文初始化
    public void init(ServletContext context) throws Exception {
        // 创建BEAN工厂
        // 初始化配置文件节点解析器
        // 解析配置文件中定义的BEAN
        // 通知BEAN工厂实例化已注册的BEAN
    }

    // 获取名称获取BEAN实例
    public <T> T getBean(String beanName) throws Exception {
        return this.beanFactory.getBean(beanName);
    }

    // 获取BEAN工厂
    public BeanFactory getBeanFactory() {
        return beanFactory;
    }

}
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流程

1. 实例化ApplicationContext并设置配置文件路径
2. 调用init方法初始化IOC容器
3. 创建BeanFactory
4. 初始化, 节点解析器
5. 读取配置文件并解析配置文件中定义的BEAN
6. 各节点解析器解析配置文件并向BeanFactory中注册Bean
7. 调用BeanFactory的instanceBean方法实例化已注册的Bean
8. IOC容器初始化完成

具体实现

IOC容器初始化

ApplicationContext作为IOC容器的初始化入口, init方法中需要初始化基础组件(节点解析器, BEAN工厂)并完成BEAN的注册及实例化.

• 初始化操作基础流程

// 根据Servlet上下文初始化
public void init(ServletContext context) throws Exception {
    
    // 创建BEAN工厂
    createBeanFactory();
    // 初始化配置文件节点解析器
    initElementParser();
    // 解析配置文件中定义的BEAN
    parseBean();
    // 通知BEAN工厂实例化已注册的BEAN
    this.beanFactory.instanceBean();

}
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• 创建BEAN工厂

// 创建BEAN工厂
private void createBeanFactory() {
    this.beanFactory = new BeanFactory();
}
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• 初始化配置文件节点解析器

// 初始化配置文件节点解析器, KEY为节点的名称
// 解析文件时根据节点的名称就可以找到对应的解析器
private void initElementParser() {
    parserMap.put("bean", new BeanElementParser());
    parserMap.put("component-scan", new ComponentScanElementParser());
}
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• 解析配置文件中定义的BEAN

// 解析配置文件中定义的BEAN
@SuppressWarnings("unchecked")
private void parseBean() throws Exception {

    // 开始加载配置文件(JDom解析XML)
    String classpath = getClass().getClassLoader().getResource("").getPath();
    Document doc = new SAXBuilder().build(new File(classpath, this.configLocation));

    // 获取根节点(<beans>)下所有子节点并依次解析
    List<Element> elementList = doc.getRootElement().getChildren();
    for (Element ele : elementList) {

        // 节点名称
        String eleName = ele.getName();
        // 无对应的节点解析器
        if (!this.parserMap.containsKey(eleName)) {
            throw new RuntimeException("节点[" + eleName + "]配置错误,无法解析");
        }

        // 根据节点名称找到对应的节点解析器解析节点
        this.parserMap.get(eleName).parse(ele, this.beanFactory);

    }

}
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节点解析器解析节点

• 节点解析器

// Bean节点解析器,解析XML配置文件中的<bean>节点
public class BeanElementParser implements ElementParser {

    // 解析<bean>节点
    @SuppressWarnings("unchecked")
    @Override
    public void parse(Element ele, BeanFactory factory) throws Exception {
        
        // <bean>节点中的id和class属性
        String cls = ele.getAttributeValue("class");
        String id = ele.getAttributeValue("id");
        
        // 类型
        Class<?> clazz = Class.forName(cls);
        
        // 封装成类描述信息
        BeanDefinition bd = new BeanDefinition(id, clazz);

        // 向BEAN工厂注册Bean
        factory.registerBean(bd);

    }

}
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• 节点解析器

// <component-scan>节点解析器
public class ComponentScanElementParser implements ElementParser {

    // 解析<component-scan>节点
    @Override
    public void parse(Element ele, BeanFactory factory) throws Exception {

        // package属性(扫描目录)
        String basePackage = ele.getAttributeValue("package");
        if (basePackage == null) {
            throw new RuntimeException("<component-scan>必须配置package属性");
        }

        // 获取扫描目录绝对路径
        String baseDir = getClass().getClassLoader().getResource(basePackage.replace('.', '/')).getPath();

        // 扫描目录,获取目录下的所有类文件
        for (File file : new File(baseDir).listFiles()) {

            // 获取CLASS的路径(包目录+类名)并加载CLASS
            String classPath = basePackage + "." + file.getName().replaceAll("\\.class", "");
            Class<?> clazz = Class.forName(classPath);

            // 只处理含有@Component的BEAN
            if (!clazz.isAnnotationPresent(Component.class)) {
                continue;
            }

            // 获取类的@Component注解
            Component c = clazz.getAnnotation(Component.class);
            // 封装成类描述信息
            BeanDefinition bd = new BeanDefinition(c.value(), clazz);

            // 向BEAN工厂注册Bean
            factory.registerBean(bd);

        }

    }

}
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BEAN工厂注册BEAN并实例化

// BEAN工厂, 提供BEAN的创建及获取
public class BeanFactory {

    // BEAN描述信息容器, 保存所有BEAN的信息. K: BEAN名称, V: BEAN描述信息
    private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<String, BeanDefinition>();

    // BEAN实例容器, 保存所有BEAN的实例化对象. K: BEAN名称, V: BEAN实例化对象
    private final Map<String, Object> beanObjectMap = new ConcurrentHashMap<String, Object>();

    // 注册BEAN
    public void registerBean(BeanDefinition bean) {
        beanDefinitionMap.put(bean.getName(), bean);
    }

    // 获取所有已注册BEAN的名称
    public Set<String> getBeanNames() {
        return this.beanDefinitionMap.keySet();
    }

    // 根据名称获取BEAN的类型
    public Class<?> getBeanType(String name) {
        return this.beanDefinitionMap.get(name).getClazz();
    }

    // 根据名称获取BEAN的实例
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public <T> T getBean(String name) throws Exception {

        // 根据名称从容器获取BEAN
        Object bean = this.beanObjectMap.get(name);

        // 容器中存在直接返回
        if (bean != null) {
            return (T) bean;
        }

        // 未获取到时自动创建
        // 查看缓存中是否有BEAN描述
        if (!this.beanDefinitionMap.containsKey(name)) {
            throw new RuntimeException("未定义BEAN[" + name + "]");
        }

        // 存在BEAN描述时根据描述信息实例化BEAN
        BeanDefinition beanDef = this.beanDefinitionMap.get(name);
        bean = beanDef.getClazz().newInstance();

        // 将BEAN实例化保存至容器
        this.beanObjectMap.put(name, bean);

        // 返回新创建BEAN
        return (T) bean;

    }

    // 实例化BEAN
    public void instanceBean() throws Exception {

        // 根据缓存的BEAN描述信息依次创建BEAN
        for (String beanName : this.beanDefinitionMap.keySet()) {
            getBean(beanName);
        }

    }

}
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测试

• 创建BEAN

package com.atd681.xc.ssm.ioc.demo.service;

import com.atd681.xc.ssm.ioc.framework.annotation.Component;

// 通过注解声明BEAN
@Component
public class ServiceX {

    public void test() {
        System.out.println("ServiceX.test start...");
    }

}
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// 通过配置文件配置BEAN
public class ManagerX {

    public void test() {
        System.out.println("ManagerX.test start...");
    }

}
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• 创建XML配置文件

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans>

    <!-- 配置BEAN所在目录, IOC容器会扫描该目录, 加载含有@Component注解的Bean -->
	<component-scan package="com.atd681.xc.ssm.ioc.demo.service" />
	
    <!-- 配置BEAN -->
	<bean id="managerX" class="com.atd681.xc.ssm.ioc.demo.ManagerX"></bean>
	
</beans>
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• 创建测试类

// IOC测试类
public class Test {

    // 测试IOC容器
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 实例化应用上下文并设置配置文件路径
        ApplicationContext context = new ApplicationContext("context.xml");
        // 初始化上下文(IOC容器)
        context.init();

        // 从IOC容器中获取BEAN并执行
        ServiceX serviceX = context.getBean("serviceX");
        ManagerX managerx = context.getBean("managerX");
        serviceX.test();
        managerx.test();

    }

}
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• 运行

从IOC容器中获取BEAN并执行后输出如下结果: BEAN的实例对象已经保存在IOC容器中.

ServiceX.test start...
ManagerX.test start...
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IOC容器未找到对应的BEAN(未配置或配置错误)时会抛出异常: BEAN的实例对象没有在IOC容器中.

Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: 未定义BEAN[managerX1]
	at com.atd681.xc.ssm.ioc.framework.BeanFactory.getBean(BeanFactory.java:54)
	at com.atd681.xc.ssm.ioc.framework.ApplicationContext.getBean(ApplicationContext.java:117)
	at com.atd681.xc.ssm.ioc.demo.Test.main(Test.java:19)
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总结

Spring IOC实现对BEAN控制权的反转, 将BEAN统一将由IOC容器创建及管理. 只有IOC容器统一管理BEAN后才能完成对各BEAN依赖属性的自动注入.

Spring的IOC容器通过配置文件获取到需要被管理的BEAN后, 将BEAN的信息解析封装并注册至BEAN工厂(BEAN工厂缓存BEAN描述信息). 所有BEAN注册完成后依次对BEAN进行实例化并保存在BEAN工厂的容器中, 以此来实现对BEAN的统一管理. 当需要获取BEAN时, 统一从BEAN工厂容器中获取.

下一篇将实现依赖注入的功能.