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架构概述

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Spring 框架围绕模块化架构构建，为企业级 Java 应用提供全面的基础设施。其核心是控制反转（IoC）容器和依赖注入（DI）系统，但该框架的功能远不止于此，还包括 Web 技术、数据访问、测试支持等。

本文档提供了 Spring 模块化架构的高级视图，展示了主要系统如何相互作用和依赖。该架构围绕分层依赖关系设计，核心工具位于基础层，IoC 容器位于中间层，而 Spring MVC 和 WebFlux 等专用框架则位于顶层。

整体框架架构

Spring 框架被组织成不同的模块，这些模块在分层架构中相互构建。该框架可以通过几个主要的系统类别来理解。

框架模块和依赖

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系统依赖和分层

该框架遵循严格的依赖层次结构，其中高级模块依赖于低级模块

层模块主要职责
基础spring-core, spring-beans, spring-expression核心工具、IoC 容器、表达式语言
上下文spring-context, spring-aop应用上下文、配置处理、AOP
Webspring-web, spring-webmvc, spring-webfluxHTTP 抽象、Servlet/响应式 Web 框架
数据spring-jdbc, spring-orm, spring-tx数据访问、ORM 集成、事务管理
集成spring-test, spring-messaging测试支持、消息抽象

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核心容器架构

Spring 的核心容器围绕模块化架构构建，职责明确。该容器通过工厂、注册表和后处理器的分层系统来管理 Bean 的生命周期并处理依赖注入。

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关键组件

  1. BeanFactory 层次结构:

    • BeanFactory：提供基本 Bean 检索功能的核心接口
    • DefaultListableBeanFactory：存储 Bean 定义的中央注册表实现
    • AbstractAutowireCapableBeanFactory：添加了用于依赖注入的自动装配功能
    • AbstractBeanFactory：提供通用 Bean 工厂特性的基本实现

  2. Bean 定义系统:

    • BeanDefinition：表示带有配置元数据的 Bean 定义的接口
    • RootBeanDefinition：运行时具有完整配置的合并 Bean 定义
    • GenericBeanDefinition：可以有父定义的标准 Bean 定义
    • ChildBeanDefinition：从另一个定义继承的 Bean 定义

  3. 后处理器:

    • BeanPostProcessor：在 Bean 实例化后但在初始化前进行自定义的接口
    • BeanFactoryPostProcessor：用于自定义 Bean 工厂配置元数据的接口
    • BeanDefinitionRegistryPostProcessor：用于修改 Bean 定义注册表的接口

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Bean 生命周期和依赖注入

Spring 容器管理 Bean 从实例化到销毁的完整生命周期，并提供了各种扩展点用于自定义。

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依赖注入机制

Spring 支持不同类型的依赖注入

  1. 构造器注入:

    • ConstructorResolver 在 Bean 创建期间处理构造器参数的解析
    • 按构造器自动装配会查找具有最多可满足依赖项的构造器
    • @Autowired 可用于标记要使用的特定构造器

  2. 字段注入:

    • AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 检测使用 @Autowired 注解的字段并注入依赖
    • 在 Bean 实例化后但在初始化前应用

  3. 方法注入:

    • Setter 方法或任意方法都可以使用 @Autowired 进行依赖注入
    • 可用于可选依赖项或可能更改的依赖项

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配置系统

Spring 的配置系统基于 @Configuration 类的概念。这些类被处理以提取 Bean 定义并将其注册到容器中。

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主要配置组件

  1. ConfigurationClassPostProcessor:

    • 注册为一个 BeanDefinitionRegistryPostProcessor
    • 扫描 @Configuration 类并开始配置处理

  2. ConfigurationClassParser:

    • 解析 @Configuration 类并构建配置模型
    • 处理诸如 @Import、@ComponentScan 和 @PropertySource 等注解
    • 构建一组 ConfigurationClass 实例

  3. ConfigurationClassBeanDefinitionReader:

    • 从解析的配置类中读取 Bean 定义
    • 处理 @Bean 方法并将 Bean 定义注册到容器中

  4. ComponentScanAnnotationParser:

    • 处理由 @ComponentScan 注解指定的组件扫描
    • 发现并注册注解类的 Bean 定义

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应用程序上下文

应用上下文作为一个高级容器，扩展了 BeanFactory 的基本功能。它提供了额外的功能，如应用事件传播、资源加载和国际化支持。

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关键应用上下文组件

  1. GenericApplicationContext:

    • ApplicationContext 的基本实现，它委托给 DefaultListableBeanFactory
    • 允许通过单个内部 Bean 工厂编程注册 Bean 定义

  2. AnnotationConfigApplicationContext:

    • GenericApplicationContext 的专门化实现，用于基于注解的配置
    • 使用 AnnotatedBeanDefinitionReader 来处理注解类
    • 使用 ClassPathBeanDefinitionScanner 进行组件扫描

  3. 应用上下文刷新生命周期:

    • 初始化环境和属性源
    • 验证所需的属性
    • 处理所有 Bean 工厂后处理器
    • 注册 Bean 后处理器
    • 初始化消息源、事件多播器和其他特殊 Bean
    • 实例化所有剩余的单例 Bean
    • 发布相应的事件

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自动装配和依赖解析

Spring 的依赖解析系统非常复杂，支持按类型、按名称以及通过限定符进行自动装配。

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关键自动装配组件

  1. AutowiredAnnotationBeanPostProcessor:

    • 处理 @Autowired 和 @Value 注解（以及 JSR-330 的 @Inject 注解，如果可用）
    • 为每个要处理的 Bean 创建 InjectionMetadata 实例
    • 在 Bean 填充阶段注入依赖

  2. DependencyDescriptor:

    • 描述要注入的特定依赖项
    • 包含关于字段或方法参数的元数据
    • 包括必需状态、Bean 名称等信息

  3. AutowireCandidateResolver:

    • 确定一个 Bean 是否有资格自动装配到特定依赖项中
    • QualifierAnnotationAutowireCandidateResolver 处理限定符注解
    • 通过 GenericTypeAwareAutowireCandidateResolver 支持泛型匹配

  4. ObjectProvider:

    • BeanFactory 的增强版本，专门用于依赖项检索
    • 支持带有诸如 getIfAvailable() 等方法的可选依赖项
    • 通过 stream() 为 Bean 集合提供流式处理能力

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Bean 定义和注册

Spring 中的 Bean 定义系统旨在捕获创建和配置 Bean 所需的所有元数据。

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关键 Bean 定义组件

  1. BeanDefinition 类型:

    • AbstractBeanDefinition：具有通用属性的 Bean 定义基类
    • RootBeanDefinition：表示运行时合并的 Bean 定义
    • GenericBeanDefinition：大多数情况下的标准 Bean 定义
    • ChildBeanDefinition：从另一个定义继承的 Bean 定义

  2. Bean 定义属性:

    • 创建 Bean 的类或工厂方法
    • 作用域（单例、原型等）
    • 初始化和销毁方法
    • 依赖项（自动装配模式、depends-on 等）
    • 属性值和构造器参数

  3. Bean 名称生成:

    • AnnotationBeanNameGenerator 根据注解或类名确定名称
    • FullyQualifiedAnnotationBeanNameGenerator 使用完全限定类名

  4. Bean 定义注册:

    • BeanDefinitionRegistry 用于注册 Bean 定义的接口
    • DefaultListableBeanFactory 实现此接口
    • Bean 定义持有者将定义与其名称和别名结合起来

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总结

Spring 框架的核心容器架构为 Bean 管理和依赖注入提供了复杂的系统。关键组件包括

  1. BeanFactory 系统：以 DefaultListableBeanFactory 为中心，它是 Bean 定义的中央注册表，并管理 Bean 的创建和生命周期。

  2. Bean 定义系统：通过各种 BeanDefinition 实现来表示配置元数据，捕获创建和配置 Bean 所需的所有信息。

  3. 依赖注入系统：通过后处理器（特别是 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor）和解析器（如 QualifierAnnotationAutowireCandidateResolver）的组合来处理依赖的自动装配。

  4. 配置系统：处理 @Configuration 类，通过诸如 ConfigurationClassPostProcessor 和 ConfigurationClassParser 等组件，来提取和注册 Bean 定义。

  5. 应用上下文：提供一个更高级别的容器，其功能超越了基本的 BeanFactory 功能，并有多种实现，如 GenericApplicationContext 和 AnnotationConfigApplicationContext。

这种架构使 Spring 能够提供一个强大而灵活的容器系统，支持各种配置方法（注解、XML、Java 配置）、复杂的依赖注入以及通过后处理器和其他扩展点进行广泛的自定义。

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