Spring IoC容器的初始化过程

Spring IoC容器的初始化包括 BeanDefinition的Resource定位、载入和注册 这三个基本的过程。IoC容器的初始化过程不包含Bean依赖注入的实现。Bean依赖的注入一般会发生在第一次通过getBean向容器索取Bean的时候。

先看以下代码：

ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("ioc.xml");
Car car = (Car) context.getBean("car");
System.out.println(car.getBrand());

以上是我们常用的加载IoC容器，并获得Bean的代码。直接进入ClassPathXmlApplicationContext的构造方法，它实际调用的构造方法为：

public ClassPathXmlApplicationContext(String[] configLocations, boolean refresh, ApplicationContext parent)
        throws BeansException {

    super(parent);
    setConfigLocations(configLocations);
    if (refresh) {
        refresh();    //调用容器的refresh，载入BeanDefinitionde的入口。
    }
}

调用super(parent)方法为容器设置好Bean资源加载器，该方法最终会调用到AbstractApplicationContext的无参构造方法，这里会默认设置解析路径的模式为Ant-style。
setConfigLocations(configLocations)设置Bean定义资源文件的定位路径。AbstractRefreshableConfigApplicationContext中的setConfigLocation(String location)说明了多个资源文件路径之间可以是用” ,
; /t/n”分隔。setConfigLocations(String… locations)说明了它还接受字符串数组。

接下来看下最重要的refresh()方法。

@Override
public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
    synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
        //调用容器准备刷新的方法，获取容器的当时时间，同时给容器设置同步标识  
        prepareRefresh();

        // 通知子类启动refreshBeanFactory()的调用
        ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();

        //为BeanFactory配置容器特性，例如类加载器、事件处理器等  
        prepareBeanFactory(beanFactory);

        try {
            //为子类设置BeanFactory的后置处理器
            postProcessBeanFactory(beanFactory);

            //调用BeanFactoryPostProcessor，这些后置处理器都是在Bean定义中向容器定义的
            invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);

            // 注册Bean的后置处理器，在Bean创建过程中调用
            registerBeanPostProcessors(beanFactory);

            // 对上下文的消息源进行初始化
            initMessageSource();

            // 初始化上下文的事件机制
            initApplicationEventMulticaster();

            // 初始化其他特殊的Bean
            onRefresh();

            // 检查监听Bean，并且将这些Bean向容器中注册
            registerListeners();

            // 实例化所有的(non-lazy-init) 单例
            finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

            // 最后一步：发布容器事件，结束refresh过程
            finishRefresh();
        }

        catch (BeansException ex) {
            if (logger.isWarnEnabled()) {
                logger.warn("Exception encountered during context initialization - " +
                        "cancelling refresh attempt: " + ex);
            }

            /销毁已经创建的单态Bean  
            destroyBeans();

            // 重置'active'状态
            cancelRefresh(ex);

            // Propagate exception to caller.
            throw ex;
        }

        finally {
            // Reset common introspection caches in Spring's core, since we
            // might not ever need metadata for singleton beans anymore...
            resetCommonCaches();
        }
    }
}

我们重点看ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();。这句代码的作用是告诉子类启动refreshBeanFactory方法以及通过getBeanFactory获得beanFactory。

refreshBeanFactory方法在AbstractApplicationContext中被定义，且在其子类AbstractRefreshableApplicationContext中实现。代码如下：

@Override
protected final void refreshBeanFactory() throws BeansException {

    if (hasBeanFactory()) {    //如果已经有BeanFactory，销毁bean，关闭BeanFactory
        destroyBeans();
        closeBeanFactory();
    }
    try {
        DefaultListableBeanFactory beanFactory = createBeanFactory();    //创建IoC容器
        beanFactory.setSerializationId(getId());
        customizeBeanFactory(beanFactory);
        loadBeanDefinitions(beanFactory);    //启动对BeanDefinitions的载入
        synchronized (this.beanFactoryMonitor) {
            this.beanFactory = beanFactory;
        }
    }
    catch (IOException ex) {
        throw new ApplicationContextException("I/O error parsing bean definition source for " + getDisplayName(), ex);
    }
}

通过createBeanFactory()构建了一个DefaultListableBeanFactory IoC容器提供给ApplicationContext使用。同时通过loadBeanDefinitions(beanFactory)载入Bean定义。

loadBeanDefinitions方法的具体实现是在AbstractXmlApplicationContext中。

@Override
protected void loadBeanDefinitions(DefaultListableBeanFactory beanFactory) throws BeansException, IOException {
    //创建XmlBeanDefinitionReader，即创建Bean读取器，并通过回调设置到容器中去，容器使用该读取器读取Bean定义资源  
    XmlBeanDefinitionReader beanDefinitionReader = new XmlBeanDefinitionReader(beanFactory);

    // Configure the bean definition reader with this context's resource loading environment.
    beanDefinitionReader.setEnvironment(this.getEnvironment());
    beanDefinitionReader.setResourceLoader(this);    //为Bean读取器设置Spring资源加载器
    beanDefinitionReader.setEntityResolver(new ResourceEntityResolver(this));

    //当Bean读取器读取Bean定义的Xml资源文件时，启用Xml的校验机制  
    initBeanDefinitionReader(beanDefinitionReader);
    //通过beanDefinitionReader加载BeanDefinitions 
    loadBeanDefinitions(beanDefinitionReader);
}

在loadBeanDefinitions中创建了XmlBeanDefinitionReader实例，然后在IoC容器中设置该实例，最后通过loadBeanDefinitions方法来完成Bean定义在IoC容器中的载入。接下来看下真正实现加载BeanDefinitions的loadBeanDefinitions(beanDefinitionReader)方法：

protected void loadBeanDefinitions(XmlBeanDefinitionReader reader) throws BeansException, IOException {
    Resource[] configResources = getConfigResources();    //获得Bean配置文件的资源位置
    if (configResources != null) {
        //读取AbstractBeanDefinitionReader中定位的资源
        reader.loadBeanDefinitions(configResources);
    }
    //获取ClassPathXmlApplicationContext构造方法中setConfigLocations方法设置的资源  
    String[] configLocations = getConfigLocations();    
    if (configLocations != null) {
        //读取AbstractBeanDefinitionReader中定位的资源,最终还是以Resource的形式去加载资源。
        reader.loadBeanDefinitions(configLocations);
    }
}

在AbstractBeanDefinitionReader的loadBeanDefinitions中开始进行BeanDefinitions的载入。

@Override
public int loadBeanDefinitions(Resource... resources) throws BeanDefinitionStoreException {
    Assert.notNull(resources, "Resource array must not be null");
    int counter = 0;
    for (Resource resource : resources) {
        counter += loadBeanDefinitions(resource);
    }
    return counter;
}

以上代码中的loadBeanDefinitions在AbstractBeanDefinitionReader中并没有实现，它只是一个在BeanDefinitionReader中定义的接口方法，具体的实现在各个子类（如：XmlBeanDefinitionReader）中。

在XmlBeanDefinitionReader中实现的loadBeanDefinitions方法会得到一个XML文件的InputStream，然后会获得一个InputResource，调用doLoadBeanDefinitions(inputSource, encodedResource.getResource())返回。doLoadBeanDefinitions方法是去从XML文件中加载BeanDefinitions，具体的过程是在该方法调用了registerBeanDefinitions(doc, resource)。

public int registerBeanDefinitions(Document doc, Resource resource) throws BeanDefinitionStoreException {
    //这里得到BeanDefinitionDocumentReader来对XML的BeanDefinition进行解析
    BeanDefinitionDocumentReader documentReader = createBeanDefinitionDocumentReader();
    int countBefore = getRegistry().getBeanDefinitionCount();
    //具体的解析过程在registerBeanDefinitions中完成
    documentReader.registerBeanDefinitions(doc, createReaderContext(resource));
    return getRegistry().getBeanDefinitionCount() - countBefore;
}

通过上面的代码可以知道具体的解析XML并转换为容器内部结构的过程是在BeanDefinitionDocumentReader中完成的，registerBeanDefinitions还对载入的Bean数量进行了统计。这里使用的documentReader是通过createBeanDefinitionDocumentReader()方法创建的默认的DefaultBeanDefinitionDocumentReader。而DefaultBeanDefinitionDocumentReader中定义了Spring的Bean规则。

@Override
public void registerBeanDefinitions(Document doc, XmlReaderContext readerContext) {
    this.readerContext = readerContext;
    logger.debug("Loading bean definitions");
    Element root = doc.getDocumentElement();
    doRegisterBeanDefinitions(root);
}

在doRegisterBeanDefinitions中，由BeanDefinitionParserDelegate实现了解析过程。

protected void doRegisterBeanDefinitions(Element root) {
    BeanDefinitionParserDelegate parent = this.delegate;
    this.delegate = createDelegate(getReaderContext(), root, parent);

    if (this.delegate.isDefaultNamespace(root)) {
        String profileSpec = root.getAttribute(PROFILE_ATTRIBUTE);
        if (StringUtils.hasText(profileSpec)) {
            String[] specifiedProfiles = StringUtils.tokenizeToStringArray(
                    profileSpec, BeanDefinitionParserDelegate.MULTI_VALUE_ATTRIBUTE_DELIMITERS);
            if (!getReaderContext().getEnvironment().acceptsProfiles(specifiedProfiles)) {
                return;
            }
        }
    }

    preProcessXml(root);
    parseBeanDefinitions(root, this.delegate);
    postProcessXml(root);

    this.delegate = parent;
}

通过一路跟进parseBeanDefinitions方法，可以找到以下代码：

private void parseDefaultElement(Element ele, BeanDefinitionParserDelegate delegate) {
    if (delegate.nodeNameEquals(ele, IMPORT_ELEMENT)) {
        importBeanDefinitionResource(ele);
    }
    else if (delegate.nodeNameEquals(ele, ALIAS_ELEMENT)) {
        processAliasRegistration(ele);
    }
    else if (delegate.nodeNameEquals(ele, BEAN_ELEMENT)) {
        processBeanDefinition(ele, delegate);
    }
    else if (delegate.nodeNameEquals(ele, NESTED_BEANS_ELEMENT)) {
        // recurse
        doRegisterBeanDefinitions(ele);
    }
}


//这里是处理BeanDefinition的地方，具体的处理工作交给了BeanDefinitionParserDelegate的parseBeanDefinitionElement。
protected void processBeanDefinition(Element ele, BeanDefinitionParserDelegate delegate) {
    BeanDefinitionHolder bdHolder = delegate.parseBeanDefinitionElement(ele);
    if (bdHolder != null) {
        bdHolder = delegate.decorateBeanDefinitionIfRequired(ele, bdHolder);
        try {
            //向IoC容器注册解析到BeanDefinition
            BeanDefinitionReaderUtils.registerBeanDefinition(bdHolder, getReaderContext().getRegistry());
        }
        catch (BeanDefinitionStoreException ex) {
            getReaderContext().error("Failed to register bean definition with name '" +
                    bdHolder.getBeanName() + "'", ele, ex);
        }
        // 在BeanDefinition想IoC容器注册完以后，发送消息。
        getReaderContext().fireComponentRegistered(new BeanComponentDefinition(bdHolder));
    }
}

在processBeanDefinition方法中处理BeanDefinitions，具体的处理工作交给了BeanDefinitionParserDelegate的parseBeanDefinitionElement，并且得到结果BeanDefinitionHolder，然后向IoC容器注册解析到的BeanDefinition，注册完成之后发送消息。BeanDefinitionParserDelegate类包含了对各种Spring Bean定义规则的处理。BeanDefinitionHolder是BeanDefinition的封装类，封装了BeanDefinition，Bean的名字、别名。用它来完成想IoC容器注册。

public BeanDefinitionHolder parseBeanDefinitionElement(Element ele, BeanDefinition containingBean) {
    //在这里取得<bean>中定义的id、name、aliase属性的值
    String id = ele.getAttribute(ID_ATTRIBUTE);
    String nameAttr = ele.getAttribute(NAME_ATTRIBUTE);

    List<String> aliases = new ArrayList<String>();
    if (StringUtils.hasLength(nameAttr)) {
        String[] nameArr = StringUtils.tokenizeToStringArray(nameAttr, MULTI_VALUE_ATTRIBUTE_DELIMITERS);
        aliases.addAll(Arrays.asList(nameArr));
    }

    String beanName = id;
    if (!StringUtils.hasText(beanName) && !aliases.isEmpty()) {
        beanName = aliases.remove(0);
        if (logger.isDebugEnabled()) {
            logger.debug("No XML 'id' specified - using '" + beanName +
                    "' as bean name and " + aliases + " as aliases");
        }
    }

    if (containingBean == null) {
        checkNameUniqueness(beanName, aliases, ele);
    }
    //这个方法会引发对Bean元素的详细解析
    AbstractBeanDefinition beanDefinition = parseBeanDefinitionElement(ele, beanName, containingBean);
    if (beanDefinition != null) {
        if (!StringUtils.hasText(beanName)) {
            try {
                if (containingBean != null) {
                    beanName = BeanDefinitionReaderUtils.generateBeanName(
                            beanDefinition, this.readerContext.getRegistry(), true);
                }
                else {
                    beanName = this.readerContext.generateBeanName(beanDefinition);

                    String beanClassName = beanDefinition.getBeanClassName();
                    if (beanClassName != null &&
                            beanName.startsWith(beanClassName) && beanName.length() > beanClassName.length() &&
                            !this.readerContext.getRegistry().isBeanNameInUse(beanClassName)) {
                        aliases.add(beanClassName);
                    }
                }
                if (logger.isDebugEnabled()) {
                    logger.debug("Neither XML 'id' nor 'name' specified - " +
                            "using generated bean name [" + beanName + "]");
                }
            }
            catch (Exception ex) {
                error(ex.getMessage(), ele);
                return null;
            }
        }
        String[] aliasesArray = StringUtils.toStringArray(aliases);
        return new BeanDefinitionHolder(beanDefinition, beanName, aliasesArray);
    }

    return null;
}

以下代码是对Bean元素的详细解析：

public AbstractBeanDefinition parseBeanDefinitionElement(
        Element ele, String beanName, BeanDefinition containingBean) {

    this.parseState.push(new BeanEntry(beanName));

    //这里只是读取定义的<bean>中设置的class名字，然后载入到BeanDefinition中去，只是做个记录，并不涉及对象的实例化过程，对象的实例化实际上是在依赖注入时完成的
    String className = null;
    if (ele.hasAttribute(CLASS_ATTRIBUTE)) {
        className = ele.getAttribute(CLASS_ATTRIBUTE).trim();
    }

    try {
        String parent = null;
        if (ele.hasAttribute(PARENT_ATTRIBUTE)) {
            parent = ele.getAttribute(PARENT_ATTRIBUTE);
        }
        //这里生成需要的BeanDefinition对象，为Bean定义信息的载入做准备
        AbstractBeanDefinition bd = createBeanDefinition(className, parent);
        //这里对当前的Bean元素进行属性解析，并设置description
        parseBeanDefinitionAttributes(ele, beanName, containingBean, bd);
        bd.setDescription(DomUtils.getChildElementValueByTagName(ele, DESCRIPTION_ELEMENT));
        //对各种<bean>元素的信息进行解析
        parseMetaElements(ele, bd);
        parseLookupOverrideSubElements(ele, bd.getMethodOverrides());
        parseReplacedMethodSubElements(ele, bd.getMethodOverrides());
        //解析<bean>的构造函数设置
        parseConstructorArgElements(ele, bd);
        //解析<bean>的property设置
        parsePropertyElements(ele, bd);
        parseQualifierElements(ele, bd);

        bd.setResource(this.readerContext.getResource());
        bd.setSource(extractSource(ele));

        return bd;
    }
    //这里是异常处理。
    catch (ClassNotFoundException ex) {
        error("Bean class [" + className + "] not found", ele, ex);
    }
    catch (NoClassDefFoundError err) {
        error("Class that bean class [" + className + "] depends on not found", ele, err);
    }
    catch (Throwable ex) {
        error("Unexpected failure during bean definition parsing", ele, ex);
    }
    finally {
        this.parseState.pop();
    }

    return null;
}

以上就是BeanDefinition在IoC容器中的载入和解析过程。

在上面的DefaultBeanDefinitionDocumentReader类的processBeanDefinition方法中我们看到有这么一行代码：BeanDefinitionReaderUtils.registerBeanDefinition(bdHolder, getReaderContext().getRegistry());。这里的作用是想IoC容器注册解析后获得到的BeanDefinition。通过追踪代码，发现DefaultListableBeanFactory实现了在BeanDefinitionRegistry中定义的registerBeanDefinition方法。

@Override
public void registerBeanDefinition(String beanName, BeanDefinition beanDefinition)
        throws BeanDefinitionStoreException {

    Assert.hasText(beanName, "Bean name must not be empty");
    Assert.notNull(beanDefinition, "BeanDefinition must not be null");

    if (beanDefinition instanceof AbstractBeanDefinition) {
        try {
            ((AbstractBeanDefinition) beanDefinition).validate();
        }
        catch (BeanDefinitionValidationException ex) {
            throw new BeanDefinitionStoreException(beanDefinition.getResourceDescription(), beanName,
                    "Validation of bean definition failed", ex);
        }
    }

    BeanDefinition oldBeanDefinition;

    oldBeanDefinition = this.beanDefinitionMap.get(beanName);
    if (oldBeanDefinition != null) {    //检查是不是有相同名字的Bean在IoC容器中存在了
        if (!isAllowBeanDefinitionOverriding()) {    //存在相同的名字的Bean，但又不允许覆盖，那么会抛出异常
            throw new BeanDefinitionStoreException(beanDefinition.getResourceDescription(), beanName,
                    "Cannot register bean definition [" + beanDefinition + "] for bean '" + beanName +
                    "': There is already [" + oldBeanDefinition + "] bound.");
        }
        else if (oldBeanDefinition.getRole() < beanDefinition.getRole()) {
            // e.g. was ROLE_APPLICATION, now overriding with ROLE_SUPPORT or ROLE_INFRASTRUCTURE
            if (this.logger.isWarnEnabled()) {
                this.logger.warn("Overriding user-defined bean definition for bean '" + beanName +
                        "' with a framework-generated bean definition: replacing [" +
                        oldBeanDefinition + "] with [" + beanDefinition + "]");
            }
        }
        else if (!beanDefinition.equals(oldBeanDefinition)) {
            if (this.logger.isInfoEnabled()) {
                this.logger.info("Overriding bean definition for bean '" + beanName +
                        "' with a different definition: replacing [" + oldBeanDefinition +
                        "] with [" + beanDefinition + "]");
            }
        }
        else {
            if (this.logger.isDebugEnabled()) {
                this.logger.debug("Overriding bean definition for bean '" + beanName +
                        "' with an equivalent definition: replacing [" + oldBeanDefinition +
                        "] with [" + beanDefinition + "]");
            }
        }
        this.beanDefinitionMap.put(beanName, beanDefinition);
    }
    else {    //这边是正常注册BeanDefinition。
        if (hasBeanCreationStarted()) {
            // Cannot modify startup-time collection elements anymore (for stable iteration)
            synchronized (this.beanDefinitionMap) {
                this.beanDefinitionMap.put(beanName, beanDefinition);
                List<String> updatedDefinitions = new ArrayList<String>(this.beanDefinitionNames.size() + 1);
                updatedDefinitions.addAll(this.beanDefinitionNames);
                updatedDefinitions.add(beanName);
                this.beanDefinitionNames = updatedDefinitions;
                if (this.manualSingletonNames.contains(beanName)) {
                    Set<String> updatedSingletons = new LinkedHashSet<String>(this.manualSingletonNames);
                    updatedSingletons.remove(beanName);
                    this.manualSingletonNames = updatedSingletons;
                }
            }
        }
        else {
            // Still in startup registration phase
            this.beanDefinitionMap.put(beanName, beanDefinition);
            this.beanDefinitionNames.add(beanName);
            this.manualSingletonNames.remove(beanName);
        }
        this.frozenBeanDefinitionNames = null;
    }

    if (oldBeanDefinition != null || containsSingleton(beanName)) {
        resetBeanDefinition(beanName);
    }
}

总结：

IoC容器初始化的入口是在构造方法中调用refresh()开始的。
通过ResourceLoader来完成资源文件位置的定位,DefaultResourceLoader是默认的实现,同时上下文本身就给出了ResourceLoader的实现。
创建的IoC容器是DefaultListableBeanFactory。
IoC容器对Bean的管理和依赖注入功能的实现是通过对其持有的BeanDefinition进行相关操作来完成的。
通过BeanDefinitionReader来完成定义信息的解析和Bean信息的注册。
XmlBeanDefinitionReader是BeanDefinitionReader的实现类，通过它来解析XML配置中的bean定义。
实际的处理过程是委托给 BeanDefinitionParserDelegate来完成的。得到bean的定义信息，这些信息在Spring中使用BeanDefinition对象来表示。
BeanDefinition的注册是由BeanDefinitionRegistry实现的registerBeanDefinition方法进行的。内部使用ConcurrentHashMap来保存BeanDefinition。