仿写一个简陋的 IOC/AOP 框架 mini-spring

讲道理,感觉自己有点菜。Spring 源码看不懂,不想强行解释,等多积累些项目经验之后再看吧,但是 Spring 中的控制反转(IOC)和面向切面编程(AOP)思想很重要,为了更好的使用 Spring 框架,有必要理解这两个点,为此,我使用 JDK API 实现了一个玩具级的简陋 IOC/AOP 框架 mini-spring,话不多说,直接开干。

环境搭建&快速使用

全部代码已上传 GitHub:https://github.com/czwbig/mini-spring

  1. 将代码弄到本地并使用 IDE 打开,这里我们用 IDEA;
  2. 使用 Gradle 构建项目,可以使用 IDEA 提供的 GUI 操作,也可以直接使用 gradle build 命令;

  1. 如下图,右击 mini-spring\framework_use_test\build\libs\framework_use_test-1.0-SNAPSHOT.jar ,点击 Run,当然也可以直接使用 java -jar jarPath.jar 命令来运行此 jar 包;

  1. 浏览器打开 localhost:8080/rap 即可观察到显示 CXK 字母,同时 IDE 控制台会输出:
first,singing <chicken is too beautiful>.
and the chicken monster is dancing now.
CXK rapping...
oh! Don't forget my favorite basketball.

下面开始框架的讲解。

简介

本项目使用 Java API 以及内嵌 Tomcat 服务器写了一个玩具级 IOC/AOP web 框架。实现了 @Controller@AutoWired@Component@Pointcut@Aspect@Before@After 等 Spring 常用注解。可实现简单的访问 uri 映射,控制反转以及不侵入原代码的面向切面编程。

讲解代码实现之前,假设读者已经掌握了基础的项目构建、反射、注解,以及 JDK 动态代理知识,项目精简,注释详细,并且总代码 + 注释不足 1000 行,适合用来学习。其中构建工具 Gradle 没用过也不要紧,我也是第一次使用,当成没有 xml 的 Maven 来看就行,下面我会详细解读其构建配置文件。

模块组成

项目由两个模块组成,一个是框架本身的模块,实现了框架的 IOC/AOP 等功能,如下图:

类比较多,但是大部分都是代码很少的,特别是注解定义接口,不要怕。

  • aop 包中是 After 等注解的定义接口,以及动态代理辅助类;
  • bean 包中是两个注解定义,以及 BeanFactory 这个 Bean 工厂,其中包含了类扫描和 Bean 的初始化的代码;
  • core 包是一个 ClassScanner 类扫描工具类;
  • starter 包是一个框架的启动与初始化类;
  • web/handler 包中是 uri 请求的处理器的收集与管理,如查找 @Controller 注解修饰的类中的 @RequestMapping 注解修饰的方法,用来响应对应 uri 请求。
  • web/mvc 包定义了与 webMVC 有关的三个注解;
  • web/server 包中是一个嵌入式 Tomcat 服务器的初始化类;
  • web/servlet 包中是一个请求分发器,重写的 service() 方法定义使用哪个请求处理器来响应浏览器请求;

另一个模块是用来测试(使用)框架的模块,如下图:

就像我们使用 Spring 框架一样,定义 Controller 等来响应请求,代码很简单,就不解释了。

项目构建

根目录下有 setting.gradlebuild.gradle 项目构建文件,其中 setting.gradle 指定了项目名以及模块名。

rootProject.name = 'mini-spring'
include 'framework'
include 'framework_use_test'

build.gradle 是项目构建设置,主要代码如下:

plugins {
    id 'java'
}

group 'com.caozhihu.spring'
version '1.0-SNAPSHOT'

sourceCompatibility = 1.8

repositories {
    repositories { maven { url 'http://maven.aliyun.com/nexus/content/groups/public/' } }
//    mavenCentral()
}

dependencies {
    testCompile group: 'junit', name: 'junit', version: '4.12'
}

引入了 gradle 的 java 插件,因为 gradle 不仅仅可以用于 java 项目,也可以用于其他项目,引入了 java 插件定义了项目的文件目录结构等。

然后就是项目的版本以及 java 源代码适配级别,这里是 JDK 1.8,在后面是指定了依赖仓库,gradle 可以直接使用 maven 仓库。

最后就是引入项目具体依赖,这里和 maven 一样。

每个模块也有单独的 build.gradle 文件来指定模块的构建设置,这里以 framework_use_test 模块的 build.gradle 文件来说明:

dependencies {
    // 只在单元测试时候引入此依赖
    testCompile group: 'junit', name: 'junit', version: '4.12'
    // 项目依赖
    compile(project(':framework'))
}

jar {
    manifest {
        attributes "Main-Class": "com.caozhihu.spring.Application"
    }
    // 固定打包句式
    from {
        configurations.runtime.asFileTree.files.collect { zipTree(it) }
    }
}

除去和项目根目录下构建文件相同部分,其他的构建代码如上,这里的 dependencies 除了添加 Junit 单元测试依赖之外,还指定了 framework 模块。

下面指定了 jar 包的打包设置,首先使用 manifest 设置主类,否则生成的 jar 包找不到主类清单,会无法运行。还使用了 from 语句来设置打包范围,这是固定句式,用来收集所有的 java 类文件。

framework 实现流程

如下图:

启动 tomcat 服务

public void startServer() throws LifecycleException {
        tomcat = new Tomcat();
        tomcat.setPort(8080);
        tomcat.start();

        // new 一个标准的 context 容器并设置访问路径;
        // 同时为 context 设置生命周期监听器。
        Context context = new StandardContext();
        context.setPath("");
        context.addLifecycleListener(new Tomcat.FixContextListener());
        // 新建一个 DispatcherServlet 对象,这个是我们自己写的 Servlet 接口的实现类,
        // 然后使用 `Tomcat.addServlet()` 方法为 context 设置指定名字的 Servlet 对象,
        // 并设置为支持异步。
        DispatcherServlet servlet = new DispatcherServlet();
        Tomcat.addServlet(context, "dispatcherServlet", servlet)
                .setAsyncSupported(true);

        // Tomcat 所有的线程都是守护线程,
        // 如果某一时刻所有的线程都是守护线程,那 JVM 会退出,
        // 因此,需要为 tomcat 新建一个非守护线程来保持存活,
        // 避免服务到这就 shutdown 了
        context.addServletMappingDecoded("/", "dispatcherServlet");
        tomcat.getHost().addChild(context);

        Thread tomcatAwaitThread = new Thread("tomcat_await_thread") {
            @Override
            public void run() {
                TomcatServer.this.tomcat.getServer().await();
            }
        };

        tomcatAwaitThread.setDaemon(false);
        tomcatAwaitThread.start();
    }

这里看代码注释,结合下面这张 tomcat 架构图就可以理解了。

图片来自 http://click.aliyun.com/m/1000014411/

如果暂时不理解也没关系,不影响框架学习,我只是为了玩一玩内嵌 tomcat,完全可以自己实现一个乞丐版的网络服务器的。

这里使用的是我们自定义的 Servlet 子类 DispatcherServlet 对象,该类重写了 service() 方法,代码如下:

@Override
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws IOException {
        for (MappingHandler mappingHandler : HandlerManager.mappingHandlerList) {
            // 从所有的 MappingHandler 中逐一尝试处理请求,
            // 如果某个 handler 可以处理(返回true),则返回即可
            try {
                if (mappingHandler.handle(req, res)) {
                    return;
                }
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InvocationTargetException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        res.getWriter().println("failed!");
    }

HandlerManager 和 MappingHandler 处理器后面会讲,这里先不展开。至此,tomcat 服务器启动完成;

扫描类

扫描类是通过这句代码完成的:

// 扫描类
List<Class<?>> classList = ClassScanner.scannerCLasses(cls.getPackage().getName());

ClassScanner.scannerCLasses 方法实现如下:

public static List<Class<?>> scannerCLasses(String packageName)
            throws IOException, ClassNotFoundException {
        List<Class<?>> classList = new ArrayList<>();
        String path = packageName.replace(".", "/");
        // 线程上下文类加载器默认是应用类加载器,即 ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();

        // 使用类加载器对象的 getResources(ResourceName) 方法获取资源集
        // Enumeration 是古老的迭代器版本,可当成 Iterator 使用
        Enumeration<URL> resources = classLoader.getResources(path);
        while (resources.hasMoreElements()) {
            URL url = resources.nextElement();
            // 获取协议类型,判断是否为 jar 包
            if (url.getProtocol().contains("jar")) {
                // 将打开的 url 返回的 URLConnection 转换成其子类 JarURLConnection 包连接
                JarURLConnection jarURLConnection = (JarURLConnection) url.openConnection();
                String jarFilePath = jarURLConnection.getJarFile().getName();
                // getClassesFromJar 工具类获取指定 Jar 包中指定资源名的类;
                classList.addAll(getClassesFromJar(jarFilePath, path));
            } else {
                // 简单起见,我们暂时仅实现扫描 jar 包中的类
                // todo
            }
        }
        return classList;
    }

    private static List<Class<?>> getClassesFromJar(String jarFilePath, String path) throws IOException, ClassNotFoundException {
         // 为减少篇幅,这里完整代码就不放出来了
    }

注释很详细,就不多废话了。

初始化Bean工厂

这部分是最重要的,IOC 和 AOP 都在这里实现。

代码请到在 BeanFactory 类中查看,GitHub 在线查看 BeanFactory

注释已经写的非常详细。这里简单说下处理逻辑。

首先通过遍历上一步类扫描获得类的 Class 对象集合,将被 @Aspect 注解的类保存起来,然后初始化其他被 @Component@Controller 注解的类,并处理类中被 @AutoWired 注解的属性,将目标引用对象注入(设置属性的值)到类中,然后将初始化好的对象保存到 Bean 工厂。到这里,控制反转就实现好了。

接下来是处理被 @Aspect 注解的类,并解析他们中被 @Pointcut@Before@After 注解的方法,使用 JDK 动态代理生成代理对象,并更新 Bean 工厂。

注意,在处理被 @Aspect 注解的类之前,Bean 工厂中的对象依赖已经设置过了就旧的 Bean,更新了 Bean 工厂中的对象后,需要通知依赖了被更新对象的对象重新初始化。

例如对象 A 依赖对象 B,即 A 的类中有一句

@AutoWired
B b;

同时,一个切面类中的切点 @Pointcut 的值指向了 B 类对象,然后他像 Bean 工厂更新了 B 对象,但这时 A 中引用的 B 对象,还是之前的旧 B 对象。

这里我的解决方式是,将带有 @AutoWired 属性的类保存起来,处理好 AOP 关系之后,再次初始化这些类,这样他们就能从 Bean 工厂获得新的已经被代理过的对象了。

至于如何使用 JDK 动态代理处理 AOP 关系的,请参考 GitHub ProxyDyna 类
中代码,总的来说是,定义一个 ProxyDyna 类实现 InvocationHandler 接口,然后实现 invoke() 方法即可,在 invoke() 方法中处理代理增强逻辑。

然后获取对象的时候,使用 Proxy.newProxyInstance() 方法而不是直接 new,如下:

Proxy.newProxyInstance(target.getClass().getClassLoader(),
                target.getClass().getInterfaces(), this);

初始化Handler

HandlerManager 类中调用 parseHandlerFromController() 方法来遍历处理所有的已扫描到的类,来初始化 MappingHandler 对象,方法代码如下:

private static void parseHandlerFromController(Class<?> aClass) {
        Method[] methods = aClass.getDeclaredMethods();
        // 只处理包含了 @RequestMapping 注解的方法
        for (Method method : methods) {
            if (method.isAnnotationPresent(RequestMapping.class)) {
                // 获取赋值 @RequestMapping 注解的值,也就是客户端请求的路径,注意,不包括协议名和主机名
                String uri = method.getDeclaredAnnotation(RequestMapping.class).value();
                List<String> params = new ArrayList<>();
                for (Parameter parameter : method.getParameters()) {
                    if (parameter.isAnnotationPresent(RequestParam.class)) {
                        params.add(parameter.getAnnotation(RequestParam.class).value());
                    }
                }

                // List.toArray() 方法传入与 List.size() 恰好一样大的数组,可以提高效率
                String[] paramsStr = params.toArray(new String[params.size()]);
                MappingHandler mappingHandler = new MappingHandler(uri, aClass, method, paramsStr);
                HandlerManager.mappingHandlerList.add(mappingHandler);
            }
        }
    }

MappingHandler 对象表示如何处理一次请求,包括请求 uri,应该调用的类,应该调用的方法以及方法参数。

如此,在 MappingHandler 的 handle() 方法中处理请求,直接从 Bean 工厂获取指定类对象,从 response 对象中获取请求参数值,使用反射调用对应方法,并接收方法返回值输出给浏览器即可。

再回顾我们启动 tomcat 服务器时指定运行的 servlet:

@Override
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws IOException {
        for (MappingHandler mappingHandler : HandlerManager.mappingHandlerList) {
            // 从所有的 MappingHandler 中逐一尝试处理请求,
            // 如果某个 handler 可以处理(返回true),则返回即可
            try {
                if (mappingHandler.handle(req, res)) {
                    return;
                }
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InvocationTargetException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        res.getWriter().println("failed!");
    }

一目了然,其 service() 方法只是遍历所有的 MappingHandler 对象来处理请求而已。

框架使用

测试使用 IOC 和 AOP 功能。这里以定义一个 /rap 路径举例,

1. 定义Controller

@Controller
public class RapController {
    @AutoWired
    private Rap rapper;

    @RequestMapping("/rap")
    public String rap() {
        rapper.rap();
        return "CXK";
    }
}

RapController 从 Bean 工厂获取一个 Rap 对象,访问 /rap 路径是,会先执行该对象的 rap() 方法,然后返回 "CXK" 给浏览器。

2. 定义 Rap 接口及其实现类

public interface Rap {
    void rap();
}
// ----another file----
@Component
public class Rapper implements Rap {
    public void rap() {
        System.out.println("CXK rapping...");
    }
}

接口一定要定义,否则无法使用 AOP,因为我们使用的是 JDK 动态代理,只能代理实现了接口的类(原理是生成一个该接口的增强带向)。Spring 使用的是 JDK 动态代理和 CGLIB 两种方式,CGLIB 可以直接使用 ASM 等字节码生成框架,来生成一个被代理对象的增强子类。

使用浏览器访问 http://localhost:8080/rap ,即可看到 IDE 控制台输出 CXK rapping...,可以看到,@AutoWired 注解成功注入了对象。

但如果我们想在 rap 前面先 唱、跳,并且在 rap 后面打篮球,那么就需要定义织面类来面向切面编程。

定义一个 RapAspect 类如下:

@Aspect
@Component
public class RapAspect {

    // 定义切点,spring的实现中,
    // 此注解可以使用表达式 execution() 通配符匹配切点,
    // 简单起见,我们先实现明确到方法的切点
    @Pointcut("com.caozhihu.spring.service.serviceImpl.Rapper.rap()")
    public void rapPoint() {
    }

    @Before("rapPoint()")
    public void singAndDance() {
        // 在 rap 之前要先唱、跳
        System.out.println("first,singing <chicken is too beautiful>.");
        System.out.println("and the chicken monster is dancing now.");
    }

    @After("rapPoint()")
    public void basketball() {
        // 在 rap 之后别忘记了篮球
        System.out.println("oh! Don't forget my favorite basketball.");
    }
}

织面类 RapAspect 定义了切入点以及前置后置通知等,这样 RapController 中使用 @AutoWired 注解引入的 Rap 对象,会被替换为增强的 Rap 代理对象,如此,我们无需改动 RapController 中任何一处代码,就实现了在 rap() 方法前后执行额外的代码(通知)。

增加 RapAspect 后,再次访问会在 IDE 控制台输出:

first,singing <chicken is too beautiful>.
and the chicken monster is dancing now.
CXK rapping...
oh! Don't forget my favorite basketball.

总结与参考

没啥好说的,该说的,都说了,你懂得,就够了,怎么有某一种悲哀.... 哈哈哈哈

参考

tomcat 使用与框架图:手写一个简化版Tomcat
gradle 配置与 DI 部分实现:慕课网
Spring 常用注解 how2j SPRING系列教材

posted @ 2019-07-09 19:51 czwbig 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏