【Spring系列】- 手写模拟Spring框架
简单模拟Spring
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前言
上次已经学习了Java的设计模式，接下来就先来学习一下如何手写模拟简易的Spring，通过动手实践，才会更好的了解spring底层原理，今天就简单的模拟Spring容器是如何创建，bean又是如何注入的。
来看一下本次案例的spring类图
Spring容器
模拟spring，首先就是需要一个容器，是Spring的核心，一切Spring bean都存储在Spring容器内，并由其通过IoC技术管理。Spring容器也就是一个bean工厂（BeanFactory）。应用中bean的实例化，获取，销毁等都是由这个bean工厂管理的。就像我们刚开始学习的时候接触的ApplicationContext，就是spring的容器，他就是为了完成容器的配置，初始化，管理bean的。因此笔者自己创建了一个LydApplicationContext来模拟简单的spring容器。
开始使用
首先通过new LydApplicationContext(AppConfig.class)实例化对象，在通过applicationContext.getBean("userService")去获得bean对象。然而在容器的初始化可是做了许多的事情，包括扫描、实例化bean等等操作。
初始容器创建：
public class LydApplicationContext {
private Class configClass;
public LydApplicationContext(Class configClass) { // 构造方法
this.configClass = configClass;
}
}
Spring扫描底层实现
Spring容器建好之后我们就需要通过配置文件的注解获取扫描路径，我们需要获取所有的bean，并且需要实例对象。在此我们需要一个配置文件，就是使用new LydApplicationContext(AppConfig.class) 实例携带的配置类，当然这里有好多的形式，也可以是通过xml文件来处理。
配置文件AppConfig.java
这个就是为了提供扫描的包路径的，不做任何操作，所以不需要其他代码。
@ComponentScan("com.lyd.service") // 扫描路径，扫描这个包下的
public class AppConfig {
}
通过注解存放这个包路径，在后面可以通过这个注解来获取包路径，所以就需要我们创建一个ComponentScan注解。
编写ComponentScan注解
这个注解是用来spring容器扫描包为之提供包路径。
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface ComponentScan {
// 指定扫描路径
String value() default "";
}
编写Component注解
在Spring中，通过Component注解将bean注入Spring容器中，这里我们也采用高这个注解。
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Component {
String value() default "";
}
获取包路径
既然已经通过注解将包路径存在配置类中，接下来就可以通过这个注解来得到。但是，在这里需要注意的是，我们扫描的并非是java源文件，而是编译后的class文件。我们需要在LydApplicationContext的构造方法中去实现。
首先，我们需要通过isAnnotationPresent方法先判断是否存在ComponentScan注解，在通过类的getAnnotation方法来得到注解。这样就可以直接得到注解上的值。这个值就是我们写入的包路径，注意，这里的路径是com.lyd.service，而我们需要用替换方法将'.'替换成'/'，因为在后面获取资源路径的时候，用的是com/lyd/service这种形式，也就是相对路径。
接下来需要获取资源路径，这个时候就需要用到类加载器LydApplicationContext.class.getClassLoader()，类加载器中有一个getResource(path)方法，这个可以根据传入的路径获取相应的资源，最后是能够拼出我们需要的绝对路径。
if (configClass.isAnnotationPresent(ComponentScan.class)) {
ComponentScan componentScanAnnotation = (ComponentScan) configClass.getAnnotation(ComponentScan.class);
// 1.1 扫描路径:只是个包名,扫描的是java的class文件，而并非源文件，com.lyd.service
String path = componentScanAnnotation.value();
// 1.2 将路径文件替换成/的形式
path = path.replace(".","/");
// 1.3 通过类加载器获取资源路径
ClassLoader classLoader = LydApplicationContext.class.getClassLoader();
URL resource = classLoader.getResource(path);
// 1.4 转成文件形式，主要是为了获取他的绝对地址
File file = new File(resource.getFile());
System.out.println(file);
}
通过类加载器得到的资源有个获取File的方法，然后我们通过File file = new File(resource.getFile());将资源转成File类型，因为他可以表示一个地址或者是具体文件。扫描就是扫描文件路径，也就是文件夹。我们可以打印看一下这个地址：
判断是否为文件夹，如果是，那就获取里面的所有文件，在通过遍历这些文件，获取绝对路径。
if (file.isDirectory()) { // 如果是文件夹
File[] files = file.listFiles();
for (File f : files) {
String absolutePath = f.getAbsolutePath(); // 获取绝对路径
System.out.println("绝对路径：" + absolutePath);
}
}
我们可以打印出来看一下：
因为我们要的是编译的.class文件，因此需要在遍历文件的时候进行判断文件是否为.class文件。为了拿到这个类，需要通过全限定名使用类加载器获取类 ，也就是利用反射机制。我们都知道，spring是通过Component注解来将bean注入spring的，因此最后就是通过判断是否有这个注解来得到一个bean。
for (File f : files) {
String absolutePath = f.getAbsolutePath(); // 获取绝对路径
System.out.println("绝对路径：" + absolutePath);
// 1.5 对编译文件进行处理
if (absolutePath.endsWith(".class")) { // 判断是否为编译文件
/**
* 需要拿到的是编译文件，通过类加载器去获取
* 需要将com\lyd\service\UserService转成com.lyd.service.UserService
*/
String className = absolutePath.substring(absolutePath.indexOf("com"), absolutePath.indexOf(".class"));
className = className.replace("\\", ".");
System.out.println("类名：" + className);
try {
// 1.6 通过全限定名使用类加载器获取类 (利用反射机制)
Class<?> clazz = classLoader.loadClass(className);
// 1.7 在通过这个clazz（类）来判断是否有component注解，有则是bean
if (clazz.isAnnotationPresent(Component.class)) {
// 到这里就是一个bean
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
最后我们需要的地址就是如下：
Spring生成BeanDefinition
在我们Spring容器启动或者是扫描的时候，并不建议直接实例化bean对象，因为bean是区分单例和多例的，多例bean我们是需要用到的时候再去创建。这个时候就需要生成BeanDefinition，即bean的定义，这个类存储了类和作用域(单例还是多例)。
定义Scope注解
通过Scope这个注解来标明是单例bean还是多例bean。
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Scope {
String value() default "";
}
定义BeanDefinition
在spring中，不会在获取bean的时候再去解析是否为单例，而是通过BeanDefinition类来操作。对bean的定义，记录了bean类和作用域。
public class BeanDefinition {
private Class type;
private String scope; // 单例多例
public Class getType() {
return type;
}
public void setType(Class type) {
this.type = type;
}
public String getScope() {
return scope;
}
public void setScope(String scope) {
this.scope = scope;
}
}
因为我们注入spring的bean对象是有Component注解，因此在扫描的时候，我们会通过这个获得到bean，在这时候去创建BeanDefinition对象。通过判断注解上的值来赋值其作用域，如果没有设置，就默认是单例模式。
创建好的bean对象，我们还需要将他进行保存起来，这个就需要定义ConcurrentHashMap<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>();存储beanDefinition。key是component的值，如果component没有传入beanName的值，那就使用spring的命名规则，采用类名首字母小写。
// 1.7 在通过这个clazz（类）来判断是否有component注解，有则是bean
if (clazz.isAnnotationPresent(Component.class)) {
Component annotation = clazz.getAnnotation(Component.class);
String beanName = annotation.value();
// * 默认生成bean，如果只使用Component注解，没有写上beanName的值，那么就需要自动生成
if (beanName.equals("")) {
// 默认开头小字母
beanName = Introspector.decapitalize(clazz.getSimpleName());
}
/**
* 這就是一个bean了
* 然而在这里并不是直接就创建bean了，bean分为了单例bean和多例bean
*/
BeanDefinition beanDefinition = new BeanDefinition();
beanDefinition.setType(clazz);
if (clazz.isAnnotationPresent(Scope.class)) { // 判断是单例还是多例
Scope scope = clazz.getAnnotation(Scope.class);
beanDefinition.setScope(scope.value());
} else {
beanDefinition.setScope("singleton");
}
beanDefinitionMap.put(beanName, beanDefinition);
}
getBean底层
通过传来一个beanName，通过beanDefinitionMap中获取key为beanName的BeanDefinition对象，进行判空处理。这样我们可以通过这个BeanDefinition对象去获取作用域，判断是否为单例。
获取bean
在此，我们创建单例的时候，是需要将单例保存起来的，需要定义ConcurrentHashMap<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>();单例池来保存单例bean。然后在getBean的时候，如果是单例bean，就可以先去单例池中寻找，如果没找到，再去创建对象。而多例模式就需要每次都去创建。
// 获取bean对象
public Object getBean(String beanName) {
BeanDefinition beanDefinition = beanDefinitionMap.get(beanName);
if (beanDefinition == null) {
throw new NullPointerException("找不到bean名字为[" + beanName + "]的bean对象");
} else { // 找到就做相应的操作
String scope = beanDefinition.getScope();
if (scope.equals("singleton")) {
// 通过单例池获取
Object bean = singletonObjects.get(beanName);
if (bean == null) {
// 单例池中如果没有bean，就需要去创建
bean = createBean(beanName, beanDefinition);
singletonObjects.put(beanName, bean);
}
return bean;
} else {
// 多例的就不需要记录，每次都是通过创建
return createBean(beanName, beanDefinition);
}
}
}
创建bean
利用反射机制，通过无参构造方法去获取实例，这里就是bean对象实例了。就可以直接返回。
// 创建bean
private Object createBean(String beanName, BeanDefinition definition) {
// 利用反射获取实例，采用无参构造方法
Class clazz = definition.getType();
// 通过无参构造方法获取实例
try {
Object instance = clazz.getConstructor().newInstance(); // 到这里直接返回，bean的对象也就创建完成
return instance;
} catch (InstantiationException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
在构造方法扫描后要根据生成的beanDefinitionMap去创建单例bean对象。
// 2 创建单例bean对象
for (String beanName : beanDefinitionMap.keySet()) {
BeanDefinition beanDefinition = beanDefinitionMap.get(beanName);
if (beanDefinition.getScope().equals("singleton")) { // 那么，如何保证单例呢？就需要有个单例池,singletonObjects
Object bean = createBean(beanName, beanDefinition);
singletonObjects.put(beanName, bean); // 将单例bean存到单例池中
}
}
运行
public class Test {
public static void main(String[] args) {
LydApplicationContext applicationContext = new LydApplicationContext(AppConfig.class);
System.out.println(applicationContext.getBean("userService"));
System.out.println(applicationContext.getBean("userService"));
System.out.println(applicationContext.getBean("userService"));
System.out.println(applicationContext.getBean("userService"));
System.out.println(applicationContext.getBean("userService"));
}
}
我们可以先使用单例模式进行测试，我们不加scope注解，并且获取多个bean，可以看到得到的bean对象是同一个。
多例的时候在scope标上值，就可以看到每次获取的bean对象都是不一样的。
Autowired自动依赖注入
当我们在UserService中使用RoleService，我们就需要通过Autowired注解进行依赖注入。就是需要在createBean方法中，在创建实例之后，获取类中的字段，进行依赖注入，要通过判断Autowried注解。通过字段的set方法，将bean对象注入，而这个对象如何获得呢？那就是用过getBean()方法。
// 3 依赖注入
for (Field field : clazz.getDeclaredFields()) {
// 判断字段上是否存在Autowried注解
if (field.isAnnotationPresent(Autowired.class)) {
/**
* 值为 true 则指示反射的对象在使用时应该取消 Java 语言访问检查。
* 值为 false 则指示反射的对象应该实施 Java 语言访问检查;
* 实际上setAccessible是启用和禁用访问安全检查的开关,并不是为true就能访问为false就不能访问 ；
*/
field.setAccessible(true); // 反射需要设置这个，不然无法赋值
// 用其属性名，这就意味着private RoleService roleService;roleService不能乱取
field.set(instance, getBean(field.getName()));
}
}
Aware回调机制与初始化
Aware回调
那如果我们需要获取当前bean的名字呢？那就得通过Aware回调机制。我们需要创建一个BeanNameAware接口，里面提供一个setBeanName方法。
public interface BeanNameAware {
public void setBeanName(String beanName);
}
在createBean方法中去编写回调机制，通过判断这个实例是否有BeanNameAware这个类，通过setName方法间接传递了beanName。
// 4 Aware回调机制
if (instance instanceof BeanNameAware) {
((BeanNameAware)instance).setBeanName(beanName);
}
在UserService方法中去实现这个BeanNameAware方法，这就能够在UserService里的beanName字段中得到这个bean对象的真实的beanName了。
@Component("userService") // 注入spring
@Scope("property")
public class UserService implements BeanNameAware, InitializingBean {
@Autowired
private RoleService roleService; // 依赖注入，加上@Autowired注解
private String beanName;
@Override
public void setBeanName(String beanName) {
this.beanName = beanName;
}
public void test() {
System.out.println("RoleService: " + roleService);
}
@Override
public void afterPropertiesSet() {
// ......
System.out.println("初始化");
}
}
初始化
在spring容器中，不只是完成bean对象的创建，还需要能够对bean进行初始化。需要创建InitializingBean接口类。
public interface InitializingBean {
public void afterPropertiesSet();
}
在需要进行初始化的bean对象去实现这个接口的方法，这里main可以进行一些操作。在createBean中，会根据判断是否有InitializingBean类，会在实例化之后调用这个方法进行初始化。
// 5 初始化
if (instance instanceof InitializingBean) {
((InitializingBean)instance).afterPropertiesSet();
}
结果
BeanPostProcessor
BeanPostProcessor可以对spring中bean的创建去做一些操作。
BeanPostProcessor接口
在spring中定义一个BeanPostProcessor接口，里面会有初始化前后操作的方法，并且将beanName和bean对象带入进行自定义的操作。
public interface BeanPostProcessor {
public Object postBeforeProcessor(String beanName, Object bean); // 初始化前
public Object postAfterProcessor(String beanName, Object bean); // 初始化后
}
自定义BeanPostProcessor
这里可以定义自己的类去实现spring中的BeanPostProcessor，对初始化进行一些相应操作。并且能够根据某个bean对象来做不同的操作。原理就是将MyBeanPostProcessor注入到容器中，在扫描的时候将这个对象保存起来，在创建bean的时候去遍历BeanPostProcessor集合，在去调用这个实例的方法。
@Component // 需要注入spring
public class MyBeanPostProcessor implements BeanPostProcessor {
@Override
public Object postBeforeProcessor(String beanName, Object bean) {
System.out.println("初始化前的bean：" + beanName + " -- " + bean);
return bean;
}
@Override
public Object postAfterProcessor(String beanName, Object bean) {
System.out.println("初始化后的bean：" + beanName + " -- " + bean);
return bean;
}
}
然而，在spring扫描的时候会进行操作，因为自己实现的BeanPostProcessor是通过Component注解注入spring容器的。因此可以通过判断有Component注解时候，进行判断是否含有BeanPostProcessor类，如果有生成BeanPostProcessor对象，并且将其实例添加到beanPostProcessorList容器中。在此就需要定义ArrayList<BeanPostProcessor> beanPostProcessorList = new ArrayList<>();来记录BeanPostProcessor。
// 6 判断是否是并加入beanPostProcessorList,这里不能使用instanceof
if (BeanPostProcessor.class.isAssignableFrom(clazz)) {
// 直接生成对象
BeanPostProcessor instance = (BeanPostProcessor) clazz.newInstance();
// 然后保存进去
beanPostProcessorList.add(instance);
}
接着就可以在创建bean对象的时候，在初始化前后去遍历这个BeanPostProcessor链表，调用相应的方法，就能够调用自定义的MyBeanPostProcessor的方法。
// 6 BeanPostProcessor 初始化前 AOP 遍历beanPostProcessorList
for (BeanPostProcessor beanPostProcessor : beanPostProcessorList) {
instance = beanPostProcessor.postBeforeProcessor(beanName, instance);
}
// 5 初始化
if (instance instanceof InitializingBean) {
((InitializingBean)instance).afterPropertiesSet();
}
// 6 BeanPostProcessor 初始化后 AOP
for (BeanPostProcessor beanPostProcessor : beanPostProcessorList) {
instance = beanPostProcessor.postAfterProcessor(beanName, instance);
}
运行结果：.
AOP机制
需要通过代理对象。这样如果不进行操作，返回的对象还是原来的，如果是通过操作了，那么返回的就是代理的对象。这里就简单的打印一句话。在扫描的时候，扫到userService这个bean的时候，返回的实例就是代理对象。
@Override
public Object postAfterProcessor(String beanName, Object bean) {
System.out.println("初始化后的bean：" + beanName + " -- " + bean);
if (beanName.equals("userService")) {
// 创建一个代理对象, 代理的是UserInterface这个
Object proxyInstance = Proxy.newProxyInstance(MyBeanPostProcessor.class.getClassLoader(), bean.getClass().getInterfaces(), new InvocationHandler() {
@Override
/**
* proxy：代理对象
* method：代理对象当前正在执行的方法
*/
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
System.out.println("切面逻辑");
return method.invoke(bean, args);
}
});
return proxyInstance;
}
return bean;
}
源码备注
spring
LydApplicationContext
public class LydApplicationContext {
private Class configClass; // 注入的配置类
private ConcurrentHashMap<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>(); // key是component名字
private ConcurrentHashMap<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(); // 单例池
private ArrayList<BeanPostProcessor> beanPostProcessorList = new ArrayList<>(); // 记录BeanPostProcessor，在扫描的时候判断，使用
public LydApplicationContext(Class configClass) { // 构造方法
this.configClass = configClass;
// spring容器创建之后
// 1 扫描
// 通过配置文件的注解获取扫描路径
if (configClass.isAnnotationPresent(ComponentScan.class)) {
ComponentScan componentScanAnnotation = (ComponentScan) configClass.getAnnotation(ComponentScan.class);
// 1.1 扫描路径:只是个包名,扫描的是java的class文件，而并非源文件，com.lyd.service
String path = componentScanAnnotation.value();
// 1.2 将路径文件替换成/的形式
path = path.replace(".","/");
// 1.3 通过类加载器获取资源路径
ClassLoader classLoader = LydApplicationContext.class.getClassLoader();
URL resource = classLoader.getResource(path);
// 1.4 转成文件形式，主要是为了获取他的绝对地址
File file = new File(resource.getFile());
// System.out.println(file);
if (file.isDirectory()) { // 如果是文件夹
File[] files = file.listFiles();
for (File f : files) {
String absolutePath = f.getAbsolutePath(); // 获取绝对路径
System.out.println("绝对路径：" + absolutePath);
// 1.5 对编译文件进行处理
if (absolutePath.endsWith(".class")) { // 判断是否为编译文件
/**
* 需要拿到的是编译文件，通过类加载器去获取
* 需要将com\lyd\service\UserService转成com.lyd.service.UserService
*/
String className = absolutePath.substring(absolutePath.indexOf("com"), absolutePath.indexOf(".class"));
className = className.replace("\\", ".");
System.out.println("类名：" + className);
try {
// 1.6 通过全限定名使用类加载器获取类 (利用反射机制)
Class<?> clazz = classLoader.loadClass(className);
// 1.7 在通过这个clazz（类）来判断是否有component注解，有则是bean
if (clazz.isAnnotationPresent(Component.class)) {
// 6 判断是否是并加入beanPostProcessorList,这里不能使用instanceof
if (BeanPostProcessor.class.isAssignableFrom(clazz)) {
// 直接生成对象
BeanPostProcessor instance = (BeanPostProcessor) clazz.newInstance();
// 然后保存进去
beanPostProcessorList.add(instance);
}
Component annotation = clazz.getAnnotation(Component.class);
String beanName = annotation.value();
// * 默认生成bean，如果只使用Component注解，没有写上beanName的值，那么就需要自动生成
if (beanName.equals("")) {
// 默认开头小字母
beanName = Introspector.decapitalize(clazz.getSimpleName());
}
/**
* 這就是一个bean了
* 然而在这里并不是直接就创建bean了，bean分为了单例bean和多例bean
*/
BeanDefinition beanDefinition = new BeanDefinition();
beanDefinition.setType(clazz);
if (clazz.isAnnotationPresent(Scope.class)) { // 判断是单例还是多例
Scope scope = clazz.getAnnotation(Scope.class);
beanDefinition.setScope(scope.value());
} else {
beanDefinition.setScope("singleton");
}
beanDefinitionMap.put(beanName, beanDefinition);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
// 2 创建单例bean对象
for (String beanName : beanDefinitionMap.keySet()) {
BeanDefinition beanDefinition = beanDefinitionMap.get(beanName);
if (beanDefinition.getScope().equals("singleton")) { // 那么，如何保证单例呢？就需要有个单例池,singletonObjects
Object bean = createBean(beanName, beanDefinition);
singletonObjects.put(beanName, bean); // 将单例bean存到单例池中
}
}
}
// 创建bean
private Object createBean(String beanName, BeanDefinition definition) {
// 利用反射获取实例，采用无参构造方法
Class clazz = definition.getType();
// 通过无参构造方法获取实例
try {
Object instance = clazz.getConstructor().newInstance(); // 到这里直接返回，bean的对象也就创建完成
// 3 依赖注入
for (Field field : clazz.getDeclaredFields()) {
// 判断字段上是否存在Autowried注解
if (field.isAnnotationPresent(Autowired.class)) {
/**
* 值为 true 则指示反射的对象在使用时应该取消 Java 语言访问检查。
* 值为 false 则指示反射的对象应该实施 Java 语言访问检查;
* 实际上setAccessible是启用和禁用访问安全检查的开关,并不是为true就能访问为false就不能访问 ；
*/
field.setAccessible(true); // 反射需要设置这个，不然无法赋值
// 用其属性名，这就意味着private RoleService roleService;roleService不能乱取
field.set(instance, getBean(field.getName()));
}
}
// * instanceof：是针对某个对象去判断是否实现某个类
// 4 Aware回调机制
if (instance instanceof BeanNameAware) {
((BeanNameAware)instance).setBeanName(beanName);
}
// 6 BeanPostProcessor 初始化前 AOP 遍历beanPostProcessorList
for (BeanPostProcessor beanPostProcessor : beanPostProcessorList) {
instance = beanPostProcessor.postBeforeProcessor(beanName, instance);
}
// 5 初始化
if (instance instanceof InitializingBean) {
((InitializingBean)instance).afterPropertiesSet();
}
// 6 BeanPostProcessor 初始化后 AOP
for (BeanPostProcessor beanPostProcessor : beanPostProcessorList) {
instance = beanPostProcessor.postAfterProcessor(beanName, instance);
}
return instance;
} catch (InstantiationException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
} catch (NoSuchMethodException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
// 获取bean对象
public Object getBean(String beanName) {
BeanDefinition beanDefinition = beanDefinitionMap.get(beanName);
if (beanDefinition == null) {
throw new NullPointerException("找不到bean名字为[" + beanName + "]的bean对象");
} else { // 找到就做相应的操作
String scope = beanDefinition.getScope();
if (scope.equals("singleton")) {
// 通过单例池获取
Object bean = singletonObjects.get(beanName);
if (bean == null) {
// 单例池中如果没有bean，就需要去创建
bean = createBean(beanName, beanDefinition);
singletonObjects.put(beanName, bean);
}
return bean;
} else {
// 多例的就不需要记录，每次都是通过创建
return createBean(beanName, beanDefinition);
}
}
}
}
service
test
public class Test {
public static void main(String[] args) {
LydApplicationContext applicationContext = new LydApplicationContext(AppConfig.class);
// UserService userService = (UserService) applicationContext.getBean("userService");
UserInterface userService = (UserInterface) applicationContext.getBean("userService");
// System.out.println(applicationContext.getBean("userService"));
// System.out.println(applicationContext.getBean("roleService"));
userService.test();
}
}
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