Spring框架的设计理念

Spring的骨骼架构

Spring总共有十几个组件，但真正核心的组件只有几个，下面是Spring框架的总体架构图

图1 .Spring 框架的总体架构图
从图中可以看出，Spring框架中的核心组件只有三个：Context，Core和Beans，它们构建起了整个Spring的骨骼架构。没有它们就不可能有AOP，Web等上层的特性功能。下面也将主要从这三个组件入手分析Spring

Spring的设计理念

前面介绍了Spring的三个核心组件，如果再在它们三个之中选出一个核心的话，那就非Beans组件莫属了。其实Spring就是面向Bean的编程（BOP，Bean Oriented Programming），Bean在Spring中才是真正的主角。
Bean在Spring中的作用就像 Object对OOP的意义一样，没有对象的概念就没有面向对象编程，Spring中没有Bean也就没有了Spring存在的意义。为什么Bean如此重要，这是由Spring的设计目标决定的：它可以让你把对象间的依赖关系转而用配置文件来管理，也就是它的依赖注入机制。而这个注入关系在一个叫IOC的容器中管理，IOC容器存的就是被Bean包裹的对象。Spring正是通过把对象包装在Bean中来达到对这些对象管理以及额外操作的目的。
它的这种设计策略完全类似于Java实现OOP的设计理念，Java本身的设计要比Spring复杂太多太多，但是都是构建一个数据结构，然后根据这个数据结构设计它的生存环境，并让它在这个生存环境中按照一定的规律在不停的运动。在它们的不停运动中设计一系列与环境或者其他个体完成信息交换。

核心组件如何协同工作

前面说Bean是Spring中的关键因素，那么Core和Context又有何作用呢？前面把Bean比作一场演出中的演员，那么Context就是舞台背景，Core就是演出的道具。只有它们在一起才能具备演出一场好戏的基本条件。当然有最基本的条件还不能使这场戏脱颖而出，还要它表演的界面足够精彩，这些节目就是Spring能提供的特色功能了。
我们知道Bean包装的是Object，而Object必然有数据，如何给这些数据提供生存环境就是Context要解决的问题，对Context来说它就是要发现每个Bean之间的关系，为它们建立这种关系并维护好这种关系。所以Context就是一个Bean关系的集合，这个关系集合又叫IOC容器。一旦建立起这个IOC容器之后，Spring就可以为你工作了。那么Core组件又有何用武之地呢？其实Core就是发现，建立和维护Bean之间的关系所需要的一系列工具，从这个角度看Core这个组件叫Util能更让你理解。
它们之间的关系如下图所示：

图2. 三个组件关系

核心组件详解

这里将详细介绍每个组件内部类的层次关系，以及它们在运行时的时序顺序，我们在使用Spring时应该注意的地方。

Bean组件

前面已经说明了Bean组件对Spring的重要性，下面看看Bean这个组件是怎么设计的。Bean组件在Spring的org.springframework.beans包下。这个包下的所有类主要解决了三件事：Bean的定义，Bean的创建以及对Bean的解析。对Spring的使用者来说唯一需要关心的就是Bean的创建，其他两个由Spring在内部帮你完成了，对你来说是透明的。
Spring Bean的创建是典型的工厂模式，它的顶级接口是BeanFactory，下图是这个工厂的继承层次关系：

图4. Bean工厂的继承关系
BeanFactory有三个子类：ListableBeanFactory，HierarchicalBeanFactory和AutowireCapatableBeanFactory。但是从上图我们可以发现最终的默认实现类是DefaultListableBeanFactory，它实现了所有的接口。那么为何要定义这么多层次的接口呢？查阅这些层次的源码和说明发现，每个接口都有它使用的场合，它主要是为了区分Spring内部操作过程中对象的传递和转化过程中，对对象的数据访问所做的限制。例如ListableBeanFactory接口表示这些Bean是可列表的；而HierarchicalBeanFactory接口表示这些Bean是有继承关系的，也就是说每个Bean都可能有父Bean；AutowireCapatableBeanFactory接口定义Bean的自动装配规则。这四个接口共同定义了Bean的集合，Bean之间的关系，以及Bean的行为。
Bean的定义主要有BeanDefination描述，下图说明了这些类的层次关系：

图5. Bean定义的类层次关系图
Bean的定义就是完整的描述了在Spring的配置文件中你定义的<bean/>节点中的所有信息，包括各种子节点。当Spring成功解析你定义的一个<bean/>节点后，在Spring的内部它就被转化成了BeanDefination对象，以后所有的操作都是对这个对象完成的。
Bean的解析过程非常复杂，功能被分的很细，因为这里需要被扩展的地方很多，必须保证有足够的灵活性，以应对可能的变化。Bean的解析主要是对Spring配置文件的解析。这个解析过程主要是通过下图中的类完成：

图6. Bean的解析类
当然还有具体对tag的解析在这里并未列出

Context组件

Context组件在Spring的org.springframework.context包下，前面已经讲解了Context组件在Spring中的作用，它实际上就是给Spring提供一个运行时的环境，用以保存各个对象的状态。下面看一下这个环境是如何构建的。
ApplicationContext是Context的顶级父类，它除了能标识一个应用环境的基本信息外，它还继承了5个接口，这5个接口主要是扩展了Context的功能。下面是Context类结构图：

图7. Context相关的类结构图
从上图中可以看出ApplicationContext继承了BeanFactory，这也说明了Spring容器中运行的主体对象是Bean，另外，ApplicationContext继承了ResourceLoader接口，这使得ApplicationContext可以访问到任何外部资源，这将在Core中详细说明。
ApplicationContext的子类主要包含两个方面：

ConfigurableApplicationContext表示该Context是可修改的，也就是在构建Context中用户可以动态添加或修改配置信息，它下面又有多个子类，其中最经常使用的是可更新的Context，即AbstractRefreshableApplicationContext类
WebApplicationContext 顾名思义，就是为web准备的Context，它可以直接访问到ServletContext，通常情况下这个接口使用的少

再往下分就是按照构建Context的文件类型，接着就是访问Context的方式。这样一级一级构成了完整的Context等级层次。总体来说ApplicationContext必须要完成以下几件事：

标识一个应用环境
利用BeanFactory创建Bean对象
保存对象关系表
能够捕获各种事件

Context作为Spring的IOC容器，基本上整合了Spring的大部分功能，或者说是大部分功能的基础

Core核心组件

Core组件作为Spring的核心组件，包含了很多的关键类，其中一个重要的组成部分就是定义了资源的访问方式。这种把所有资源都抽象成一个接口的方式很值得以后在设计中学习。下面就看一下这部分在Spring中的作用。
下面是Resource相关的类结构图：

图8. Resource相关的类结构图
从上图可以看出Resource接口封装了各种可能的资源类型，就是说对使用者来说屏蔽了文件类型的不同。对资源的提供者来说，如何把资源包装起来交给其他人用这也是一个问题，我们看到Resource接口继承了InputStreamSource接口，这个接口中有一个getInputStream方法，返回的是InputStream类。这样所有的资源都可以通过InputStream类来获取，所以也屏蔽了资源的提供者。另外还有一个就是加载资源的问题，也就是资源的加载者要统一，从上图中可以看出这个任务是由ResourceLoader接口来完成，它屏蔽了所有资源加载者的差异，只需要实现这个接口就可以加载所有的资源，它的默认实现是DefaultResourceLoader。
下面看一下Context和Resource是如何建立关系的，首先看一下它们的类关系图：

图9. Context和Resource的类关系图
从上图可以看出，Context是把资源的加载，解析和描述工作委托给了ResourcePatternResolver类来完成，它相当于一个接头人，它把资源的加载，解析和资源的定义整合在一起便于其他组件使用。Core组件中还有很多类似的方式。

IOC容器如何工作

前面介绍了Core组件，Beans组件和Context组件和他们之间的相互关系，下面从使用者的角度看下他们是如何运行的，以及我们如何让Spring完成各种功能，Spring到底有哪些功能，这些功能是如何得来的？

3.4.1如何创建BeanFactory工厂

正如图2描述的那样，IOC容器实际上就是Context组件结合其他两个组件共同构建了一个Bean的关系网。如何构建这个关系网？构建的入口就在AbstractApplicationContext类的refresh方法中。代码如下：
清单1. AbstractApplicationContext.refresh

public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
synchronized(startupShutdownMonitor) {
//Prepare this context for refreshing
prepareRefresh();
//tell the subclass to refresh the internal bean factory
ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
//Prepare the bean factory for use in this context
prepareBeanFactory(beanFactory);
try{
//Allows post-processing of the bean factory in context subclass
postProcessBeanFactory(beanFactory);
//Invoke factory processors registered as beans in the context
invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
//Register bean processors that intercept bean creation
registerBeanPostProcessors(beanFactory);
//Initialize message source for this context
initMessageSource();
//Initialize event multicaster for this context
initApplicationEventMulticaster();
//Initialize other special beans in specific context subclasses
onRefresh();
//Check for listener beans and register them
registerListeners();
//Instantiate all remaining(non-lazy-init) singletons
finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
//Last step: public corresponding event
finishRefresh();
}catch(BeansException ex) {
destroyBeans();
cancelRefresh(ex);
throw ex;
}
}
}

这个方法就是构建整个IOC容器的完整代码，了解里面的每一行代码基本上就了解了Spring的大部分的原理和功能了。这段代码主要包含以下几个步骤：

构建BeanFactory，以便产生所需的"演员"
注册可能感兴趣的事件
创建Bean实例对象
触发被监听的时间

下面就结合代码分析这几个过程。
第二三句就是在创建和配置BeanFactory，这里refresh也就是刷新配置，前面介绍了Context有可更新的子类，这里正是实现这个功能，当BeanFactory已经存在就更新，如果没有就新建，下面是更新BeanFactory的代码：
protected final void refreshBeanFactory() throws BeansException {
if(hasBeanFactory()) {
destroyBeans();
closeBeanFactory();
}
try {
DefaultListableBeanFactory beanFactory = createBeanFactory();
beanFactory.setSerializationId(getId());
customizeBeanFactory(beanFactory);
loadBeanDefinitions(beanFactory);
synchronized(beanFactoryMonitor) {
this.beanFactory = beanFactory;
}
} catch(IOException ex) {
throw new ApplicationContextException((new StringBuilder("I/O error parsing bean definition source for ")).append(getDisplayName()).toString(), ex);
}
}
这个方法实现了AbstractApplicationContext的抽象方法refreshBeanFactory，这段代码清楚的说明了BeanFactory的创建过程。注意BeanFactory类型的变化，前面介绍了它有很多子类，在什么情况下使用不同的子类这非常关键。BeanFactory的原始对象是DefaultListableBeanFactory。这非常关键，因为它涉及到后面对这个对象的多种操作，下面看一下这个类的继承层次类图：

图10. DefaultListableBeanFactory类继承关系图
从这个可以发现除了BeanFactory相关的类外，还有与Bean的register相关的类。这在refreshBeanFactory方法中有一行loadBeanDefinations（beanFactory）将找到答案，这个方法将开始加载，解析Bean的定义，也就是把用户定义的数据结构转化成IOC中特定的数据结构。
这个过程可以用下面的时序图来解释：

图11. 创建BeanFactory时序图
Bean的解析和登记流程时序图如下：

图12.解析和登记Bean对象时序图
创建好BeanFactory后，接下来添加一些Spring本身需要的工具类，这个操作在AbstractApplicationContext的prepareBeanFactory方法完成。
AbstractApplicationContext中接下来三行代码对Spring的功能扩展起了至关重要的作用。前两行主要是让你现在可以对已经创建的BeanFactory的配置做修改，后一行就是让你可以对以后再创建Bean的实例对象时添加一些自定义的操作。所以他们都是扩展了Spring的功能，也必须要把这一部分搞清楚。
其中invokeBeanFactoryPostProcessors方法主要是获取实现BeanFactoryPostProcessor接口的子类，并执行它的postProcessBeanFactory方法，这个方法的声明如下：
清单3. BeanFactoryPostProcessor.postProcessBeanFactory
void postProcessBeanFactory(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory) throws BeansException;
他的参数是beanFactory，说明可以对beanFactory做修改，这里注意这个beanFactory是ConfigurableListableBeanFactory类型的，这也印证了前面介绍的不同BeanFactory所使用的场合不同，这里只能是可配置的BeanFactory，防止一些数据被用户随意修改。
registerBeanPostProcessors方法也是可以获取用户定义的实现了BeanPostProcessor接口的子类，并执行把它们注册到BeanFactory对象中的beanPostProcessors变量中。BeanPostProcessor接口中声明了两个方法：postProcessBeforeInitialization和postProcessAfterInitialization分别用于Bean对象初始化时执行，可以执行用户自定义的操作。
后面的几行代码是初始化监听事件和对系统的其他监听者的注册，监听者必须是ApplicationListener的子类。

3.4.2如何创建Bean实例并构建Bean的关系网

下面就是Bean的实例化代码，是从finishBeanFactoryInitialization方法开始的。
清单4. AbstractApplicationContext.finishBeanFactoryInitialization
protected void finishBeanFactoryInitialization(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory) {
//stop using temporary ClassLoader for type matching
beanFactory.setTempClassLoader(null);
//Allow for caching all bean definition metadata,not expecting futher changes
beanFactory.freezeConfiguration();
//Instantiate all remaining(not-lazy-init) singletons
beanFactory.preInstantiateSingletons();
}
从上面代码可以发现Bean的实例化是在BeanFactory中发生的。preInstantiateSingletons方法代码如下：
清单5. DefaultListableBeanFactory.preInstantiateSingletons
public void preInstantiateSingletons() throws BeansException {
if (this.logger.isInfoEnabled()) {
this.logger.info("Pre-instantiating singletons in " + this);
}
synchronized (this.beanDefinitionMap) {
for (Iterator it = this.beanDefinitionNames.iterator(); it.hasNext() {
String beanName = (String) it.next();
RootBeanDefinition bd = getMergedLocalBeanDefinition(beanName);
if (!bd.isAbstract() && bd.isSingleton() && !bd.isLazyInit()) {
if (isFactoryBean(beanName)) {
FactoryBean factory = (FactoryBean) getBean(FACTORY_BEAN_PREFIX + beanName);
if (factory instanceof SmartFactoryBean && ((SmartFactoryBean) factory).isEagerInit()) {
getBean(beanName);
}
}
else {
getBean(beanName);
}
}
}
}
}
这里出现了一个非常重要的bean-Factory Bean，可以说Spring有一大半的扩展功能都与这个bean有关，这是个特殊的bean，它是个工厂Bean，可以产生Bean的Bean，这里产生Bean是指Bean的实例，如果一个类继承FactoryBean用户可以自己定义产生实例对象的方法，只要实现它的getObject方法。然而在Spring内部这个Bean的实例对象是FactoryBean，通过调用这个对象的getObject方法就能获得用户自定义产生的对象，从而为Spring提供了很好的扩展性。Spring获得FactoryBean本身的对象是在前面加上&来完成的。
如何创建Bean的实例对象以及如何构建Bean实例对象之间的关联关系是Spring中的关键，下面是这个过程的流程图：

图13.Bean 实例创建流程图
如果是普通的Bean就直接创建它的实例，通过调用getBean方法，下面是创建Bean实例的时序图：

图14.Bean实例创建时序图
还有一个非常重要的部分就是建立Bean对象实例之间的关系，这也是Spring架构的核心竞争力。何时，如何创建它们之间的关系请看下面的时序图：

图15.Bean对象关系建立

3.4.3 IOC容器的扩展点

现在还有一个问题就是如何让这些Bean对象有一定的扩展性，就是可以加入用户的一些操作。那么有哪些扩展点呢？Spring又是如何调用这些扩展点呢？
对Spring的IOC来说，主要有这么几个：BeanFactoryPostProcessor，BeanPostProcessor。它们分别是在构建BeanFactory和构建Bean对象时创建。还有就是InitializingBean和DisposableBean它们分别是在Bean实例创建和销毁时被调用。用户可以实现这些接口中定义的方法，Spring就会在适当的时候调用它们。还有一个是FactoryBean是一个特殊的Bean，可以被用户更多的控制。
这些扩展点通常也是我们使用Spring来完成我们特定任务的地方，如何精通Spring就看你有没有掌握好Spring有哪些扩展点，并且如何使用它们，要知道如何使用它们就要了解Spring内在的机制。可以用下面的比喻来解释：
我们把IOC比作一个箱子，这个箱子里有若干个球的模子，可以用这些模子来造很多种不同的球，还有一个造这些球模的机器，这个机器可以产生球模。BeanFactory就是那个造球模的机器，Bean就是球模，而球模造出来的球就是Bean的实例。那么前面说的几个扩展点又在什么地方呢？BeanFactoryPostProcessor对应到当球模被造出来时，你将有机会对其作出适当的修改，也就是它可以帮你修改球模。而InitializingBean和DisposableBean是在球模造球的开始和结束阶段，你可以完成一些预备和扫尾工作。BeanPostProcessor就可以让你对球模造出来的球进行适当的修正。最后还有一个FactoryBean，它是一个神奇的球模。这个球模不是预先就定型了，而是由你来确定它们的形状，既然你可以确定这个球模的形状，它造出来的球当然是你想要的球了。

3.4.4 IOC容器如何为我所用

前面介绍了Spring容器的创建过程，那Spring能为我们做什么，Spring的IOC容器又能做什么？我们使用Spring必须要首先创建IOC容器，没有它Spring无法工作，ApplicationContext.xml就是IOC容器的默认配置文件，Spring的所有特性功能都是基于这个IOC容器工作的。
IOC它实际上就是为你构建了一个魔方，Spring为你搭好了骨骼框架，这个魔方到底能变出什么好东西出来，这必须要有你的参与。那我们怎么参与？这就是前面说的有哪些扩展点，我们通过实现那些扩展点来改变Spring的通用行为。至于如何实现扩展点来得到我们想要的个性结果，Spring中有很多例子，其中AOP的实现就是Spring本事实现了其扩展点来达到它想要的特性功能，可以拿来参考。

Spring中AOP特性

动态代理的实现

要了解Spring的AOP就必须先了解动态代理的原理，因为AOP就是基于动态代理实现的，动态代理还要从JDK本身说起。
在JDK的java.lang.reflect包下有个Proxy类，它正是构建代理类的入口。这个类的结构如下：

图16. Proxy类结构
从上图发现最后四个是公用方法，而最后一个方法newProxyInstance就是创建代理对象的方法，这个方法的源码如下：
public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces,
InvocationHandler h) throws IllegalArgumentException{
if (h == null) {
throw new NullPointerException();
}
Class cl = getProxyClass(loader, interfaces);
try {
Constructor cons = cl.getConstructor(constructorParams);
return (Object) cons.newInstance(new Object[] { h });
} catch (NoSuchMethodException e) {
throw new InternalError(e.toString());
} catch (IllegalAccessException e) {
throw new InternalError(e.toString());
} catch (InstantiationException e) {
throw new InternalError(e.toString());
} catch (InvocationTargetException e) {
throw new InternalError(e.toString());
}
}
这个方法要有三个参数：ClassLoader用于加载代理类的Loader类，通常这个Loader和被代理的类是同一个Loader类。Interfaces 是被代理的哪些接口；InvocationHandler就是用于执行除了被代理接口中方法外的用户自定义的操作，它也是用户需要代理的最终目的。用户调用目标方法都被代理到InvocationHandler类中定义的唯一方法invoke中。这在后面再详解。
下面看看Proxy产生代理类的过程，它构造出来的代理类到底是个什么样子呢，马上揭晓：

图17.创建代理对象时序图
从上图中可以发现正在构造代理类的是ProxyGenerator的generateProxyClass方法。ProxyGenerator类是在sun.misc包下，感兴趣的可以去看它的源码。
假如有这样一个接口，如下：
清单7. SimpleProxy类
public interface SimpleProxy {
public void simpleMethod1();
public void simpleMethod2();
}
生成的代理类结构如下：
public class $Proxy2 extends java.lang.reflect.Proxy implements SimpleProxy{
java.lang.reflect.Method m0;
java.lang.reflect.Method m1;
java.lang.reflect.Method m2;
java.lang.reflect.Method m3;
java.lang.reflect.Method m4;
int hashCode();
boolean equals(java.lang.Object);
java.lang.String toString();
void simpleMethod1();
void simpleMethod2();
}
这个类的方法里面将会调用InvocationHandler的invoke方法，而每个方法也将对应一个属性变量，这个属性变量m也将传给invoke方法中的Method参数，整个代理就是这样实现的。

Spring AOP如何实现

从前面代理的原理我们知道，代理的目的是调用目标方法是我们可以转而执行InvocationHandler类的invoke方法，所以如何在InvocationHandler上做文章就是Spring实现AOP的关键所在。
Spring的AOP实现是遵守了AOP联盟的约定，同时Spring又扩展了它，增加了如Pointcut，Advistor等一些接口，使得AOP更加灵活。
下面是JDK动态代理的类图：

图18. Jdk动态代理的类图
上图清楚的显示了Spring引用了AOP联盟定义的接口，姑且不讨论Spring如何扩展AOP联盟，先看看Spring如何实现代理类的，要实现代理类在Spring的配置文件中通常是这样定义一个Bean的，如下：
清单9.配置代理类Bean
<bean id="testBeanSingleton" class="org.springframework.aop.framework.ProxyFactoryBean">
<property name="proxyInterfaces"> <value>org.springframework.aop.framework.PrototypeTargetTests$TestBean</value> </property>
<property name="target"><ref local="testBeanTarget"></ref> </property>
<property name="singleton"><value>true</value></property>
<property name="interceptorNames">
<list> <value>testInterceptor</value> <value>testInterceptor2</value> </list> </property>
</bean>
从配置文件看到需要设置被代理的接口，和接口的实现类也就是目标类，以及拦截器也就在执行目标方法之前被调用，这里Spring中定义了各种各样的拦截器，可选择使用。
下面看看Spring是如何完成代理以及如何调用拦截器的：
前面提到Spring AOP也是实现自身的扩展点来完成这个特性的，从这个代理类就可看出它正是继承了FactoryBean的ProxyFactoryBean，FactoryBean之所以特别就在于它可以让你自定义对象的创建方法，当然代理对象要通过Proxy类来动态生成。
下面是Spring创建代理对象的时序图：

图19.Spring代理对象的产生
Spring创建了代理对象后，当你调用目标对象上的方法时，将会被代理到InvocationHandler类的invoke方法中执行，这在前面已经解释过。其中JdkDynamicAopProxy类实现了InvocationHandler接口。
下面再看看Spring是如何调用拦截器的，下面是这个过程的时序图：

图20.Spring调用拦截器
以上所说的都是JDK动态代理，Spring还支持一种CGLIB类代理，感兴趣的可以看看