手写迷你版SpringMVC

学习如何使用Spring,SpringMVC是很快的,但是在往后使用的过程中难免会想探究一下框架背后的原理是什么,本文将通过讲解如何手写一个简单版的springMVC框架,直接从代码上看框架中请求分发,控制反转和依赖注入是如何实现的。

建议配合示例源码阅读,github地址如下:

https://github.com/liuyj24/mini-spring

项目搭建

项目搭建可以参考github中的项目,先选好jar包管理工具,Maven和Gradle都行,本项目使用的是Gradle。

然后在项目下建两个模块,一个是framework,用于编写框架;另外一个是test,用于应用并测试框架(注意test模块要依赖framework模块)。

接着在framework模块下按照spring创建好beans,core,context,web等模块对应的包,完成后便可以进入框架的编写了。

请求分发

在讲请求分发之前先来梳理一下整个web模型:

  1. 首先用户在客户端发送一个请求到服务器,经操作系统的TCP/IP栈解析后会交到在某个端口监听的web服务器。
  2. web服务器程序监听到请求后便会把请求分发给对应的程序进行处理。比如Tomcat就会将请求分发给对应的java程序(servlet)进行处理,web服务器本身是不进行请求处理的。

本项目的web服务器选择Tomcat,而且为了能让项目直接跑起来,选择了在项目中内嵌Tomcat,这样框架在做测试的时候就能像spring boot一样一键启动,方便测试。

Servlet

既然选择了使用Java编写服务端程序,那就不得不提到Servlet接口了。为了规范服务器与Java程序之间的通信方式,Java官方制定了Servlet规范,服务端的Java应用程序必须实现该接口,把Java作为处理语言的服务器也必须要根据Servlet规范进行对接。

在还没有spring之前,人们是这么开发web程序的:一个业务逻辑对应一个Servlet,所以一个大项目中会有多个Servlet,这大量的Servlet会被配置到一个叫web.xml的配置文件中,当服务器运行的时候,tomcat会根据请求的uri到web.xml文件中寻找对应的Servlet业务类处理请求。

但是你想,每来一个请求就创建一个Servlet,而且一个Servlet实现类中我们通常只重写一个service方法,另外四个方法都只是给个空实现,这太浪费资源了。而且编起程序来创建很多Servlet还很难管理。能不能改进一下?

Spring的DispatcherServlet

方法确实有:

从上图可以看到,我们原来是经过web服务器把请求分发到不同的Servlet;我们可以换个思路,让web服务器把请求都发送到一个Servlet,再由这个Servlet把请求按照uri分发给不同的方法进行处理。

这样一来,不管收到什么请求,web服务器都会分发到同一个Servlet(DispatcherServlet),避免了多个Servlet所带来的问题,有以下好处:

  1. 把分发请求这一步从web服务器移动到框架内,这样更容易控制,也方便扩展。
  2. 可以把同一个业务的处理方法集中到同一个类里,把这种类起名为controller,一个controller中有多个处理方法,这样配置分散不杂乱。
  3. 配置uri映射路径的时候可以不使用配置文件,直接在处理方法上用注解配置即可,解决了配置集中,大而杂的问题。

实操

建议配合文章开头给出的源码进行参考

  1. 首先在web.mvc包中创建三个注解:Controller,RequestMapping,RequestParam,有了注解我们才能在框架启动时动态获得配置信息。
  2. 由于处理方法都是被注解的,要想解析被注解的类,首先得获得项目中相关的所有类,对应是源码中core包下的ClassScanner类
public class ClassScanner {
    public static List<Class<?>> scanClass(String packageName) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //用于保存结果的容器
        List<Class<?>> classList = new ArrayList<>();
        //把文件名改为文件路径
        String path = packageName.replace(".", "/");
        //获取默认的类加载器
        ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        //通过文件路径获取该文件夹下所有资源的URL
        Enumeration<URL> resources = classLoader.getResources(path);

        int index = 0;//测试

        while(resources.hasMoreElements()){
            //拿到下一个资源
            URL resource = resources.nextElement();
            //先判断是否是jar包,因为默认.class文件会被打包为jar包
            if(resource.getProtocol().contains("jar")){
                //把URL强转为jar包链接
                JarURLConnection jarURLConnection = (JarURLConnection)resource.openConnection();
                //根据jar包获取jar包的路径名
                String jarFilePath = jarURLConnection.getJarFile().getName();
                //把jar包下所有的类添加的保存结果的容器中
                classList.addAll(getClassFromJar(jarFilePath, path));
            }else{//也有可能不是jar文件,先放下
                //todo
            }
        }
        return classList;
    }

    /**
     * 获取jar包中所有路径符合的类文件
     * @param jarFilePath
     * @param path
     * @return
     */
    private static List<Class<?>> getClassFromJar(String jarFilePath, String path) throws IOException, ClassNotFoundException {
        List<Class<?>> classes = new ArrayList<>();//保存结果的集合
        JarFile jarFile = new JarFile(jarFilePath);//创建对应jar包的句柄
        Enumeration<JarEntry> jarEntries = jarFile.entries();//拿到jar包中所有的文件
        while(jarEntries.hasMoreElements()){
            JarEntry jarEntry = jarEntries.nextElement();//拿到一个文件
            String entryName = jarEntry.getName();//拿到文件名,大概是这样:com/shenghao/test/Test.class
            if (entryName.startsWith(path) && entryName.endsWith(".class")){//判断是否是类文件
                String classFullName = entryName.replace("/", ".")
                        .substring(0, entryName.length() - 6);
                classes.add(Class.forName(classFullName));
            }
        }
        return classes;
    }
}
  1. 然后在handler包创建MappingHandler类,在将来框架运行的过程中,一个MappingHandler就对应一个业务逻辑,比如说增加一个用户。所以一个MappingHandler中要有“请求uri,处理方法,方法的参数,方法所处的类”这四个字段,其中请求uri用于匹配请求uri,后面三个参数用于运行时通过反射调用该处理方法
public class MappingHandler {

    private String uri;
    private Method method;
    private Class<?> controller;
    private String[] args;

    MappingHandler(String uri, Method method, Class<?> cls, String[] args){
        this.uri = uri;
        this.method = method;
        this.controller = cls;
        this.args = args;
    }

    public boolean handle(ServletRequest req, ServletResponse res) throws IllegalAccessException, InstantiationException, InvocationTargetException, IOException {
        //拿到请求的uri
        String requestUri = ((HttpServletRequest)req).getRequestURI();
        if(!uri.equals(requestUri)){//如果和自身uri不同就跳过
            return false;
        }
        Object[] parameters = new Object[args.length];
        for(int i = 0; i < args.length; i++){
            parameters[i] = req.getParameter(args[i]);
        }
        Object ctl = BeanFactory.getBean(controller);
        Object response = method.invoke(ctl, parameters);
        res.getWriter().println(response.toString());
        return true;
    }
}
  1. 接下来在handler包创建HandlerManager类,这个类拥有一个静态的MappingHandler集合,这个类的作用是从获得的所有类中,找到被@controller注解的类,并将controller类中每个被@ReqeustMapping注解的方法封装成一个MappingHandler,然后把MappingHandler放入静态集合中
public class HandlerManager {

    public static List<MappingHandler> mappingHandlerList = new ArrayList<>();

    /**
     * 处理类文件集合,挑出MappingHandler
     * @param classList
     */
    public static void resolveMappingHandler(List<Class<?>> classList){
        for(Class<?> cls : classList){
            if(cls.isAnnotationPresent(Controller.class)){//MappingHandler会在controller里面
                parseHandlerFromController(cls);//继续从controller中分离出一个个MappingHandler
            }
        }
    }

    private static void parseHandlerFromController(Class<?> cls) {
        //先获取该controller中所有的方法
        Method[] methods = cls.getDeclaredMethods();
        //从中挑选出被RequestMapping注解的方法进行封装
        for(Method method : methods){
            if(!method.isAnnotationPresent(RequestMapping.class)){
                continue;
            }
            String uri = method.getDeclaredAnnotation(RequestMapping.class).value();//拿到RequestMapping定义的uri
            List<String> paramNameList = new ArrayList<>();//保存方法参数的集合
            for(Parameter parameter : method.getParameters()){
                if(parameter.isAnnotationPresent(RequestParam.class)){//把有被RequestParam注解的参数添加入集合
                    paramNameList.add(parameter.getDeclaredAnnotation(RequestParam.class).value());
                }
            }
            String[] params = paramNameList.toArray(new String[paramNameList.size()]);//把参数集合转为数组,用于反射
            MappingHandler mappingHandler = new MappingHandler(uri, method, cls, params);//反射生成MappingHandler
            mappingHandlerList.add(mappingHandler);//把mappingHandler装入集合中
        }
    }
}
  1. 完成上面四步后,我们在框架启动的时候就获得了一个MappingHandler集合,当请求来到时,我们只要根据请求的uri从集合中找到对应的MappingHandler,就可以通过反射调用对应的处理方法,到此也就完成了框架请求分发的功能。

控制反转和依赖注入

完成了请求分发功能后,进一步想这么一个问题:

假设现在处理一个请求需要创建A,B,C三个对象,而

A 有个字段 D

B 有个字段 D

C 有个字段 B

如果按照顺序创建ABC的话,

首先要创建一个D,然后创建一个A;

接着先创建一个D,然后创建一个B;

接着先创建一个D,然后创建一个B,才能创建出一个C

总共创建了一个A,两个B,一个C,三个D。

上述是我们编写程序的一方创建对象的方式,可以看到由于对象不能被重复引用,导致创建了大量重复对象。

为了解决这个问题,spring提出了bean这么个概念,你可以把一个bean理解为一个对象,但是他对比普通的对象有如下特点:

  1. 不像普通对象一样朝生暮死,声明周期较长
  2. 在整个虚拟机内可见,不像普通对象只在某个代码块中可见
  3. 维护成本高,以单例形式存在

为了制作出上述的bean,我们得有个bean工厂,bean工厂的原理也很简单:在框架初始化的时候创建相关的bean(也可以在用到的时候创建),当需要使用bean的时候直接从工厂中拿。也就是我们把创建对象的权力交给框架,这就是 控制反转

有了bean工厂后按顺序创建ABC的过程如下:

首先创建一个D,把D放入工厂,然后创建一个A,把A放入工厂;

接着从工厂拿出一个D,创建一个B,把B也放入工厂;

接着从工厂拿出一个B,创建一个C,把C也放入工厂;

总共创建了一个A,一个B,一个C,一个D

达到了对象重复利用的目的

至于创建出一个D,然后把D设置为A的一个字段这么个过程,叫做 依赖注入

所以控制反转和依赖注入的概念其实很好理解,控制反转是一种思想,而依赖注入是控制反转的一种具体实现。

实操

  1. 首先在bean包下创建@Bean和@AutoWired两个注解,同样是用于框架解析类的。
  2. 接着在bean包下创建BeanFactory,BeanFactory要能提供一个根据类获取实例的功能,这就要求他要有一个静态的getBean()方法,和一个保存Bean的映射集合。
  3. 为了初始化Bean,要有一个根据类文件集合解析出bean的方法。该方法会遍历集合中所有的类,把有注解的,属于bean的类提取出来,创建该类的对象并放到静态集合中。
  4. 在这里有个有意思的点——按什么顺序创建bean?在本文给出的源码中,用了一个循环来创建bean,如果该bean没有依赖其他的bean就直接创建,如果有依赖其他bean就看其他bean有没被创建出来,如果没有就跳过当前的bean,如果有就创建当前的bean。
  5. 在循环创建bean的过程中可能出现一种bean之间相互依赖的现象,源码中暂时对这种现象抛出异常,没作处理。
public class BeanFactory {

    //保存Bean实例的映射集合
    private static Map<Class<?>, Object> classToBean = new ConcurrentHashMap<>();

    /**
     * 根据class类型获取bean
     * @param cls
     * @return
     */
    public static Object getBean(Class<?> cls){
        return classToBean.get(cls);
    }

    /**
     * 初始化bean工厂
     * @param classList 需要一个.class文件集合
     * @throws Exception
     */
    public static void initBean(List<Class<?>> classList) throws Exception {
        //先创建一个.class文件集合的副本
        List<Class<?>> toCreate = new ArrayList<>(classList);
        //循环创建bean实例
        while(toCreate.size() != 0){
            int remainSize = toCreate.size();//记录开始时集合大小,如果一轮结束后大小没有变证明有相互依赖
            for(int i = 0; i < toCreate.size(); i++){//遍历创建bean,如果失败就先跳过,等下一轮再创建
                if(finishCreate(toCreate.get(i))){
                    toCreate.remove(i);
                }
            }
            if(toCreate.size() == remainSize){//有相互依赖的情况先抛出异常
                throw new Exception("cycle dependency!");
            }
        }
    }

    private static boolean finishCreate(Class<?> cls) throws IllegalAccessException, InstantiationException {
        //创建的bean实例仅包括Bean和Controller注释的类
        if(!cls.isAnnotationPresent(Bean.class) && !cls.isAnnotationPresent(Controller.class)){
            return true;
        }
        //先创建实例对象
        Object bean = cls.newInstance();
        //看看实例对象是否需要执行依赖注入,注入其他bean
        for(Field field : cls.getDeclaredFields()){
            if(field.isAnnotationPresent(AutoWired.class)){
                Class<?> fieldType = field.getType();
                Object reliantBean = BeanFactory.getBean(fieldType);
                if(reliantBean == null){//如果要注入的bean还未被创建就先跳过
                    return false;
                }
                field.setAccessible(true);
                field.set(bean, reliantBean);
            }
        }
        classToBean.put(cls, bean);
        return true;
    }
}
  1. 有了bean工厂之后,凡是用到bean的地方都能直接通过bean工厂拿了
  2. 最后我们可以写一个小Demo测试一下自己的框架是否能正确地处理请求完成响应。相信整个迷你框架撸下来,Spring的核心功能,以及控制反转,依赖控制等名词在你脑海中不再只是概念,而是一行行清晰的代码了。
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