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仿springIoc实现自己的IOC，支持三级缓存——本人见过讲springIOC最通透的文章，附git地址，代码下载！_ioc 的三级缓存

作者：盐析白兔 | 2024-04-03 09:42:13

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ioc 的三级缓存

Spring 中的 IOC

Spring 的 IOC 其实很复杂，因为它支持的情况，种类，以及开放的接口，拓展性（如各种PostProcessor）太丰富了。这导致我们在看 Spring 源码的过程中非常吃力，经常点进去一个函数发现很深很深。这篇我主要针对 Spring 的 IOC 中的核心部分，例如 Spring 的 IOC 是如何实现的，Spring 是如何解决循环依赖的这类问题做一个介绍以及一份实现，因为原理是相通的，对于 Spring 对各种情况的逻辑上的处理不做细致的讨论，对原型模式，或是 FactoryBean 类型的 Bean 的不同处理方式不做具体实现。

本文将实现一个怎样的 IOC

  1. 仅支持 Singleton 单例模式的 Bean 管理。（这也是我们在平时项目中最常用的模式）

  2. 仅支持 无参构造器的 Bean 的管理。（这部分如果实现支持有参构造器的也很简单，后续可能会补充）

  3. 仅支持 按照 BeanName 的方式加载 Bean 的方式，如果遇到 Class 的情况，将获取Class 的 SimpleName 后继续按照 BeanName 的方式加载。（这里类似于在 Spring 当中使用 @AutoWaired 按类型匹配不到的情况依然会按照 Name 的方式去匹配）

  4. 支持 自动装配，并完美解决循环依赖问题。

流程设计

基础流程设计

如果不考虑循环依赖的问题，不考虑三级缓存的情况下，实现我们这样一个IOC的功能很简单：

  1. 加载所有的需要被我们管理的 Bean（被 @Component 修饰的类），转换成 Bean 的定义（BeanDefinition，后面会说），存放在 Map 中。

  2. 利用反射得到这些 Bean 的实例，将这些 Bean 的实例存储在我们的容器内。

  3. 填充我们需要自动装配的属性（被 @Resource 修饰的属性）。

完成以上三步，就可以在外层容器调用 getBean() 方法获取 Bean 的实例了。

如何解决循环依赖

网上关于 Spring 如何解决循环依赖的文章很多，简单来说就是利用缓存，先将没有填充属性的对象缓存起来，需要的时候先去用这个对象，不必等待一个对象完整的初始化好。而为什么是三级缓存不是二级缓存呢，这里笼统的来说还是方便 Spring 或者开发者们去拓展一些东西，例如在 Spring Bean 的生命周期中有很多的 Processor，这个我们后续再讲。关于这部分的细节上的逻辑，在后面介绍完三级缓存会有一个很详细的流程图。

三级缓存

三级缓存的实现在代码中的 SingletonBeanRegistry 中：

其中有以下几个核心属性：

  1. singletonObjects：一级缓存，用于存放完全初始化好的 bean，从该缓存中取出的 bean 可以直接使用。

  2. earlySingletonObjects：二级缓存，用于存放提前曝光的单例对象的cache，原始的 bean 对象（尚未填充属性）。

  3. singletonFactories：三级缓存，用于存放 bean 工厂对象（ObjectFactory）。三级缓存中用到了 ObjectFactory，这里的 ObjectFactory 可以理解为三级缓存中 Bean 的代理对象，其 getObject() 方法描述了如何获取这个三级缓存的对象。设计成这样除了方便实现三级缓存解决循环依赖，另外也是方便 Spring 在 ObjectFactory 中做一些拓展。

  4. singletonsCurrentlyInCreation：用于存放正在被创建的 Bean 对象。

流程图（重要）

代码设计

BeanFactory（参考自 Spring 的 BeanFactory）

和 Spring 一样，这是 IOC 相关的顶级接口，里面包含了获取 Bean，判断 Bean 是否存在的定义。

  1. public interface BeanFactory {
  2.     Object getBean(String name);
  3.     <T> T getBean(Class<T> requiredType);
  4.     boolean containsBean(String name);
  5. }

SingletonBeanRegistry（参考自 Spring 的 DefaultSingletonBeanRegistry）

单例 Bean 的注册中心，里面包含了所有 Bean 的实例以及所有 Bean 实例的缓存，以及获取单例 Bean 的逻辑，这个类的方法结合 DefaultBeanFactory 中的 getBean() 调用链就是上面流程图的全部内容。

  1. public class SingletonBeanRegistry {
  2.     private static final Object NULL_OBJECT = new Object();
  3.     private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>();
  4.     private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>();
  5.     private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>();
  6.     private final Set<String> singletonsCurrentlyInCreation = Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap<>());
  7.     protected Object getSingleton(String beanName) {
  8.         Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
  9.         if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
  10.             synchronized (this.singletonObjects) {
  11.                 singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
  12.                 if (singletonObject == null) {
  13.                     ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
  14.                     if (singletonFactory != null) {
  15.                         singletonObject = singletonFactory.getObject();
  16.                         this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
  17.                         this.singletonFactories.remove(beanName);
  18.                     }
  19.                 }
  20.             }
  21.         }
  22.         return (singletonObject != NULL_OBJECT ? singletonObject : null);
  23.     }
  24.     protected Object getSingleton(String beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) {
  25.         synchronized (this.singletonObjects) {
  26.             Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
  27.             if (singletonObject == null) {
  28.                 this.singletonsCurrentlyInCreation.add(beanName);
  29.                 singletonObject = singletonFactory.getObject();
  30.                 this.singletonsCurrentlyInCreation.remove(beanName);
  31.                 addSingleton(beanName, singletonObject);
  32.             }
  33.             return (singletonObject != NULL_OBJECT ? singletonObject : null);
  34.         }
  35.     }
  36.     protected void addSingleton(String beanName, Object singletonObject) {
  37.         synchronized (this.singletonObjects) {
  38.             this.singletonObjects.put(beanName, (singletonObject != null ? singletonObject : NULL_OBJECT));
  39.             this.singletonFactories.remove(beanName);
  40.             this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
  41.         }
  42.     }
  43.     protected void addSingletonFactory(String beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) {
  44.         synchronized (this.singletonObjects) {
  45.             if (!this.singletonObjects.containsKey(beanName)) {
  46.                 this.singletonFactories.put(beanName, singletonFactory);
  47.                 this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
  48.             }
  49.         }
  50.     }
  51.     protected void removeSingleton(String beanName) {
  52.         synchronized (this.singletonObjects) {
  53.             this.singletonObjects.remove(beanName);
  54.             this.singletonFactories.remove(beanName);
  55.             this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
  56.         }
  57.     }
  58.     protected boolean isSingletonCurrentlyInCreation(String beanName) {
  59.         return this.singletonsCurrentlyInCreation.contains(beanName);
  60.     }
  61.     protected boolean containsSingleton(String name) {
  62.         return this.singletonObjects.containsKey(name);
  63.     }
  64. }

DefaultBeanFactory（参考自 Spring 的 DefaultListableBeanFactory）

BeanFactory 的一个实现，继承了 SingletonBeanRegistry ，同时也作为一个成员变量存在于 ApplicationContext 当中。getBean() 是入口，其调用链为：getBean()->doGetBean()获取Bean如果不存在则创建->doCreateBean()->createBeanInstance()创建 Bean 的实例->populateBean()Bean属性的自动装配。（在 Spring 中多了一步 createBean() 用于实现 AOP，和一步 initalizeBean() 用于执行后置处理器和 init-method，这里我们都暂不实现）

  1. public class DefaultBeanFactory extends SingletonBeanRegistry implements BeanFactory {
  2.     private final Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>();
  3.     public void registerBeanDefinition(String beanName, BeanDefinition beanDefinition) {
  4.         this.beanDefinitionMap.put(beanName, beanDefinition);
  5.     }
  6.     public void preInstantiateSingletons() {
  7.         this.beanDefinitionMap.forEach((beanName, beanDef) -> {
  8.             getBean(beanName);
  9.         });
  10.     }
  11.     @Override
  12.     public Object getBean(String name) {
  13.         return doGetBean(name);
  14.     }
  15.     private <T> T doGetBean(final String beanName) {
  16.         Object bean;
  17.         Object sharedInstance = getSingleton(beanName);
  18.         if (sharedInstance != null) {
  19.             bean = sharedInstance;
  20.         } else {
  21.             BeanDefinition beanDefinition = this.beanDefinitionMap.get(beanName);
  22.             if (beanDefinition == null) {
  23.                 throw new DumpException("can not find the definition of bean '" + beanName + "'");
  24.             }
  25.             bean = getSingleton(beanName, () -> {
  26.                 try {
  27.                     return doCreateBean(beanName, beanDefinition);
  28.                 } catch (Exception ex) {
  29.                     removeSingleton(beanName);
  30.                     throw ex;
  31.                 }
  32.             });
  33.         }
  34.         return (T) bean;
  35.     }
  36.     private Object doCreateBean(String beanName, BeanDefinition beanDefinition) {
  37.         Object bean = createBeanInstance(beanName, beanDefinition);
  38.         boolean earlySingletonExposure = isSingletonCurrentlyInCreation(beanName);
  39.         if (earlySingletonExposure) {
  40.             addSingletonFactory(beanName, () -> bean);
  41.         }
  42.         Object exposedObject = bean;
  43.         populateBean(beanName, beanDefinition, bean);
  44.         if (earlySingletonExposure) {
  45.             Object earlySingletonReference = getSingleton(beanName);
  46.             if (earlySingletonReference != null) {
  47.                 exposedObject = earlySingletonReference;
  48.             }
  49.         }
  50.         return exposedObject;
  51.     }
  52.     private Object createBeanInstance(String beanName, BeanDefinition beanDefinition) {
  53.         Class<?> beanClass = beanDefinition.getBeanClass();
  54.         Constructor<?> constructorToUse;
  55.         if (beanClass.isInterface()) {
  56.             throw new DumpException("Specified class '" + beanName + "' is an interface");
  57.         }
  58.         try {
  59.             constructorToUse = beanClass.getDeclaredConstructor((Class<?>[]) null);
  60.             return BeanUtils.instantiateClass(constructorToUse);
  61.         } catch (Exception e) {
  62.             throw new DumpException("'" + beanName + "',No default constructor found", e);
  63.         }
  64.     }
  65.     private void populateBean(String beanName, BeanDefinition beanDefinition, Object beanInstance) {
  66.         Field[] beanFields = beanDefinition.getBeanClass().getDeclaredFields();
  67.         try {
  68.             for (Field field : beanFields) {
  69.                 if (field.getAnnotation(Resource.class) == null) {
  70.                     continue;
  71.                 }
  72.                 if (!containsBean(field.getName())) {
  73.                     throw new DumpException("'@Resource' for field '" + field.getClass().getName() + "' can not find");
  74.                 }
  75.                 field.setAccessible(true);
  76.                 field.set(beanInstance, getBean(field.getName()));
  77.             }
  78.         } catch (Exception e) {
  79.             throw new DumpException("populateBean '" + beanName + "' error", e);
  80.         }
  81.     }
  82.     private boolean containsBeanDefinition(String name) {
  83.         return beanDefinitionMap.containsKey(name);
  84.     }
  85.     @Override
  86.     @SuppressWarnings("unchecked")
  87.     public <T> T getBean(Class<T> requiredType) {
  88.         return (T) getBean(StringUtils.lowerFirst(requiredType.getSimpleName()));
  89.     }
  90.     @Override
  91.     public boolean containsBean(String name) {
  92.         return this.containsSingleton(name) || containsBeanDefinition(name);
  93.     }
  94. }

ApplicationContext

应用的最外层容器，利用内部的 DefaultBeanFactory 对象实现了 BeanFactory。在new ApplicationContext()时，会执行读取所有的 Bean 转化成 BeanDefinition，并对所有的 BeanDefinition 执行 getBean() 获取所有 Bean 的实例，存放在 SingletonBeanRegistry 当中。在 ApplicationContext 中调用 getBean() 其实就是调用 DefaultBeanFactory 中的 getBean()。

  1. public class ApplicationContext implements BeanFactory {
  2.     private DefaultBeanFactory beanFactory = new DefaultBeanFactory();
  3.     public ApplicationContext() {
  4.         loadBeanDefinitions(beanFactory);
  5.         finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
  6.     }
  7.     private void loadBeanDefinitions(DefaultBeanFactory beanFactory) {
  8.         ComponentBeanReader beanReader = new ComponentBeanReader();
  9.         beanReader.readBeanDefinition(beanFactory);
  10.     }
  11.     public void finishBeanFactoryInitialization(DefaultBeanFactory beanFactory) {
  12.         beanFactory.preInstantiateSingletons();
  13.     }
  14.     @Override
  15.     public Object getBean(String name) {
  16.         return getBeanFactory().getBean(name);
  17.     }
  18.     @Override
  19.     public <T> T getBean(Class<T> requiredType) {
  20.         return getBeanFactory().getBean(requiredType);
  21.     }
  22.     @Override
  23.     public boolean containsBean(String name) {
  24.         return getBeanFactory().containsBean(name);
  25.     }
  26.     public DefaultBeanFactory getBeanFactory() {
  27.         return beanFactory;
  28.     }
  29. }

BeanDefinition（参考自 Spring 的 BeanDefinition）

Bean 的描述，理论上应包含很多 Bean 的信息，但目前的实现只存了一个该 Bean 的 Class。

  1. public class BeanDefinition {
  2.     private volatile Class<?> beanClass;
  3.     public Class<?> getBeanClass() {
  4.         return beanClass;
  5.     }
  6.     public void setBeanClass(Class<?> beanClass) {
  7.         this.beanClass = beanClass;
  8.     }
  9. }

 

ComponentBeanReader（参考自 Spring 的 XmlBeanDefinitionReader）

用于初始化 ApplicationContext 时，读取所有的 Bean，转化为 BeanDefinition。

  1. public class ComponentBeanReader {
  2.     public void readBeanDefinition(DefaultBeanFactory beanFactory) {
  3.         Set<Class<?>> componentSet = ReflectionUtils.getAllClass(Component.class);
  4.         componentSet.forEach((componentClass) -> {
  5.             BeanDefinition beanDefinition = new BeanDefinition();
  6.             String beanName = componentClass.getAnnotation(Component.class).value();
  7.             if ("".equals(beanName)) {
  8.                 beanName = StringUtils.lowerFirst(componentClass.getSimpleName());
  9.             }
  10.             beanDefinition.setBeanClass(componentClass);
  11.             beanFactory.registerBeanDefinition(beanName, beanDefinition);
  12.         });
  13.     }
  14. }

测试

  1. @Component
  2. class A{
  3.     @Resource
  4.     private B b;
  5. @Component
  6. class A{
  7.     @Resource
  8.     private B b;
  9.     public void setB(B b) {
  10.         this.b = b;
  11.     }
  12.     public B getB() {
  13.         return b;
  14.     }
  15. }
  16. @Component
  17. class B{
  18.     @Resource
  19.     private A a;
  20.     public void setA(A a) {
  21.         this.a = a;
  22.     }
  23.     public A getA() {
  24.         return a;
  25.     }
  26. }
  27. @Component
  28. class C{
  29.     
  30.     @Resource
  31.     private A a;
  32.     @Resource
  33.     B b;
  34.     public A getA() {
  35.         return a;
  36.     }
  37.     public void setA(A a) {
  38.         this.a = a;
  39.     }
  40.     public B getB() {
  41.         return b;
  42.     }
  43.     public void setB(B b) {
  44.         this.b = b;
  45.     }
  46. }
  47. public class Test {
  48.     public static void main(String[] args) {
  49.         ApplicationContext context = new ApplicationContext();
  50.         A a = context.getBean(A.class);
  51.         B b = context.getBean(B.class);
  52.         C c = (C)context.getBean("c");
  53.         System.out.println(a.getB());
  54.         System.out.println(b.getA());
  55.         System.out.println(c.getA());
  56.         System.out.println(c.getB());
  57.     }
  58. }

 

最后

以上就是对 Spring 中单例 Bean 管理的一个简单实现，代码中比较难懂的部分是三级缓存的部分，对于三级缓存的详细流程和介绍其实全部都在上面的流程图里，如果看懂了流程图再看代码就会觉得很简单了。

同时这部分代码也会作为我实现的一个 web 框架 Dump 的一部分：Dump - A lightweight web framework：https://github.com/yuanguangxin/Dump

最后附上关于这部分实现的完整代码：

https://github.com/yuanguangxin/Dump/tree/master/src/main/java/group/dump/beans

 

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