Spring IoC的一些知识点

在日常开发中，接触得比较多的算是Spring生态了，Spring Ioc是Spring Framework重要的组成部分，下面整理了一些Spring Ioc的知识点。

1. 什么是IoC

IoC(Inversion of Control)，翻译过来就是控制反转，它是一种设计思想，这个设计思想说明了 “由谁控制，控制了什么，为何反转，反转了什么”。

• 控制

Java通过new来创建对象，而IoC有专门的容器控制对象创建，即Ioc控制了对象的创建（实际还包含更多的外部资源，如配置等）

• 反转

使用IoC容器管理对象时，对象持有的依赖对象是由IoC注入的，即对象只是被动的接受了依赖对象，也即依赖对象的获取反转了。

如：需要对 UserService 这个类进行单元测试，其中 UserService 还依赖 UserAddressService：

public class UserServiceTests {
    public void test() {
        // ...
    }
}
 
public class UserService {
    public UserAddressService userAddressService;
}
 
public class UserAddressService {
}

那么在没有IoC的情况下，UserServiceTests.test() 测试流程为：

1. 创建UserService对象
2. 创建UserAddressService对象
3. 将UserAddressService对象注入到UserService中

而在使用IoC的情况下，UserServiceTests.test() 测试流程则为：

1. UserServiceTests获取UserService对象
2. IoC控制：
   1. 创建UserService对象
   2. 创建UserAddressService对象
3. IoC反转：
   1. 将UserAddressService对象注入到UserService中

可以用“别找我们，我们找你”来总结IoC的思想，即由IoC容器帮对象找相应的依赖对象注入，而不是由对象主动去找依赖对象注入。

2. IoC的另一个角度

DI(Dependency Injection)，翻译过来就是依赖注入，可以理解为从另一个角度的IoC思想，这里的依赖注入是指：

• 依赖

应用程序依赖了IoC容器，应用程序需要IoC来提供对象需要的资源（包括依赖对象，配置等）

• 注入

IoC容器注入应用程序需要的某个对象以及应用程序依赖的对象（实际还包含更多的外部资源，如配置等）。

3. BeanFactory和ApplicationContext

Spring的 org.springframework.beans 和 org.springframework.context 包是IoC的基础，其中：

• BeanFactory 接口提供了IoC容器最基本功能
• ApplicationContext 是BeanFactory的子接口，提供了更多的功能，包含SpringAOP，i18n国际化，事件，以及不同层次的context实现（如WebApplicationContext）

下面举例两者构建IoC容器的方式，这里使用XML直接开启注解的方式声明Bean：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans
        https://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd
        http://www.springframework.org/schema/context
        https://www.springframework.org/schema/context/spring-context.xsd">
 
    <context:component-scan base-package="io.michong2022.spring.bean.demo"/>
</beans>

上面spring.xml的 <context:component-scan> 配置会启用 <context:annotation-config/>，而<context:annotation-config/> 会注册下面的Bean：

• ConfigurationClassPostProcessor
• AutowiredAnnotationBeanPostProcessor
• CommonAnnotationBeanPostProcessor
• PersistenceAnnotationBeanPostProcessor
• EventListenerMethodProcessor

在 io.michong2022.spring.bean.demo 包中声明了两个Bean（UserService, UserAddressService）：

/**
 * @author 米虫2022
 */
@Service
public class UserService {
 
    @Autowired
    private UserAddressService userAddressService;
}

BeanFactory构建IoC容器：

@Test
public void testBeanFactory() {
    DefaultListableBeanFactory beanFactory = new DefaultListableBeanFactory();
    XmlBeanDefinitionReader reader = new XmlBeanDefinitionReader(beanFactory);
    reader.loadBeanDefinitions("spring.xml");
 
    beanFactory.addBeanPostProcessor(beanFactory.getBean(AutowiredAnnotationBeanPostProcessor.class));
    UserService userService = beanFactory.getBean(UserService.class);
    Assertions.assertNotNull(userService);
}

ApplicationContext构建IoC容器：

@Test
public void testApplicationContext() {
    ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("spring.xml");
    UserService userService = context.getBean(UserService.class);
    Assertions.assertNotNull(userService);
}

这里会加载7个Bean，2个自定义的，以及5个context:annotation-config注册的：

Loaded 7 bean definitions from class path resource [spring.xml]

默认情况下自定义的Bean是单例的：

Creating shared instance of singleton bean 'userService'

4. IoC Bean的构建

针对Ioc Bean的构建，BeanFactory和ApplicationContext的行为有些许不同，以ClassPathXmlApplicationContext为例，它会在refresh()的时候，
通过 finishBeanFactoryInitialization(beanFactory) 将Bean都初始化，而BeanFactory则在getBean()的时候才真正的创建Bean。

以单例Bean的构建为例，Bean构建流程如下：

其中：Bean单例对象由DefaultSingletonBeanRegistry的singletonObjects管理，DefaultListableBeanFactory的父类继承了DefaultSingletonBeanRegistry。

5. Bean的循环依赖

Bean的循环依赖，指Bean直接或间接的依赖构成了环，如：A -> B, B -> C, C -> A，下面是一个例子：

@Service
public class UserService {
    // UserService依赖UserAddressService
    @Autowired
    private UserAddressService userAddressService;
}
 
@Service
public class UserAddressService {
    // UserAddressService也依赖UserService
    @Autowired
    private UserService userService;
}

• Spring解决了单例Bean的Setter的循环依赖，对于构造函数循环依赖和非单例的Bean循环依赖会抛出异常。

DefaultSingletonBeanRegistry中有一些容器管理着Bean创建过程的状态：

• singletonObjects： 创建成功的单例Bean对象缓存池
• singletonFactories： 提前暴露的Bean对象工厂缓存池，工厂提供Bean完成了实例化，并没有完成依赖注入
• earlySingletonObjects： 提前暴露的Bean对象缓存池
• registeredSingletons： 已经注册的Bean名称
• singletonsCurrentlyInCreation： 正在创建的Bean

Bean的依赖注入流程如下：

在流程图的黄色部分，Spring会根据下面的顺序获取依赖的Bean对象：

1. 尝试从singletonObjects获取已经成功创建的Bean
2. 如果(1)获取不到，判断需要获取的Bean是否处理构建中，即是否登记在singletonsCurrentlyInCreation中
3. 如果需要获取的Bean登记在singletonsCurrentlyInCreation中，那么尝试从earlySingletonObjects获取Bean
4. 如果(3)获取不到，那么从singletonFactories获取Bean的工厂，获取Bean对象，将Bean对象放入earlySingletonObjects中，且将工厂从singletonFactories移除

注意：从Bean工厂获取的Bean，并不是完成注入的Bean对象。

按上面的流程，例子中，测试用例 beanFactory.getBean(UserService.class); 获取Bean执行的流程如下：

1. 构建UserService，登记singletonsCurrentlyInCreation和singletonFactories
2. 为UserService注入UserAddressService对象（UserAddressService此时没有创建，暂停执行步骤3.）
3. 构建UserAddressService，登记singletonsCurrentlyInCreation和singletonFactories
4. 为UserAddressService注入UserService对象，从singletonFactories获取UserService工厂，从而获取UserService对象（UserAddressService属性为空）放入earlySingletonObjects中，并将UserService的工厂从singletonFactories移除，将获取的UserService对象注入
5. UserAddressService对象构建完成，将放入singletonObjects中，并将UserAddressService工厂从singletonFactories移除
6. 完成Bean的构建流程，在afterSingletonCreation中从singletonsCurrentlyInCreation移除
7. 继续步骤2.

下面是流程图黄色部分的源码实现：

@Nullable
protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
   // Quick check for existing instance without full singleton lock
   Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
   if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
      singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
      if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
         synchronized (this.singletonObjects) {
            // Consistent creation of early reference within full singleton lock
            singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
            if (singletonObject == null) {
               singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
               if (singletonObject == null) {
                  ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
                  if (singletonFactory != null) {
                     singletonObject = singletonFactory.getObject();
                     this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
                     this.singletonFactories.remove(beanName);
                  }
               }
            }
         }
      }
   }
   return singletonObject;
}

不支持循环依赖的Bean构建：

• 构造函数注入循环依赖，抛org.springframework.beans.factory.UnsatisfiedDependencyException异常
• 非单例对象注入循环依赖，抛org.springframework.beans.factory.UnsatisfiedDependencyException异常

7. 自动装配

自动装配是指Spring自动的注入对象，Spring可以通过注解@Autowired来完成自动装配，默认情况下，@Autowired优先通过属性名称注入，即byName注入优先。

下面这个例子，自动装配会发生异常：

public interface Address {
}
 
@Service("provinceAddress")
public class ProvinceAddress implements Address {
}
 
@Service("cityAddress")
public class CityAddress implements Address {
}
 
@Service
public class UserService {
    @Autowired
    private Address address;
}

出现如下异常：

No qualifying bean of type 'io.michong2022.spring.bean.demo.Address' available: expected single matching bean but found 2: cityAddress,provinceAddress

可以通过如下方式解决：

1. 修改变量名address为想要注入的Bean名称，如cityAddress或provinceAddress
2. 为CityAddress或ProvinceAddress加上@Primary注解，标注为默认的注入对象
3. 给变量address加上@Qualifier("cityAddress")注解，指定注入的对象

8. Bean的生命周期

Spring Bean的声明周期如下：

1. 构造函数
2. BeanPostProcessor.postProcessBeforeInitialization()
3. @PostConstruct (CommonAnnotationBeanPostProcessor)
4. afterPropertiesSet (InitializingBean)
5. init-method (Bean配置指定)
6. BeanPostProcessor.postProcessAfterInitialization()
7. @PreDestroy (CommonAnnotationBeanPostProcessor)
8. destroy (DisposableBean)
9. destroy-method (Bean配置指定)