Spring IoC 模块设计文档

注：码友们，我们是从设计的角度一步步学习和分解Spring；所以不要一上来就想看源码，也不需要关心Spring具体加载进去的；我们只封装工具（如IoC），至于调用，暂时不用考虑；（是所谓：抓鲁迅关我周树人什么事）

一、设计理念

此处码友们可以先思考以下，如果仅针对IoC这个点来说，你会如何设计，“动手之前先思考”，所以我想机智的码友会有以下思考：

1、现在将bean的控制权交给框架了，码友不用自己new了，那么肯定要有一个创建bean对象的工具，以及存放创建好的bean的容器；

2、针对创建的对象的工具，从设计角度，首先得支持多种方式吧（比如：XML/注解/Java Config），要不然太局限没人用可还得了；

3、创建好的对象存放的方式，最容易想到的应该是Map，以键值对形式存储；

4、聪明的码友，又会想到既然bean是框架生成和存储的，那么此处会存在一个问题，bean是一下子就能创建好的吗？比如A依赖了B，B依赖了C，那么先创建A的时候，B还没创建，那是不是B就无法完全创建了，B、C同理；那么针对这个问题，肯定要有一个方案去解决，此处假设有个“黑盒”，已经解决了，本篇不论。

5、聪明的码友，思路是不是已经掌握了，万变不离其宗，这个思路握在手里，再细看以下内容。

6、面向对象的核心特性不要忘了：封装、继承、多态

7、23种设计模式、七大软件设计原则也需要作为基础知识，从而去理解和“设计”Spring

1. 控制反转（Inversion of Control, IoC）

• 核心思想：将对象的创建与依赖管理权从应用程序代码转移到框架或容器中。

• 实现目标：

  • 解耦组件间的依赖关系，降低代码耦合度。
  • 提供统一的配置管理（XML/注解/Java Config），简化对象生命周期管理。
  • 支持灵活的扩展性（通过接口、回调、扩展点）。

2. 依赖注入（Dependency Injection, DI）

• 定义：由容器动态注入依赖对象，而非硬编码依赖关系。
• 实现方式：
  • 构造器注入（Constructor Injection）。
  • Setter 方法注入（Setter Injection）。
  • 字段注入（Field Injection，基于注解）。

3. 松耦合与可扩展性

• 松耦合：通过接口抽象与依赖注入，使组件之间无需直接引用具体实现。

• 可扩展性：

  • 支持自定义 BeanPostProcessor、BeanFactoryPostProcessor。
  • 允许通过 SPI（Service Provider Interface）机制扩展容器功能。

4. 配置元数据

• 支持形式：

  • XML 配置（<bean> 标签）。
  • 注解配置（@Component、@Autowired、@Configuration）。
  • Java 配置类（@Bean 注解）。

• 统一抽象：BeanDefinition 是所有配置的抽象表示，支持多种配置源的解析与注册。

二、核心组件与职责划分

结合设计理念，做组件拆分和定义，这里罗列的是不断迭代后结果，而我们如果从头设计，就只需要重点考虑核心： IoC 容器、Bean 的元数据、配置源

三、关键设计模式

你已经是一个成熟的码农了，应该学会套公式了

1. 工厂模式（Factory Pattern）

• 应用场景：BeanFactory 作为工厂接口，负责创建和管理 Bean 实例。
• 实现类：DefaultListableBeanFactory、XmlBeanFactory。
• 优势：解耦对象创建逻辑与使用逻辑，支持灵活的实例化策略（反射、工厂方法）。

2. 单例模式（Singleton Pattern）

• 应用场景：默认情况下，Spring 容器中的 Bean 为单例作用域（@Scope("singleton")）。
• 实现机制：通过 DefaultSingletonBeanRegistry 维护单例池（Map<String, Object>）。
• 扩展性：支持原型作用域（@Scope("prototype")）及自定义作用域。

3. 代理模式（Proxy Pattern）

• 应用场景：AOP 的实现（动态代理）。

• 实现方式：

  • JDK 动态代理：基于接口生成代理类（适用于有接口的目标对象）。
  • CGLIB 字节码增强：直接修改字节码生成子类代理（适用于无接口的目标对象）。

• 关键类：ProxyFactory、JdkDynamicAopProxy、CglibAopProxy。

4. 观察者模式（Observer Pattern）

• 应用场景：事件驱动模型（ApplicationEvent 与 ApplicationListener）。

• 实现机制：

  • 事件发布：ApplicationContext.publishEvent(event)。
  • 事件监听：通过 @EventListener 注解或 ApplicationListener 接口注册监听器。

5. 模板方法模式（Template Method Pattern）

• 应用场景：BeanFactory 的初始化流程（refresh() 方法）。
• 实现步骤：

public void refresh() {
	this.prepareRefresh();
    registerBeanDefinitions(); // 注册 BeanDefinition
    prepareBeanFactory();      // 配置容器
    postProcessBeanFactory();  // 扩展点
    instantiateSingletons();   // 实例化单例 Bean
}

四、源码解析

此处就核心逻辑简要说明，后续章节中我们会针对以下章节分别做详细源码解析说明

1. IoC 容器启动流程

• 入口：ApplicationContext 的 refresh() 方法。

• 关键步骤：

  1. 加载配置：解析 XML/注解/Java Config，生成 BeanDefinition。
  2. 注册 BeanDefinition：将 BeanDefinition 存入 BeanDefinitionRegistry。
  3. 实例化单例 Bean：通过 DefaultListableBeanFactory 的 preInstantiateSingletons() 方法。
  4. 依赖注入：通过 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 注入依赖。

2. Bean 生命周期管理

• 流程图：

  [BeanDefinition 加载] → [Bean 实例化] → [属性注入] → [初始化方法] → [使用 Bean] → [销毁方法]
  

• 关键类：

  • AbstractAutowireCapableBeanFactory：负责实例化与属性注入。
  • InitializingBean：定义 afterPropertiesSet() 初始化方法。
  • DisposableBean：定义 destroy() 销毁方法。

3. 依赖注入实现

• 字段注入：

  • 通过 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 处理 @Autowired 注解。
  • 使用 AutowiredFieldElement.inject() 方法完成字段赋值。

• 构造器注入：

  • 通过 ConstructorResolver.autowireConstructor() 解析构造器参数。

4. AOP 与动态代理

• 代理创建：

  • 判断目标对象是否为接口：

    • 是 → 使用 JdkDynamicAopProxy。
    • 否 → 使用 CglibAopProxy。

• 切面织入：

  • 通过 Advisor 定义切面逻辑（Pointcut + Advice）。
  • 在代理对象的方法调用中插入 invoke() 逻辑（如 @Before、@Around）。

五、高级特性与扩展

1. Bean 作用域

• 单例（Singleton）：默认作用域，整个容器共享一个实例。
• 原型（Prototype）：每次请求创建新实例。
• Web 作用域：request、session（需 Web 环境支持）。
• 自定义作用域：通过 Scope 接口实现（如 ThreadScope）。

2. 条件化配置

• @Conditional 注解：根据条件决定是否注册 Bean。
• @Profile 注解：按环境激活不同配置（如开发、测试、生产）。

3. 扩展点机制

• BeanFactoryPostProcessor：修改 BeanDefinition（如 PropertyPlaceholderConfigurer）。
• BeanPostProcessor：拦截 Bean 实例化过程（如 AOPProxy 创建）。

4. 性能优化

• 懒加载（Lazy Initialization）：通过 @Lazy 延迟加载 Bean。
• 缓存单例池：DefaultSingletonBeanRegistry 使用 ConcurrentHashMap 提高并发性能。

六、应用场景与示例

1. 基于 XML 的配置

<beans>
    <bean id="userService" class="com.albert.UserService">
        <property name="userDao" ref="userDao"/>
    </bean>
    <bean id="userDao" class="com.albert.UserDaoImpl"/>
</beans>

2. 基于注解的配置

@Service
public class UserService {
    @Autowired
    private UserDao userDao;
}

3. 基于 Java Config 的配置

@Configuration
public class AppConfig {
    @Bean
    public UserService userService() {
        return new UserService(userDao());
    }

    @Bean
    public UserDao userDao() {
        return new UserDaoImpl();
    }
}

七、总结与展望

• 核心价值：

  • 通过控制反转与依赖注入，Spring IoC 实现了组件的解耦与复用，显著提升了开发效率与代码可维护性。

• 未来方向：

  • 云原生支持：进一步优化容器启动速度与资源占用（如 GraalVM 原生镜像）。
  • 无配置化：通过代码生成（如 Lombok）或元编程减少显式配置。
  • 服务治理集成：与微服务框架（如 Spring Cloud）深度整合，实现分布式场景下的依赖管理。