自己动手写Spring

众说周知,Spring是一个具有强大的依赖注入功能的Java框架。本篇文章将介绍笔者自己动手写的一个轻量级依赖注入框架,实现jsr330并兼容jsr330注解。

完整代码托管在github中,可以点击 https://github.com/bdqfork/spring-toy 查看完整项目。

另笔者开发经验不足,欢迎大家指正批评。

需求简介

  1. 可以使用注解标记类为组件,并自动扫描包路径,识别组件类。
  2. 获取注解信息,将组件类注册到容器中,供以后的访问使用。
  3. 解析组件之间的依赖关系,初始化组件类,并注入相关依赖。
  4. 从容器中获取组件类的实例,并正常调用相应的方法。

更多更具体的细节需求,可以查看 jsr330 。jsr330对依赖注入作了一个详细的说明,但并未给出实现,笔者尝试根据jsr330的定义,作出了自己的实现。

项目框架

整个项目大致分为以下几个包:

其中,

  • annotation包中定义了一些容器所需要的注解,比如Component,Service等注解。
  • container包是容器的主要实现,负责处理容器的相关功能,如依赖注入等。
  • context包定义了上下文环境,负责扫描组件,以及依赖解析等过程。
  • exception包定义了项目所需的异常。
  • proxy包定义了两种动态代理的方式,一种是Jdk的动态代理实现,另一种是CGlib方式。
  • utils包定义了一些工具类。

功能实现

注解定义

在进行核心功能实现之前,首先定义相关的注解,笔者参考了Spring的注解定义,作出了如下注解。

定义 功能 参数定义
@Component 用于标记组件类,被标记的类将会被添加到容器中管理。 String value(),用于指定类名,默认为””。
@Repositorty 用于标记组件类,被标记的类将会被添加到容器中管理,这是一个领域定义,其功能和Component一致。 String value(),用于指定类名,默认为””。
@Service 用于标记组件类,被标记的类将会被添加到容器中管理,这是一个领域定义,其功能和Component一致。 String value(),用于指定类名,默认为””。
@Controller 用于标记组件类,被标记的类将会被添加到容器中管理,这是一个领域定义,其功能和Component一致。 String value(),用于指定类名,默认为””。
@Scope 用于标记组件类,用于表示,注册到容器中的类,其实例是否为单例。 String value(),用于表示是否单例,其值在ScopeType类中定义。
@AutoWired 标记待注入的字段,构造函数,setter方法等。 boolean required(),用于表示是否一定需要注入。
@Qualifier 限定器,可以与AutoWired一起使用,标记待注入依赖名。 String value(),待注入依赖名。
BeanFactory 用于替换@AutoWired的一个接口,可以实现相同的功能。 T,待注入依赖的类型。

由于同时笔者兼容了jsr330,jsr330官方给出了一些注解,功能上与上文定义的注解可以进行相互替换,在此也进行描述。

注解 功能 备注
@Named 可以作为@Component等组件标记注解的替换,标记一个组件类。 也可以作为@Qualifier的替换,标记待注入依赖名。
@Singleton 可以替换@Scope(“singleton”),被标记的类的实例将会是单例。
@Inject 可以和@AutoWired替换,标记待注入的字段,构造函数,setter方法等。 不支持required,其标记的依赖必须注入,否则抛出异常。
Provider 与BeanFactory等价,可以互相替换。

注解扫描

在相关注解的定义完成之后,需要进行扫描,将标记有@Component等注解的类扫描出来,以进行下一步的处理。

整个扫描的过程实际上是对类进行扫描,可以通过Java的ClassLoader来扫描类路径,将类加载进一个集合中。这个过程的部分代码如下,完整代码可以在utils包下的ReflectUtil中查看。

private static final String FILE_PROTOCOL = "file";
private static final String JAR_PROTOCOL = "jar";
private static final String SUFFIX = ".class";

/**
 * 根据包名获取获取Class
 *
 * @param packageName
 * @return
 */
public static Set<Class<?>> getClasses(String packageName) {
    if (packageName == null || "".equals(packageName)) {
        return Collections.emptySet();
    }
    //将包名改为相对路径
    String packagePath = packageName.replace(".", "/");
    ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    Set<Class<?>> classes = new HashSet<>();
    try {
        //扫描包路径,返回资源的枚举
        Enumeration<URL> dirs = classLoader.getResources(packagePath);
        while (dirs.hasMoreElements()) {
            URL fileUrl = dirs.nextElement();
            String filePath = fileUrl.getPath();
            //判断资源类型
            if (FILE_PROTOCOL.equals(fileUrl.getProtocol())) {
                //处理文件类型的Class
                classes.addAll(getClassesByFilePath(filePath, packagePath));
            } else if (JAR_PROTOCOL.equals(fileUrl.getProtocol())) {
                //处理Jar包中的Class
                JarURLConnection jarURLConnection = (JarURLConnection) fileUrl.openConnection();
                JarFile jarFile = jarURLConnection.getJarFile();
                classes.addAll(getClassesByJar(jarFile));
            }
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return classes;
}

通过ClassLoader加载指定包路径下的所有资源,然后对Class进行加载即可,需要注意的是jar包里面的Class加载的方式有些许不同。

容器的实现

容器这个功能可以说是依赖注入的核心之一了,容器是对所有组件的管理,基本上所有的功能都围绕着容器来开展。

最简单的容器可能就是一个Map<String,Object>了,网上很多的文章都是基于这个类型实现的简单的依赖注入。然而,这种方式有很多的缺陷。例如,使用这种方式实现的容器,其存储的大都是待注入对象的直接实例,也就是说获取的对象实例大都是单例的形式,这就导致了一个问题,当需要返回的实例是一个新的实例的时候,这种实现方式就无法满足了。一方面是因为,Map里只保存了一个实例,另一方面是因为返回新的实例,需要重新将依赖注入到新的实例中。

因此,要使用更高级的方式进行实现。看过Spring源码的同学,应该了解到BeanDefination。BeanDefination是对Bean的一个描述,我们可以定义一个BeanDefination。它描述了一个Bean的类型,名称,是否需要单例等信息。使用Map<String,BeanDefination>等方式来作为容器,这样上文描述的问题就迎刃而解了。

笔者定义的BeanDefination如下:

public class BeanDefination {
    /**
     * Class类
     */
    private Class<?> clazz;
    /**
     * Bean的名称
     */
    private String name;
    /**
     * 单实例
     */
    private Object instance;
    /**
     * 是否单例
     */
    private boolean isSingleton;
     /**
     * 依赖信息提供者
     */
    private InjectorProvider injectorProvider;
}

获取对象实例的方法如下:

   /**
    * 获取对象实例,如果bean是单例的,则每次都返回同一个实例,如果不是,则每次都创建一个新的实例。
    *
    * @return Object
    */
   public Object getInstance() throws InjectedException {
       if (isSingleton) {
           return getSingleInstance();
       }
       return newBean();
   }

   private Object getSingleInstance() throws InjectedException {
       if (instance == null) {
           synchronized (Object.class) {
               if (instance == null) {
                   instance = newBean();
               }
           }
       }
       return instance;
   }

private Object newBean() throws InjectedException {
       Object instance = injectorProvider.doInject(this);
       Class<?>[] classes = clazz.getInterfaces();
       if (classes.length != 0) {
           JdkInvocationHandler jdkInvocationHandler = new JdkInvocationHandler();
           return jdkInvocationHandler.newProxyInstance(instance);
       } else {
           CglibMethodInterceptor cglibMethodInterceptor = new CglibMethodInterceptor();
           return cglibMethodInterceptor.newProxyInstance(instance);
       }
   }

这样一来,容器的实现就简单多了。BeanDefination的完整代码,可以查阅container包下的BeanDefination类。

下面贴出容器的代码实现,只贴出注册部分,完整代码请查看container包下的BeanContainer类。

public class BeanContainer {
    private Map<String, BeanDefination> beans = new HashMap<>();

    public void register(String beanName, BeanDefination beanDefination) throws ConflictedBeanException {
        if (beans.containsKey(beanName)) {
            throw new ConflictedBeanException(String.format("the entity named: %s has conflicted ! ", beanName));
        }
        beans.put(beanName, beanDefination);
    }
}

通过调用register方法,即可将Bean注册到容器中。

注册组件

组件的注册过程很简单,扫描包路径,获取所有组件的Class。然后根据jsr330的要求,检测组件是否可注册,将可注册的组件注册到容器中即可。代码如下:

private void scan() throws SpringToyException {
    Set<Class<?>> candidates = new HashSet<>();
    for (String scanPath : scanPaths) {
        candidates.addAll(ReflectUtil.getClasses(scanPath));
    }
    for (Class<?> candidate : candidates) {
        if (candidate.isAnnotation() || candidate.isInterface() || Modifier.isAbstract(candidate.getModifiers())) {
            continue;
        }
        String name = getComponentName(candidate);
        if (name != null) {
            boolean isSingleton = false;

            Scope scope = candidate.getAnnotation(Scope.class);
            if (scope != null) {
                if (ScopeType.SINGLETON.equals(scope.value())) {
                    isSingleton = true;
                } else if (!ScopeType.PROTOTYPE.equals(scope.value())) {
                    throw new SpringToyException("the value of scope is error !");
                }
            } else if (candidate.getAnnotation(Singleton.class) != null) {
                isSingleton = true;
            }

            if ("".equals(name)) {
                name = this.beanNameGenerator.generateBeanName(candidate);
            }

            BeanDefination beanDefination = new BeanDefination(candidate, isSingleton, name);
            beanDefination.setInjectorProvider(new InjectorProvider(candidate, this.beanNameGenerator));

            beanContainer.register(beanDefination.getName(), beanDefination);
        }
    }

    Map<String, BeanDefination> beanDefinationMap = beanContainer.getBeanDefinations();
    Resolver resolver = new Resolver(beanContainer);
    for (Map.Entry<String, BeanDefination> entry : beanDefinationMap.entrySet()) {
        resolver.resolve(entry.getValue());
    }

}

完整的代码在context包下的AnnotationApplicationContext类中可以查看。

依赖信息的管理

通过上文的介绍,我们使用BeanDefination描述了一个组件Bean的基本信息,但是我们还有一样重要的信息没有描述——组件依赖信息。组件类之间是有着依赖的关系的,BeanDefination并没有描述组件类的依赖信息,为了要完整的描述组件类的信息,引入InjectorData来描述依赖注入信息。

InjectorData是一个接口,可以有多种实现,其定义如下:

public interface InjectorData {

    /**
     * 设置注入的bean
     *
     * @param bean
     */
    void setBean(BeanDefination bean);

    /**
     * 返回依赖的bean
     *
     * @return
     */
    BeanDefination getBean();

    /**
     * 设置依赖的默认名称
     *
     * @param defaultName
     */
    void setDefaultName(String defaultName);

    /**
     * 获取依赖的默认名称
     *
     * @return
     */
    String getDefaultName();

    /**
     * 获取指定的依赖的名称
     *
     * @return
     */
    String getRefName();

    /**
     * 获取依赖的类型
     *
     * @return
     */
    Class<?> getType();

    /**
     * 判断依赖是否匹配
     *
     * @param beanDefination
     * @return
     */
    boolean isMatch(BeanDefination beanDefination);

    /**
     * 是否必须
     *
     * @return
     */
    boolean isRequired();

    /**
     * 设置是否是注入器
     *
     * @param provider
     */
    void setProvider(boolean provider);

    /**
     * 是否是注入器
     *
     * @return
     */
    boolean isProvider();

    /**
     * 设置注入器类型
     *
     * @param providedType
     */
    void setProvidedType(Class<?> providedType);

根据具体实现类的不同,可以用来描述不同的依赖注入信息,包括字段依赖注入信息,参数注入信息。继承关系图如下:

其中,抽象父类中实现了一些通用的方法,部分代码如下,省略一些get,set方法:

public abstract class AbstractInjectorData implements InjectorData {
    /**
     * 默认依赖名称
     */
    private String defalultName;
    /**
     * 指定依赖名称
     */
    private String refName;
    /**
     * 依赖的BeanDefination实例
     */
    private BeanDefination bean;
    /**
     * 是否必须
     */
    private boolean isRequired;
    /**
     * 是否是Provider或者BeanFactory依赖
     */
    private boolean isProvider;
    /**
     * Provider或者BeanFactory提供的依赖类
     */
    private Class<?> providedType;

    public AbstractInjectorData(String defalultName, String refName, boolean isRequired) {
        this.defalultName = defalultName;
        this.refName = refName;
        this.isRequired = isRequired;
    }
    
    @Override
    public boolean isMatch(BeanDefination beanDefination) {
        if (refName != null && refName.equals(beanDefination.getName())) {
            return true;
        } else if (defalultName.equals(beanDefination.getName())) {
            return true;
        } else {
            Class<?> type = getType();
            return beanDefination.isType(type);
        }
    }
}

其子类实现也是很简单,将标记的依赖字段或者参数,传入相应的依赖描述里面保存下来即可:

/**
 * bean的依赖信息
 *
 * @author bdq
 * @date 2019-02-12
 */
public class FieldInjectorData extends AbstractInjectorData {
    private Field field;

    public FieldInjectorData(String defalultName, String refName, boolean required, Field field) {
        super(defalultName, refName, required);
        this.field = field;
    }

    @Override
    public Class<?> getType() {
        if (isProvider()) {
            return getProvidedType();
        }
        return field.getType();
    }

    public Field getField() {
        return field;
    }

}

/**
 * @author bdq
 * @date 2019-02-13
 */
public class ParameterInjectorData extends AbstractInjectorData {
    private Parameter parameter;

    public ParameterInjectorData(String defalultName, String refName, boolean required, Parameter parameter) {
        super(defalultName, refName, required);
        this.parameter = parameter;
    }

    @Override
    public Class<?> getType() {
        if (isProvider()) {
            return getProvidedType();
        }
        return parameter.getType();
    }

}

依赖注入器

什么是依赖注入器,依赖注入器是笔者自己定义的一个接口Injector,它的功能是负责管理依赖信息,进行依赖注入。之所以定义这个接口,是因为依赖注入有着三种场景:字段注入,构造器注入,方法注入。不同的注入方式有不同的实现方式,于是引入Injector,分别实现对应三种场景的注入器,Injector的实现应该持有对应的注入信息。

Injector接口的定义如下:

/**
 * @author bdq
 * @date 2019-02-14
 */
public interface Injector {
    /**
     * 判断当前bean是否依赖beanDefination,如果是,返回true,否则返回false
     *
     * @param beanDefination
     * @return boolean
     */
    boolean hasDependence(BeanDefination beanDefination);

    /**
     * 注入依赖
     *
     * @param instance
     * @param beanDefination
     * @return
     * @throws InjectedException
     */
    Object inject(Object instance, BeanDefination beanDefination) throws InjectedException;
}

继承关系图如下:

AbstractInjector是Injector的抽象实现类,实现了一些通用的方法,代码如下:

public abstract class AbstractInjector implements Injector {
    protected List<InjectorData> injectorDatas;

    public AbstractInjector(List<InjectorData> injectorDatas) {
        this.injectorDatas = injectorDatas;
    }

    @Override
    public boolean hasDependence(BeanDefination beanDefination) {
        for (InjectorData injectorData : injectorDatas) {
            if (injectorData.isMatch(beanDefination)) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

}

ConstructorInjector的功能是进行构造函数的注入,产生对象实例,主要代码如下:

/**
 * 构造器注入
 *
 * @param beanDefination
 * @return
 * @throws ConstructorInjectedException
 */
public Object inject(BeanDefination beanDefination) throws ConstructorInjectedException {
    return inject(null, beanDefination);
}

@Override
public Object inject(Object instance, BeanDefination beanDefination) throws ConstructorInjectedException {
    if (constructor != null) {
        if (injectorDatas != null && injectorDatas.size() > 0) {
            List<Object> args = new LinkedList<>();
            //遍历构造函数的参数依赖信息
            for (InjectorData injectorData : injectorDatas) {
                BeanDefination bean = injectorData.getBean();
                try {
                    if (bean != null) {
                        //判断是否是Provider
                        if (injectorData.isProvider()) {
                            //添加实例到Provider参数
                            args.add(new ObjectFactory<>(bean.getInstance()));
                        } else {
                            //添加实例作为参数
                            args.add(bean.getInstance());
                        }
                    }
                } catch (InjectedException e) {
                    throw new ConstructorInjectedException(String.format("failed to inject entity: %s by constructor!", beanDefination.getName()), e);
                }
            }
            try {
                if (args.size() > 0) {
                    //反射调用构造器,构造对象实例
                    instance = constructor.newInstance(args.toArray());
                }
            } catch (InstantiationException | IllegalAccessException | InvocationTargetException e) {
                throw new ConstructorInjectedException(String.format("failed to inject entity: %s by constructor!", beanDefination.getName()), e);
            }
        }
    }
    return instance;
}

另外两个注入器的实现原理与之类似,只不过反射调用的方法不同罢了,就不再贴出代码了。

依赖解析

依赖注入器实现了依赖注入的过程,而依赖解析的过程并没有体现。依赖解析的步骤,笔者认为不属于注入器功能上的定义,依赖注入器应该只关注于进行依赖注入,所以笔者将这部分代码放在了Resolver中。

在Resolver中,会对依赖进行解析,查询依赖的Bean,设置依赖信息。其主要代码如下:

public void resolve(BeanDefination beanDefination) throws SpringToyException {
    //如果已经解析过了,则返回
    if (beanDefination.isResolved()) {
        return;
    }
    //优先解析父类
    Class<?> superClass = beanDefination.getClazz().getSuperclass();
    if (superClass != null && superClass != Object.class) {

        for (BeanDefination bean : beanContainer.getBeans(superClass).values()) {
            if (bean != beanDefination) {
                //递归解析父类
                resolve(bean);
            }
        }
    }

    InjectorProvider injectorProvider = beanDefination.getInjectorProvider();
    if (injectorProvider != null) {

        //如果有构造器注入,则先解析构造器注入依赖
        if (injectorProvider.getConstructorParameterDatas() != null) {
            for (InjectorData parameterInjectorData : injectorProvider.getConstructorParameterDatas()) {
                doResolve(beanDefination, injectorProvider, parameterInjectorData, parameterInjectorData.isRequired());
            }
        }

        //如果有字段注入,则解析字段注入依赖
        if (injectorProvider.getFieldInjectorDatas() != null) {
            for (InjectorData fieldInjectorData : injectorProvider.getFieldInjectorDatas()) {
                doResolve(beanDefination, injectorProvider, fieldInjectorData, fieldInjectorData.isRequired());
            }
        }

        //如果有方法注入,则解析方法注入依赖
        if (injectorProvider.getMethodInjectorAttributes() != null) {
            for (MethodInjectorAttribute methodInjectorAttribute : injectorProvider.getMethodInjectorAttributes()) {
                if (methodInjectorAttribute.getParameterInjectorDatas() != null) {
                    for (InjectorData parameterInjectorData : methodInjectorAttribute.getParameterInjectorDatas()) {
                        doResolve(beanDefination, injectorProvider, parameterInjectorData, methodInjectorAttribute.isRequired());
                    }
                }
            }
        }

    }

    beanDefination.setResolved(true);

}

private void doResolve(BeanDefination beanDefination, InjectorProvider injectorProvider, InjectorData injectorData, boolean isRequired) throws UnsatisfiedBeanException {
    BeanDefination ref = null;

    Map<String, BeanDefination> beanDefinationMap = beanContainer.getBeanDefinations();
    //判断依赖组件是否存在,先查找指定名称的依赖,如果不存在,则按找默认名称去查找,仍然不存在,则再按类型匹配
    if (injectorData.getRefName() != null && beanDefinationMap.containsKey(injectorData.getRefName())) {
        ref = beanDefinationMap.get(injectorData.getRefName());
    } else if (beanDefinationMap.containsKey(injectorData.getDefaultName())) {
        ref = beanDefinationMap.get(injectorData.getDefaultName());
    } else {
        for (BeanDefination bean : beanDefinationMap.values()) {
            if (bean.isType(injectorData.getType())) {
                ref = bean;
                break;
            } else if (bean.isSubType(injectorData.getType())) {
                ref = bean;
                break;
            }
        }
    }

    //判断依赖是否存在,如果不存在,则抛出异常。如果依赖存在,但有相互引用的情况,也抛出异常
    if (ref == null) {
        if (isRequired) {
            throw new UnsatisfiedBeanException("unsatisfied entity , the entity named " + injectorData.getType() + " don't exists");
        }
    } else if (beanDefination == ref || injectorProvider.hasDependence(beanDefination)) {
        throw new UnsatisfiedBeanException("unsatisfied entity , there two entity ref each other !");
    } else {
        //设置依赖信息
        injectorData.setBean(ref);
    }
}

至此,一个简单的依赖注入框架完成了。这个框架还有很多需要完善的地方,比如效率的优化,更多安全性的检查等等。

如果对笔者的框架感兴趣的,可以点击: https://github.com/bdqfork/spring-toy 查看完整代码,运行example进行测试,希望大家批评指正。

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