【源码分析】Spring依赖注入原理

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一、三种依赖注入方式

在Spring中提供了三种实现依赖注入的方式：字段注入、构造器注入、Setter方法注入。

首先我们先创建一个Service层的接口以及对应的实现类，基于以下实现类来实现依赖注入的方式：

public interface UserService {

    public void UserInfo();
}

public class UserServiceImpl implements UserService{
    @Override
    public void UserInfo() {
        System.out.println("UserInfo to do ...");
    }
}

字段注入

Spring中通过@Autowired注解，可以完成注入。

public class ClientService {

    @Autowired
    private UserService userService;

    public void UserInfo(){
        userService.UserInfo();
    }
}

字段注入是三种注入方式最简单、最常用的一种方式，但是也是最需要避免使用的一种方式。那为什么要避免使用呢？接下来进行分析一下。

在ClientService 类中，我们定义了一个私有化的变量userService来注入该接口的实例，但是这个实例只能在ClientService 类中访问到，脱离容器环境无法访问到。

        ClientService clientService = new ClientService();
        clientService.UserInfo();
  

如上图执行结果抛出NullPointerException空指针异常，原因很简单无法在ClientService 类的外部实例化UserService 对象。采用字段注入的话，类与容器的耦合度较高，无法脱离容器使用目标对象。这就得出了避免使用字段注入的第一个原因：对象的外部可见性较差。

避免使用字段注入第二个原因：可能导致潜在的循环依赖。循环依赖指的是两个类之间互相进行注入。代码如下

public class ClassA {
    
    @Autowired
    private ClassB classB;
    
}

public class ClassB {

    @Autowired
    private ClassA classA;
    
}

如上代码显然，ClassA和ClassB发生循环依赖。在Spring启动的时候不会发生错误，但是在使用具体的某个类时会报错。

构造器注入

构造器注入就是使用类的构造函数来完成对象的注入。

public class ClientService {
    
    private UserService userService;

    @Autowired
    public ClientService(UserService userService) {
        this.userService = userService;
    }

    public void UserInfo(){
        userService.UserInfo();
    }
}

通过构造器注入可以解决对象的外部可见性的问题，因为userService是通过ClientService 构造函数进行注入的。基于构造器注入，回顾一下之前循环依赖的问题。代码如下

public class ClassA {
    
    private ClassB classB;
    
    @Autowired
    public ClassA(ClassB classB) {
        this.classB = classB;
    }
}

public class ClassB {

    private ClassA classA;

    @Autowired
    public ClassB(ClassA classA) {
        this.classA = classA;
    }
}

在Spring项目启动的时候，会抛出循环依赖异常，可以提醒开发者避免使用循环依赖。但是构造器注入也是有问题的，当构造函数中存在较多的依赖对象时，大量的构造函数参数回访代码出现冗余。接下来就引入Setter方法注入。

Setter注入

Setter方法注入代码如下

public class ClientService {

    private UserService userService;

    @Autowired
    public void setUserService(UserService userService) {
        this.userService = userService;
    }

    public void UserInfo(){
        userService.UserInfo();
    }
}

Setter注入相比于构造器注入可读性更强，可以将多个实例对象通过多个Setter方法逐一进行注入。回顾之前的循环依赖问题。代码如下

public class ClassA {

    private ClassB classB;

    @Autowired
    public void setClassB(ClassB classB) {
        this.classB = classB;
    }
}


public class ClassB {

    private ClassA classA;

    @Autowired
    public void setClassA(ClassA classA) {
        this.classA = classA;
    }
}

在ClassA 和ClassB 作用域都为单例bean的前提下，代码正常执行。

总结：Setter适合可选对象的注入；构造方法适合强制对象的注入；字段注入避免使用。

二、依赖注入原理

前面介绍完依赖注入的三种实现方式，接下来结合Spring源码深入的了解下依赖注入的原理，通过Bean 注册和Bean 实例化两个模块进行阐述。

Bean 注册

在Spring中我们往往通过一个应用的上下文（ApplicationContext）对象来操作各种Bean。

AnnotationConfigApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(Config.class);

xxxApplicationContext接口在Spring中就代表一个Spring IOC 容器，Spring中存在大量的ApplicationContext接口的实现类。如果基于注解的配置方式，就使用AnnotationConfigApplicationContext 来初始化上下文容器对象。接下来进入AnnotationConfigApplicationContext的源码，查看其构造函数如下：

/**
	 * Create a new AnnotationConfigApplicationContext, deriving bean definitions
	 * from the given component classes and automatically refreshing the context.
	 * @param componentClasses one or more component classes — for example,
	 * {@link Configuration @Configuration} classes
	 */
	public AnnotationConfigApplicationContext(Class<?>... componentClasses) {
		this();
		// 根据注解配置类注册Bean
		register(componentClasses);
		// 刷新容器
		refresh();
	}

	/**
	 * Create a new AnnotationConfigApplicationContext, scanning for components
	 * in the given packages, registering bean definitions for those components,
	 * and automatically refreshing the context.
	 * @param basePackages the packages to scan for component classes
	 */
	public AnnotationConfigApplicationContext(String... basePackages) {
		this();
		// 根据包路径扫描Bean
		scan(basePackages);
		// 刷新容器
		refresh();
	}

通过以上两个构造函数可以看出，一个是根据注解配置类注册Bean,另一个通过包路径扫描Bean。点击进入register方法：

    //---------------------------------------------------------------------
    // 注解ConfigRegistry的实现
	// Implementation of AnnotationConfigRegistry
	//---------------------------------------------------------------------

	/**
	 * Register one or more component classes to be processed.
	 * 
Note that {@link #refresh()} must be called in order for the context
	 * to fully process the new classes.
	 * @param componentClasses one or more component classes — for example,
	 * {@link Configuration @Configuration} classes
	 * @see #scan(String...)
	 * @see #refresh()
	 */
	@Override
	public void register(Class<?>... componentClasses) {
		Assert.notEmpty(componentClasses, "At least one component class must be specified");
		this.reader.register(componentClasses);
	}

通过this.reader.register(componentClasses);可以看出，调用当前对象reader里面的register方法，而reader实际上是AnnotatedBeanDefinitionReader工具类来完成Bean的注册。继续点进register方法：

	/**
	 * Register one or more component classes to be processed.
	 * 
Calls to {@code register} are idempotent; adding the same
	 * component class more than once has no additional effect.
	 * @param componentClasses one or more component classes,
	 * e.g. {@link Configuration @Configuration} classes
	 */
	public void register(Class<?>... componentClasses) {
		for (Class<?> componentClass : componentClasses) {
			registerBean(componentClass);
		}
	}
	
	/**
	 * Register a bean from the given bean class, deriving its metadata from
	 * class-declared annotations.
	 * @param beanClass the class of the bean
	 */
	public void registerBean(Class<?> beanClass) {
		doRegisterBean(beanClass, null, null, null, null);
	}

AnnotatedBeanDefinitionReader会遍历所有的componentClasses组件类，通过registerBean方法中的doRegisterBean方法完成Bean的注册。进入doRegisterBean：

	/**
	 * Register a bean from the given bean class, deriving its metadata from
	 * class-declared annotations.
	 * @param beanClass the class of the bean
	 * @param name an explicit name for the bean
	 * @param supplier a callback for creating an instance of the bean
	 * (may be {@code null})
	 * @param qualifiers specific qualifier annotations to consider, if any,
	 * in addition to qualifiers at the bean class level
	 * @param customizers one or more callbacks for customizing the factory's
	 * {@link BeanDefinition}, e.g. setting a lazy-init or primary flag
	 * @since 5.0
	 */
	private <T> void doRegisterBean(Class<T> beanClass, @Nullable String name,
			@Nullable Class<? extends Annotation>[] qualifiers, @Nullable Supplier<T> supplier,
			@Nullable BeanDefinitionCustomizer[] customizers) {
			
		// 将注解配置类信息转换成一种 BeanDefinition
		AnnotatedGenericBeanDefinition abd = new AnnotatedGenericBeanDefinition(beanClass);
		if (this.conditionEvaluator.shouldSkip(abd.getMetadata())) {
			return;
		}

		abd.setInstanceSupplier(supplier);	

		// 获取bean的作用域元数据
		ScopeMetadata scopeMetadata = this.scopeMetadataResolver.resolveScopeMetadata(abd);
		
		// 将bean的作用域写回 BeanDefinition
		abd.setScope(scopeMetadata.getScopeName());
		
		// 生成 beanName
		String beanName = (name != null ? name : this.beanNameGenerator.generateBeanName(abd, this.registry));
		
		// 解析AnnotatedGenericBeanDefinition 中的 @lazy 和 @Primary注解
		AnnotationConfigUtils.processCommonDefinitionAnnotations(abd);
		
	   // 处理@Qualifier 注解
		if (qualifiers != null) {
			for (Class<? extends Annotation> qualifier : qualifiers) {
				if (Primary.class == qualifier) {
					// 如果设置了@Primary注解，设置当前bean为首选bean
					abd.setPrimary(true);
				}
				else if (Lazy.class == qualifier) {
					// 如果设置了@lazy注解，则设置当前bean为延迟加载模式
					abd.setLazyInit(true);
				}
				else {
					abd.addQualifier(new AutowireCandidateQualifier(qualifier));
				}
			}
		}
		if (customizers != null) {
			for (BeanDefinitionCustomizer customizer : customizers) {
				customizer.customize(abd);
			}
		}

		BeanDefinitionHolder definitionHolder = new BeanDefinitionHolder(abd, beanName);
		definitionHolder = AnnotationConfigUtils.applyScopedProxyMode(scopeMetadata, definitionHolder, this.registry);
		// 注册 bean对象
		BeanDefinitionReaderUtils.registerBeanDefinition(definitionHolder, this.registry);
	}

总的来看：

① 首先需要构造描述bean实例化信息的BeanDefinition对象，需要将注解配置类信息转化为AnnotatedGenericBeanDefinition 类型，此处的AnnotatedGenericBeanDefinition 就是一种BeanDefinition类型，包含了Bean的构造函数参数，属性值以及添加的注解信息。
② 设置BeanDefinition属性，完成对@Scope、@Lazy、@Primary等注解的处理
③ 最后通过registerBeanDefinition()方法完成Bean的注册。

Bean 实例化

现在Spring IOC容器对Bean的创建过程并没有完成，目前只是将Bean的定义加载到了容器中，但是可能容器本身已经存在这些Bean的定义，所以需要使用refresh()方法刷新容器，回到最开始进入AnnotationConfigApplicationContext的源码，查看其构造函数如下：

/**
	 * Create a new AnnotationConfigApplicationContext, deriving bean definitions
	 * from the given component classes and automatically refreshing the context.
	 * @param componentClasses one or more component classes — for example,
	 * {@link Configuration @Configuration} classes
	 */
	public AnnotationConfigApplicationContext(Class<?>... componentClasses) {
		this();
		// 根据注解配置类注册Bean
		register(componentClasses);
		// 刷新容器
		refresh();
	}

接下来分析refresh方法，点击进入：

	@Override
	public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
		synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
			...

			// 提取配置信息，注册到BeanFactory中
			ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();

			...

			try {
				......

				// 初始化所有的单例 bean
				finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

				// Last step: publish corresponding event.
				finishRefresh();
			}

			catch (BeansException ex) {
				......
			}

			finally {
				......
			}
		}
	}

可以看出obtainFreshBeanFactory完成对Bean的注册返回一个BeanFactory。而finishBeanFactoryInitialization方法真正完成Bean实例化的入口。真正完成实例化的方法为DefaultListableBeanFactory类中的preInstantiateSingletons方法，进入此方法：

	@Override
	public void preInstantiateSingletons() throws BeansException {

		List<String> beanNames = new ArrayList<>(this.beanDefinitionNames);

		// 触发所有非懒加载的单例Bean的初始化操作
		for (String beanName : beanNames) {
			RootBeanDefinition bd = getMergedLocalBeanDefinition(beanName);
			if (!bd.isAbstract() && bd.isSingleton() && !bd.isLazyInit()) {
				if (isFactoryBean(beanName)) {
					......
				}
				else {
				// 获取Bean
					getBean(beanName);
				}
			}
		}

		......
	}

进入到getBean()方法：

	//---------------------------------------------------------------------
	// Implementation of BeanFactory interface
	//---------------------------------------------------------------------

	@Override
	public Object getBean(String name) throws BeansException {
		return doGetBean(name, null, null, false);
	}

Bean的初始化过程就在这个方法中。在当前的抽象类AbstractBeanFactory中有一个抽象方法createBean如下：

protected abstract Object createBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable Object[] args)
			throws BeanCreationException;

在Spring中实现这个抽象方法的唯一BeanFactory是AbstractAutowireCapableBeanFactory，真正完成Bean创建是在doCreateBean:

/**
	* 此类的中心方法：创建一个bean实例，
	 * Central method of this class: creates a bean instance,
	 * populates the bean instance, applies post-processors, etc.
	 * @see #doCreateBean
	 */
	@Override
	protected Object createBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable Object[] args)
			throws BeanCreationException {

		......

		try {
		// 真正创建Bean
			Object beanInstance = doCreateBean(beanName, mbdToUse, args);
			if (logger.isTraceEnabled()) {
				logger.trace("Finished creating instance of bean '" + beanName + "'");
			}
			return beanInstance;
		}
		catch (BeanCreationException | ImplicitlyAppearedSingletonException ex) {
			// A previously detected exception with proper bean creation context already,
			// or illegal singleton state to be communicated up to DefaultSingletonBeanRegistry.
			throw ex;
		}
		catch (Throwable ex) {
			throw new BeanCreationException(
					mbdToUse.getResourceDescription(), beanName, "Unexpected exception during bean creation", ex);
		}
	}

最后进入到doCreateBean如下：

protected Object doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final @Nullable Object[] args)
			throws BeanCreationException {
		......
		// 初始化一个bean
		if (instanceWrapper == null) {
			instanceWrapper = createBeanInstance(beanName, mbd, args);
		}
		......

		
		Object exposedObject = bean;
		try {
			// 初始化Bean实例
			populateBean(beanName, mbd, instanceWrapper);
			// 执行初始化bean实例回调
			exposedObject = initializeBean(beanName, exposedObject, mbd);
		}
		catch (Throwable ex) {
			if (ex instanceof BeanCreationException && beanName.equals(((BeanCreationException) ex).getBeanName())) {
				throw (BeanCreationException) ex;
			}
			else {
				throw new BeanCreationException(
						mbd.getResourceDescription(), beanName, "Initialization of bean failed", ex);
			}
		}

		......

		// 将bean注册为一次性。
		try {
			registerDisposableBeanIfNecessary(beanName, bean, mbd);
		}
		catch (BeanDefinitionValidationException ex) {
			throw new BeanCreationException(
					mbd.getResourceDescription(), beanName, "Invalid destruction signature", ex);
		}

		return exposedObject;
	}

总的来看：

① createBeanInstance方法用于根据配置生成具体的Bean，最终通过反射方法实现，执行完后Bean已经被创建，但是不完整，没有属性的注入。
② populateBean方法用于实现属性的自动注入，包含byName、byType、@Autowired、@Value属性的设置，执行完之后Bean就是完整的。
③ initializeBean方法是一种扩展性的机制，用于Bean初始化完成后的一些定制化操作。

至此分析Spring中Bean依赖注入的过程就全部结束，希望对大家有所帮助！！！