自己动手写Spring

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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BeanDefinition。BeanDefinition是对Bean的一个描述，我们可以定义一个BeanDefinition。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,BeanDefinition>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BeanDefinition如下：

public class BeanDefinition {
    /**
     * 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。BeanDefinition的完整代码，可以查阅container包下的BeanDefinition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, BeanDefinition> beans = new HashMap<>();

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

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);
                }

                BeanDefinition beanDefinition = new BeanDefinition(candidate, isSingleton, name);
                beanDefinition.setInjectorProvider(new InjectorProvider(candidate, this.beanNameGenerator));

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

        Map<String, BeanDefinition> beanDefinationMap = beanContainer.getBeanDefinations();
        Resolver resolver = new Resolver(beanContainer);
        for (Map.Entry<String, BeanDefinition> 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BeanDefinition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，BeanDefinition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(BeanDefinition bean);

    /**
     * 返回依赖的bean
     *
     * @return
     */
    BeanDefinition 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 beanDefinition
     * @return
     */
    boolean isMatch(BeanDefinition beanDefinition);

    /**
     * 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 BeanDefinition 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 void setDefaultName(String defaultName) {
        this.defalultName = defaultName;
    }

    @Override
    public String getDefaultName() {
        return defalultName;
    }

    @Override
    public String getRefName() {
        return refName;
    }

    @Override
    public void setBean(BeanDefinition bean) {
        this.bean = bean;
    }

    @Override
    public BeanDefinition getBean() {
        return this.bean;
    }

    @Override
    public boolean isRequired() {
        return isRequired;
    }

    @Override
    public boolean isMatch(BeanDefinition beanDefinition) {
        if (refName != null && refName.equals(beanDefinition.getName())) {
            return true;
        } else if (defalultName.equals(beanDefinition.getName())) {
            return true;
        } else {
            Class<?> type = getType();
            return beanDefinition.isType(type);
        }
    }

    @Override
    public void setProvider(boolean provider) {
        isProvider = provider;
    }

    @Override
    public boolean isProvider() {
        return isProvider;
    }

    @Override
    public void setProvidedType(Class<?> providedType) {
        this.providedType = providedType;
    }

    protected Class<?> getProvidedType() {
        return providedType;
    }
}

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 beanDefinition
     * @return boolean
     */
    boolean hasDependence(BeanDefinition beanDefinition);

    /**
     * 注入依赖
     *
     * @param instance
     * @param beanDefinition
     * @return
     * @throws InjectedException
     */
    Object inject(Object instance, BeanDefinition beanDefinition) 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：

/**
 * @author bdq
 * @date 2019-02-14
 */
public abstract class AbstractInjector implements Injector {
    protected List<InjectorData> injectorDatas;

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

    @Override
    public boolean hasDependence(BeanDefinition beanDefinition) {
        for (InjectorData injectorData : injectorDatas) {
            if (injectorData.isMatch(beanDefinition)) {
                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 beanDefinition
     * @return
     * @throws ConstructorInjectedException
     */
    public Object inject(BeanDefinition beanDefinition) throws ConstructorInjectedException {
        return inject(null, beanDefinition);
    }

    @Override
    public Object inject(Object instance, BeanDefinition beanDefinition) 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) {
                    BeanDefinition 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!", beanDefinition.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!", beanDefinition.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(BeanDefinition beanDefinition) throws SpringToyException {
        //如果已经解析过了，则返回
        if (beanDefinition.isResolved()) {
            return;
        }
        //优先解析父类
        Class<?> superClass = beanDefinition.getClazz().getSuperclass();
        if (superClass != null && superClass != Object.class) {

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

        InjectorProvider injectorProvider = beanDefinition.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(beanDefinition, 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(beanDefinition, 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(beanDefinition, injectorProvider, parameterInjectorData, methodInjectorAttribute.isRequired());
                        }
                    }
                }
            }

        }

        beanDefinition.setResolved(true);

    }

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

        Map<String, BeanDefinition> 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 (BeanDefinition 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 (beanDefinition == ref || injectorProvider.hasDependence(beanDefinition)) {
            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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  • 本文作者：bdqfork
  • 本文链接：/articles/36
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