Spring IoC容器的设计与实现

Spring整体架构与模块划分

核心容器（Core Container）

• spring-core
  • 基础工具类：如资源加载（Resource接口）、反射工具（ReflectionUtils）、类型转换（ConversionService）。
  • 核心接口：BeanFactory（IoC容器的基本定义）。
• spring-beans
  • Bean的定义与依赖管理：BeanDefinition（描述Bean的元数据）、BeanWrapper（Bean属性操作）。
  • Bean的实例化与生命周期管理：AbstractAutowireCapableBeanFactory（Bean创建的核心类）。
• spring-context
  • 应用上下文：ApplicationContext（扩展自BeanFactory，提供国际化、事件发布、资源加载等高级功能）。
  • 核心实现类：ClassPathXmlApplicationContext（XML配置的上下文）、AnnotationConfigApplicationContext（注解驱动的上下文）。
• spring-expression（SpEL）：Spring表达式语言，支持在运行时查询和操作对象图，如@Value("#{systemProperties}")。

AOP与Instrumentation

• spring-aop：动态代理，基于JDK动态代理或CGLIB生成AOP代理对象，如AopProxy（代理对象生成器）、Advisor（切面逻辑）。
• spring-aspects：集成AspectJ，支持@AspectJ注解风格的切面定义。
• spring-instrument：类加载器增强，用于服务器级的类植入（如Tomcat的InstrumentableClassLoader）。

数据访问与集成（Data Access/Integration）

• spring-jdbc：JDBC抽象层，JdbcTemplate简化数据库操作，避免手动处理连接和异常。
• spring-tx：事务管理，PlatformTransactionManager定义事务操作，支持声明式事务（@Transactional）。
• spring-orm：ORM框架整合，对Hibernate、JPA等的支持，如HibernateTemplate。
• spring-oxm：对象-XML映射，支持JAXB、XStream等，用于XML与Java对象的转换。
• spring-jms：消息服务，简化JMS API的使用，如JmsTemplate。

Web层

• spring-web：基础Web功能，如HTTP客户端、Servlet监听器、WebApplicationContext（Web应用上下文）。
• spring-webmvc：MVC框架，如DispatcherServlet（前端控制器）、@Controller、@RequestMapping注解驱动开发。
• spring-webflux（Spring 5+）：响应式Web支持，基于Reactor库实现非阻塞式编程模型，核心类如WebHandler。
• spring-websocket：WebSocket通信，支持实时双向通信，如WebSocketHandler。

其他模块

• spring-test：集成测试支持，@SpringJUnitConfig加载上下文，MockMvc模拟HTTP请求。
• spring-messaging：消息协议抽象，支持STOMP、WebSocket子协议，用于构建消息驱动的应用。
• spring-context-support：第三方库集成，如缓存（Ehcache）、邮件（JavaMail）、调度（Quartz）。
• spring-framework-bom：依赖管理，统一管理Spring模块的版本，避免Maven/Gradle依赖冲突。

BeanFactory与ApplicationContext的核心区别

设计目标与定位

• BeanFactory

  • 定位：IoC 容器的基础接口，提供 最底层的容器功能，是 Spring 框架的基石。
  • 设计目标：实现 Bean 的 定义、加载、实例化、依赖注入 等核心功能；保持轻量级，关注容器的基础职责，不集成非必要功能。

• ApplicationContext

  • 定位：BeanFactory 的扩展接口，是 Spring 的 高级容器，面向企业级应用。
  • 设计目标：在 BeanFactory 基础上，集成 事件发布、国际化、资源管理、AOP 支持 等企业级功能，提供注解驱动。

功能特性对比

• BeanFactory 的核心功能

  • Bean 的实例化与依赖注入:通过 getBean() 方法获取 Bean 实例；支持构造器注入（Constructor Injection）和 Setter 注入。
  • Bean 生命周期管理：支持 init-method 和 destroy-method 回调。
  • 层级容器（Hierarchical Containers）：通过 HierarchicalBeanFactory 接口支持父子容器。

• ApplicationContext 的扩展功能

  • 事件发布机制（Event Publishing）通过 ApplicationEventPublisher 接口发布事件（如 ContextRefreshedEvent）。

  • 国际化支持（MessageSource）：通过 MessageSource 接口实现多语言资源加载。

  • 资源访问抽象（ResourceLoader）：支持统一资源定位（如 classpath:、file:、http: 前缀）。

  • 环境配置（Environment Abstraction）：管理 Profiles（@Profile）和属性文件（@PropertySource）。

  • AOP 与事务集成：自动注册 AnnotationAwareAspectJAutoProxyCreator；声明式事务的自动代理（@Transactional）。

  • 便捷的配置方式：支持 XML、Java 注解（@Component、@Configuration）和 Java Config。

  • public interface ApplicationContext extends 
        EnvironmentCapable,          // 环境配置
        ListableBeanFactory,         // 扩展 BeanFactory（支持按类型获取 Bean）
        HierarchicalBeanFactory,     // 层级容器
        MessageSource,               // 国际化
        ApplicationEventPublisher,   // 事件发布
        ResourcePatternResolver {    // 资源加载
    }
    

Bean 加载机制

• BeanFactory：延迟加载（Lazy Initialization），只有在调用 getBean() 时才会实例化 Bean。

• ApplicationContext：预加载单例 Bean，在容器启动时（refresh() 方法）完成所有非延迟单例 Bean 的实例化。

• 循环依赖处理：通过 三级缓存 解决循环依赖，但需要开发者手动处理 BeanPostProcessor 的依赖关系。

  private final Map<String, Object> singletonObjects = ...;       // 一级缓存（完整 Bean）
  private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = ...;  // 二级缓存（早期引用）
  private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = ...; // 三级缓存（工厂对象）
  

核心区别

对比项	BeanFactory	ApplicationContext
功能定位	基础容器，仅提供 IoC/DI 核心功能	高级容器，集成企业级扩展功能
Bean 加载	延迟加载（按需实例化）	预加载单例 Bean（启动时完成）
扩展能力	无事件、国际化、AOP 等支持	支持事件、国际化、资源抽象、AOP 等
配置方式	仅支持 XML	支持 XML、注解、Java Config
实际使用	极少直接使用	Spring 应用的标准容器

资源定位与Resource体系

Resource接口与实现类

• ClassPathResource：类路径下的资源
• FileSystemResource：文件系统资源
• UrlResource： URL资源（HTTP、FTP等）
• ServletContextResource：Web应用上下文资源
• ByteArrayResource：内存字节数组资源

public interface Resource extends InputStreamSource {
    boolean exists();          // 资源是否存在
    boolean isReadable();      // 资源是否可读
    boolean isOpen();          // 资源是否为流形式（如网络资源）
    URL getURL() throws IOException;
    File getFile() throws IOException;
    String getDescription();   // 资源描述（如文件路径）
}

资源定位的核心接口

• ResourceLoader：根据路径字符串（如classpath:app.xml）返回对应的Resource对象。
• ResourcePatternResolver：支持通配符（如classpath*:config/*.xml）匹配多个资源。
• ApplicationContext与资源加载：所有ApplicationContext均实现了ResourceLoader接口，可直接调用getResource()方法。

资源定位流程（以XML配置为例）

• 构造方法传入配置文件路径：new ClassPathXmlApplicationContext("classpath:application.xml")
• 解析路径为Resource数组：使用PathMatchingResourcePatternResolver解析路径，生成Resource[]
• 加载并读取资源：XmlBeanDefinitionReader读取Resource中的XML配置；解析Bean定义并注册到BeanFactory。

BeanDefinition的加载与解析（XML、注解）

BeanDefinition的核心属性

• Bean的类名（beanClassName）
• 作用域（scope，如singleton、prototype）
• 是否延迟加载（lazyInit）
• 初始化/销毁方法（initMethodName、destroyMethodName）
• 依赖关系（通过构造函数参数或属性注入）
• 工厂方法（factoryMethodName，用于静态工厂或实例工厂创建Bean）

XML配置的加载与解析流程

• 资源定位与读取

  • 入口类：XmlBeanDefinitionReader（负责读取XML文件并解析为BeanDefinition）。
  • 资源定位：通过ResourceLoader（如ClassPathResource）加载XML文件。
  • 文档解析：使用DocumentLoader将XML文件解析为Document对象（基于DOM或SAX）。
  • BeanDefinition解析：遍历Document中的元素（如<bean>标签），生成BeanDefinition。

• XML解析的核心类

  • DefaultBeanDefinitionDocumentReader：遍历XML文档中的根元素（<beans>）及其子元素（<bean>等）。
  • BeanDefinitionParserDelegate：具体解析每个<bean>标签，处理属性（如id、class、scope）和子元素。

注解配置的加载与解析流程

• 组件扫描与注解处理器
  • 入口类：ClassPathBeanDefinitionScanner（负责扫描类路径下的注解类）。
  • 核心注解：@Component（及其派生注解@Service等）、@Configuration、@Bean、@Autowired、@Value
• 组件扫描流程
  • 配置扫描路径：通过@ComponentScan(basePackages = "com.example")指定包路径。
  • 类路径扫描：使用ClassPathScanningCandidateComponentProvider筛选候选类。
  • 生成BeanDefinition：对带有@Component的类生成ScannedGenericBeanDefinition。
• 注解解析的核心类
  • AnnotatedBeanDefinitionReader：处理@Configuration类中的@Bean方法，将其转换为ConfigurationClassBeanDefinition。
  • AutowiredAnnotationBeanPostProcessor：处理@Autowired和@Value注解，实现依赖注入。

Bean的实例化过程：构造函数、工厂方法

Bean实例化整体流程

• 实例化（Instantiation）：创建Bean的原始对象（通过构造函数或工厂方法）。
• 属性填充（Population）：依赖注入（DI）及设置属性值。
• 初始化（Initialization）：调用初始化方法（如init-method）及应用后置处理器。
• 销毁（Destruction）（可选）：容器关闭时调用销毁方法。

实例化阶段（Instantiation）

• 目标：根据Bean定义创建Bean的原始对象。

• 默认构造函数：无参构造函数（最常见方式）。

• 静态工厂方法：通过factory-method指定静态方法。

• 实例工厂方法：通过factory-bean和factory-method指定实例方法。

• 三级缓存机制：

  • 一级缓存（singletonObjects）：存放完全初始化的单例Bean。

  • 二级缓存（earlySingletonObjects）：存放早期暴露的Bean（未完成属性填充）。

  • 三级缓存（singletonFactories）：存放Bean的工厂对象，用于生成早期引用。

属性填充（Population）

• 目标：为Bean注入依赖的属性和值。

• Setter注入：通过<property>标签或@Autowired注解。

• 构造器注入：通过<constructor-arg>标签或构造函数参数上的@Autowired。

• 自动装配（Autowiring）

  • 按类型（byType）：根据类型匹配候选Bean。

  • 按名称（byName）：根据属性名匹配Bean名称。

  • 注解驱动：通过@Autowired、@Resource或@Inject实现。

初始化阶段（Initialization）

• 目标：执行初始化逻辑，使Bean达到可用状态。
• Aware接口回调：调用BeanNameAware.setBeanName()、BeanFactoryAware.setBeanFactory()等。
• BeanPostProcessor前置处理：调用postProcessBeforeInitialization()（如@PostConstruct处理）。
• 自定义初始化方法：调用InitializingBean.afterPropertiesSet()或XML中配置的init-method。
• BeanPostProcessor后置处理：调用postProcessAfterInitialization()（如AOP代理的生成）。
• AOP代理生成：postProcessAfterInitialization()阶段，AbstractAutoProxyCreator会为需要代理的Bean生成动态代理对象

销毁阶段（Destruction）

• 目标：容器关闭时释放资源。
• 实现DisposableBean接口：重写destroy()方法。
• XML配置destroy-method：指定自定义销毁方法。
• 注解@PreDestroy：标记销毁前执行的方法。