《SpringBoot系列九》:SpringBoot自动装配机制原理

1、概述

  • SpringBoot自动配置不是配置XML,自动配置的是一些Java Config类;也就是说Spring Boot自动装配的对象是Spring Bean。

  • SpringBoot自动配置的类内容取决于我们在应用的Class Path下添加的JAR文件依赖。

  • 自动装配类能够打包到外部的JAR文件中,并且将被SpringBoot装载;

  • 自动装配也能被关联到“starter"中,这些”starter“提供自动装配的代码及关联的依赖;

  • spring-boot-autoconfigure是Spring Boot核心模块(JAR),其中提供了大量的内建自动装配@Configuration类,它们统一存放在org.springframework.boot.autoconfigure包或子包下;

  • 自动装配的类均配置在META-INF/spring.factories(spring-boot-autoconfigure)资源中;META-INF/spring.factories属于Java Properties文件格式;

  • 其中激活自动装配注解@EnableAutoConfiguration充当该Properties的Key,而自动装配类为Value。

    # Auto Configure
    org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
    org.springframework.boot.autoconfigure.admin.SpringApplicationAdminJmxAutoConfiguration,\
    org.springframework.boot.autoconfigure.aop.AopAutoConfiguration,\
    org.springframework.boot.autoconfigure.amqp.RabbitAutoConfiguration,\
    org.springframework.boot.autoconfigure.batch.BatchAutoConfiguration,\
    org.springframework.boot.autoconfigure.cache.CacheAutoConfiguration,\
    

2、@SpringBootApplication

1)注解语义

SpringBoot的自动装配机制由@SpringBootApplication注解体现,@SpringBootApplication内部包含三个注解:

  1. @SpringBootConfiguration(就是一个@Configuration配置类)、

  2. @ComponentScan(basePackages="")(激活@Component的扫描,扫描时排除指定类)

    • 是一种综合性技术手段;它重新深度整合Spring注解编程模型,@Enable模块驱动及条件装配等Spring framework原生特性

    • @ComponentScan中排除了AutoConfigurationExcludeFilter类(即:永远排除其他同时标注@Configuration和@EnableAutoConfiguration的类)

  3. @EnableAutoConfiguration(核心所在,负责激活Spring Boot自动装配机制

  4. 即:@SpringBootApplication注解等同于@Configuration + @EnableAutoConfiguration + @ComponScan注解。

**然而:**我们可以选择不使用@SpringBootApplication,只要将注解@EnableAutoConfiguration 标注在一个@Configuration类上,即可实现自动装配。

  • 但是它能减少多注解所带来的配置成本;比如@ComponentScanbasePackages属性被@SpringBootApplicationscanBasePackages属性做别名。

2)@SpringBootApplication属性别名

@AliasFor注解用于桥接其他注解的属性,其能够将一个或多个注解的属性“别名”在某个注解中。

public @interface SpringBootApplication {
    ....
    @AliasFor(
        annotation = ComponentScan.class,
        attribute = "basePackageClasses"
    )
    Class<?>[] scanBasePackageClasses() default {};
}
@SpringBootApplication(scanBasePackages = {"com.saint.spring.controller"})

@SpringBootApplication的scanBasePackages属性将 @ComponentScan扫描的位置重定向到我们指定的位置;即@SpringBootApplication利用@AliasFor注解别名了@CompoentScan注解的basePackages()属性。

3)@SpringBootApplication标注非引导类

可以将@SpringBootApplication注解加载任一类ClassA上(注意scanBasePackages属性的值),然后在引导类的main()方法中run(ClassA.class, args)

  • @SpringBootApplication并非限定标注于引导类。
  • @SpringBootApplication和@EnableAutoConfiguration均能激活自动装配的特性。但对于被标注类的Bean类型则存在差异。

@SpringBootApplication“继承”了@Configuration 拥有CGLIB提升特性:

  • 正常@Bean的声明方式为“轻量模式”(Lite)
  • 在@Configuration下声明的@Bean则属于”完全模式“(Full),会执行CGLIB提升的操作。即:@Configuration类有CGLIB提升。

关于CGLIb提升:

  • 在java配置类中加@Configuration,下面的声明@bean的方法,就只会被调一次,也就是初始化的时候,哪怕是下面的方法直接互相引用,返回的new的对象的构造方法也只会调一次;
  • 而如果不加@Configuration,那么下面的方法如果有相互调用,那么返回的new的对象的构造方法就会被调多次;

3、@EnableAutoConfiguration(自动配置的过程)

@EnableAutoConfiguration又由两部分组成,分别为:@AutoConfigurationPackage(负责加载默认包加载/扫描路径)、@Import(AutoConfigurationImportSelector.class)(自动装配后续实现);

1)@AutoConfigurationPackage

@AutoConfigurationPackage注解中通过@Import注解导入了AutoConfigurationPackages.Registrar类;

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
@Import(AutoConfigurationPackages.Registrar.class)
public @interface AutoConfigurationPackage {
    ....
}

AutoConfigurationPackages.Registrar类:

AutoConfigurationPackages.Registrar类的registerBeanDefinitions()方法中:

  • 入参metadata为启动类全路径名;例如:com.saint.StartApplication;
    《SpringBoot系列九》:SpringBoot自动装配机制原理_第1张图片
  • new PackageImports(metadata).getPackageNames()表示默认的包加载/扫描路径,即启动类所在的目录;例如:com.saint
    《SpringBoot系列九》:SpringBoot自动装配机制原理_第2张图片
static class Registrar implements ImportBeanDefinitionRegistrar, DeterminableImports {

		@Override
		public void registerBeanDefinitions(AnnotationMetadata metadata, BeanDefinitionRegistry registry) {
			register(registry, new PackageImports(metadata).getPackageNames().toArray(new String[0]));
		}

		@Override
		public Set<Object> determineImports(AnnotationMetadata metadata) {
			return Collections.singleton(new PackageImports(metadata));
		}

	}

注意:如果我们依赖jar包中类所文件目录层级和当前程序扫描的包路径有交叉(比如:都已com.group.demo开头)是可以不用在spring.factories文件中写EnableAutoConfiguration = 某某类的。

2)@Import(AutoConfigurationImportSelector.class)

主要是SpringBoot自动配置的一些特征:

  1. 通过@Import注入AutoConfigurationImportSelector类,AutoConfigurationImportSelector实现了ImportSelector接口。
  2. selectImports()方法会去扫描META-INF/Spring.factories的配置文件,所有组件自动装配均在其中实现;

0> AutoConfigurationImportSelector读取自动装配class的流程

  1. 在其selectImports(AnnotationMetadata)方法中调用自己的getAutoConfigurationEntry(AnnotationMetadata)方法拿到所有自动配置的节点;这里分为六步;
  2. 第一步,利用Spring Framework工厂机制的加载器SpringFactoriesLoader,通过SpringFactoriesLoader#loadFactoryNames(Class, ClassLoader)方法读取所有META-INF/spring.factories资源中@EnableAutoConfiguration所关联的自动装配Class集合。
  3. 第二步,利用Set不可重复性对自动装配Class集合进行去重,因为自动装配组件存在重复定义的情况;
  4. 第三步,读取当前配置类所标注的@EnableAutoConfiguration注解的属性exclude和excludeName,并与spring.autoconfigure.exclude配置属性的值 合并为自动装配class排除集合
  5. 第四步,校验自动装配Class排除集合的合法性、并排除掉自动装配Class排除集合中的所有Class(不需要自动装配的Class)。
  6. 第五步,再次过滤候选自动装配Class集合中不符合条件装配的Class成员;
  7. 最后一步,触发自动装配的导入事件。
@Override
public String[] selectImports(AnnotationMetadata annotationMetadata) {
    if (!isEnabled(annotationMetadata)) {
        return NO_IMPORTS;
    }
    // 加载自动装配的元信息
    AutoConfigurationEntry autoConfigurationEntry = getAutoConfigurationEntry(annotationMetadata);
    return StringUtils.toStringArray(autoConfigurationEntry.getConfigurations());
}

protected AutoConfigurationEntry getAutoConfigurationEntry(AnnotationMetadata annotationMetadata) {
    if (!isEnabled(annotationMetadata)) {
        return EMPTY_ENTRY;
    }
    // 1. 获取@EnableAutoConfiguration标注类的元信息
    AnnotationAttributes attributes = getAttributes(annotationMetadata);
    // 2. 返回自动装配类的候选类名集合
    List<String> configurations = getCandidateConfigurations(annotationMetadata, attributes);
    // 3. 移除重复对象,因为 自动装配组件存在重复定义的情况
    configurations = removeDuplicates(configurations);
    // 4. 自动装配组件的排除名单
    Set<String> exclusions = getExclusions(annotationMetadata, attributes);
    // 5.1. 检查自动装配Class排除集合的合法性
    checkExcludedClasses(configurations, exclusions);
    // 5.2 排除掉不需要自动装配的Class
    configurations.removeAll(exclusions);
    // 6. 进一步过滤
    configurations = getConfigurationClassFilter().filter(configurations);
    // 7. 触发自动装配的导入事件,事件包括候选的装配组件类名单和排除名单。
    fireAutoConfigurationImportEvents(configurations, exclusions);
    return new AutoConfigurationEntry(configurations, exclusions);
}

我们先着重看一下getCandidateConfigurations()是如何获取到所有的自动装配类的?

phase1> getCandidateConfigurations() --> 获取自动装配类:

获取所有META-INF/Spring.factories的配置文件,进而获取所有的自动配置类;

  • 利用SpringFactoriesLoader#loadFactoryNames(Class, ClassLoader)方法,SpringFactoriesLoader是Spring Framework工厂机制的加载器;loadFactoryNames()原理如下:
    1. 搜索指定ClassLoader下所有的META-INF/spring.fatories资源内容;
    2. 将搜索到的资源内容作为Properties文件读取,合并为一个Key为接口的全类名、Value为实现类全类名 列表的Map,作为方法的返回值;
    3. 最后从上一步返回的Map中查找并返回方法指定类型 对应的实现类全类名列表
protected List<String> getCandidateConfigurations(AnnotationMetadata metadata, AnnotationAttributes attributes) {
    List<String> configurations = SpringFactoriesLoader.loadFactoryNames(getSpringFactoriesLoaderFactoryClass(),
                                                                         getBeanClassLoader());
    Assert.notEmpty(configurations, "No auto configuration classes found in META-INF/spring.factories. If you "
                    + "are using a custom packaging, make sure that file is correct.");
    return configurations;
}

/**
 * SpringFactoriesLoader#loadFactoryNames()
 */
public static List<String> loadFactoryNames(Class<?> factoryType, @Nullable ClassLoader classLoader) {
    String factoryTypeName = factoryType.getName();
    return (List)loadSpringFactories(classLoader).getOrDefault(factoryTypeName, Collections.emptyList());
}
private static Map<String, List<String>> loadSpringFactories(@Nullable ClassLoader classLoader) {
    // 先从缓存中获取
    MultiValueMap<String, String> result = cache.get(classLoader);
    if (result != null) {
        return result;
    }

    try {
        Enumeration<URL> urls = (classLoader != null ?
                                 classLoader.getResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION) :
                                 ClassLoader.getSystemResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION));
        result = new LinkedMultiValueMap<>();
        while (urls.hasMoreElements()) {
            /**
             * 查找所有我们依赖的jar包,并找到对应有META-INF/spring.factories⽂件,然后获取⽂件中的内容
             * 
             * 第一次循环:file:/.../org/springframework/spring-beans/5.2.12.RELEASE/spring-beans-5.2.12.RELEASE.jar!/META-INF/spring.factories
             * 第二次循环:file:/.../org/springframework/boot/spring-boot/2.3.7.RELEASE/spring-boot-2.3.7.RELEASE.jar!/META-INF/spring.factories
             * 第三次循环:file:/../org/springframework/boot/spring-boot-autoconfigure/2.3.7.RELEASE/spring-boot-autoconfigure-2.3.7.RELEASE.jar!/META-INF/spring.factories
             */
            URL url = urls.nextElement();
            // 获取资源
            UrlResource resource = new UrlResource(url);
            // 获取资源的内容
            Properties properties = PropertiesLoaderUtils.loadProperties(resource);
            for (Map.Entry<?, ?> entry : properties.entrySet()) {
                String factoryTypeName = ((String) entry.getKey()).trim();
                for (String factoryImplementationName : StringUtils.commaDelimitedListToStringArray((String) entry.getValue())) {
                    result.add(factoryTypeName, factoryImplementationName.trim());
                }
            }
        }
        cache.put(classLoader, result);
        return result;
    }
    catch (IOException ex) {
        throw new IllegalArgumentException("Unable to load factories from location [" +
                                           FACTORIES_RESOURCE_LOCATION + "]", ex);
    }
}
  • 第一次扫描:
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5Orm39VX-1648878127869)(./picture/SpringBoot/SpringBoot自动装配3.png)]

  • 第二次扫描:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

  • 第三次扫描:
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-L3P2kP2p-1648878127870)(./picture/SpringBoot/SpringBoot自动装配6.png)]

SpringBoot扫描到META-INF/spring.factories⽂件之后,META-INF/spring.factories文件中的内容很多,比如spring-boot-autoconfigure-2.3.7.RELEASE.jar!/META-INF/spring.factories中它的org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration key对应很多的Value,我们如何知道哪个需要自动加载、哪个不需要?

1、自动配置按需加载的原理

比如:org.springframework.boot.autoconfigure.amqp.RabbitAutoConfiguration

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
// 没有引入RabbitTemplate和Channel就不会初始化RabbitAutoConfiguration到IOC容器
@ConditionalOnClass({ RabbitTemplate.class, Channel.class })
@EnableConfigurationProperties(RabbitProperties.class)
@Import(RabbitAnnotationDrivenConfiguration.class)
public class RabbitAutoConfiguration {
    ....
}
  • 其中@ConditionalOnClass({ RabbitTemplate.class, Channel.class })便体现了SpringBoot自动配置的按需加载,即:只有RabbitTemplate.class和Channel.class都存在时,才会自动配置RabbitAutoConfiguration。
  • 相关的注解还有很多,比如:@ConditionalOnMissingClass、@ConditionalOnBean、@ConditionalOnMissingBean、@ConditionalOnProperty

2、容错兼容

比如用户创建了一个名称不正确(不符合SpringBoot要求)的类型的Bean,SpringBoot会对其进行自动容错兼容。

比如自动装载Servlet时,org.springframework.boot.autoconfigure.web.servlet.DispatcherServletAutoConfiguration中上传文件的处理器MultipartResolver,如果用户创建了一个名称不为multipartResolver的MultipartResolver类,SpringBoot会自动将其名称转换为标准名称multipartResolver:

@Bean
// 作用在当前方法上,要求IOC中必须存在MultipartResolver类型的Bean
@ConditionalOnBean(MultipartResolver.class)
// 要求IOC容器中不存在名称为multipartResolver的bean
@ConditionalOnMissingBean(name = DispatcherServlet.MULTIPART_RESOLVER_BEAN_NAME)
public MultipartResolver multipartResolver(MultipartResolver resolver) {
    // Detect if the user has created a MultipartResolver but named it incorrectly
    // 调⽤者为IOC,resolver就是从IOC中获取到的类型为MultipartResolver的bean(是MultipartResolver类型的但是名称不是“multipartResolver”)
    return resolver; // 保存到IOC中的bean的名称是“multipartResolver”
}
public static final String MULTIPART_RESOLVER_BEAN_NAME = "multipartResolver";

3、 用户配置优先(也可以说是外部配置项修改组件行为)

自定义配置优先级高于系统的默认配置。比如在WebMvcAutoConfiguration类针对View进行解析的InternalResourceViewResolver的prefix和suffix设置。

@Bean
// 如果容器中没有@ConditionalOnMissingBean名称为“defaultViewResolver”的InternalResourceViewResolver类型的Bean,则去创建(对于IOC容器而言,如果你没有创建,我帮你去创建;如果你创建了,那我就以你为主)
public InternalResourceViewResolver defaultViewResolver() {
    InternalResourceViewResolver resolver = new InternalResourceViewResolver();
    resolver.setPrefix(this.mvcProperties.getView().getPrefix());
    resolver.setSuffix(this.mvcProperties.getView().getSuffix());
    return resolver;
}

比如,自定义配置:

spring.mvc.view.prefix = "aaa"
spring.mvc.view.suffix="html"

4、 查看自动配置情况

yaml文件中配置如下内容:

debug=true

控制台输出:

Negative matches:
-----------------

   ActiveMQAutoConfiguration:
      Did not match:
         - @ConditionalOnClass did not find required class 'javax.jms.ConnectionFactory' (OnClassCondition)

   AopAutoConfiguration.AspectJAutoProxyingConfiguration:
      Did not match:
         - @ConditionalOnClass did not find required class 'org.aspectj.weaver.Advice' (OnClassCondition)

《SpringBoot系列九》:SpringBoot自动装配机制原理_第3张图片

phase last > fireAutoConfigurationImportEvents() --> 自动装配事件:

  • 首先获取所有的自动装配事件监听器AutoConfigurationImportListener
  • AutoConfigurationImportListener有别于传统的Spring ApplicationListener的实现。
    • ApplicationListener与Spring应用上下文ConfigurableApplicationContext紧密关联,监听Spring ApplicationContext。
    • 而AutoConfigurationImportListener则是自定义的java EventListener实现,仅监听AutoConfigurationImportEvent,不过其实例同样可以被SpringFactoriedLoader加载,也就是说SpringBoot框架层面为开发人员提供了扩展的途径;
    • 所以我们可以自定义AutoConfigurationImportListener的实现类;
  • 执行所有的自动装配事件。
private void fireAutoConfigurationImportEvents(List<String> configurations, Set<String> exclusions) {
    // 1. 获取所有的自动装配事件监听器AutoConfigurationImportListener
    List<AutoConfigurationImportListener> listeners = getAutoConfigurationImportListeners();
    if (!listeners.isEmpty()) {
        AutoConfigurationImportEvent event = new AutoConfigurationImportEvent(this, configurations, exclusions);
        for (AutoConfigurationImportListener listener : listeners) {
            invokeAwareMethods(listener);
            // 2. 执行自动装配事件
            listener.onAutoConfigurationImportEvent(event);
        }
    }
}

自定义AutoConfigurationImportListener:

/**
 * 自定义监听器(监听autoImport)
 */
public class CustomAutoConfigurationImportListener implements AutoConfigurationImportListener {
    @Override
    public void onAutoConfigurationImportEvent(AutoConfigurationImportEvent event) {
        // 获取当前ClassLoader
        ClassLoader classLoader = event.getClass().getClassLoader();
        // 候选的自动装配Class名单
        List<String> candidates = SpringFactoriesLoader.loadFactoryNames(EnableAutoConfiguration.class, classLoader);
        // 实际的自动装配Class名单
        List<String> configurations = event.getCandidateConfigurations();
        // 排除的自动装配Class名单
        Set<String> exclusions = event.getExclusions();
        // 输出各自数量
        System.out.printf("自动装配Class名单 - 候选数量: %d, 实际数量: %d, 排除数量: %s \n",
                candidates.size(), configurations.size(), exclusions.size());
        // 输出实际和排除的自动装配Class名单
        System.out.println("实际的自动装配Class名单:");
        event.getCandidateConfigurations().forEach(System.out::println);
        System.out.println("排除的自动装配Class名单:");
        event.getExclusions().forEach(System.out::println);
    }
}

META-INF/spring.factories中添加如下信息

org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigurationImportListener =\
com.saint.spring.autoconfigureImportlistener.CustomAutoConfigurationImportListener
@EnableAutoConfiguration(exclude = SpringApplicationAdminJmxAutoConfiguration.class)
public class EnableAutoConfigurationBootstrap {

    public static void main(String[] args) {
        new SpringApplicationBuilder(EnableAutoConfigurationBootstrap.class)
                .web(WebApplicationType.NONE) // 非Web应用
                .run(args) // 运行
                .close(); // 关闭当前上下文
    }
}
  • 从数量上来看,META-INF/spring.factories资源配置的自动装配Class名单要远多于实际装载。
  • 这是因为部分类被AutoConfigurationImportSelector#filter方法过滤掉了。

4、自动装配生命周期

自动装配类的@Order很大,也就是优先级极低。要等所有@Configuration class加载完,它才会加载。SpringBoot官网提供了两种方式对自动装配组件组件进行排序。

1)排序自动装配组件

两种自动装配组件的排序手段:

  • 绝对自动装配顺序 --> @AutoConfigureOrder
    • 与Spring Framework @Order注解的语义相同;
  • 相对自动装配顺序 --> @AutoConfigureBefore 和 @AutoConfigureAfter(推荐使用)。

一般不建议对自动装配组件的顺序进行排序,因为这要求开发人员要了解所有的自动装配组件的顺序,显然不太现实。

我们可以了解大体的排序规则;

  1. 如果自动装配Class集合中未包含@AutoConfigureOrder等顺序注解,则他们按照字母顺序依次加载。
  2. 如果存在,当AutoConfigurationClassesAutoConfigurationClass建立映射关系后,具体的@AutoConfigureOrder排序规则由AutoConfigurationClass#getOrder()方法决定:
    • 首先读取自动装配类的@AutoConfigureOrder的配置值,如果不存在,则使用默认值(很小);
    • 接着对@AutoConfigureBefore 和@AutoConfigureAfter进行排序。
  3. 因为兼容性问题,建议使用@AutoConfigureBefore或@AutoConfigureAfter的name()属性方法。

自动装配Class:

  • META-INF/spring-autoconfigure-metadata.properties是自动装配Class预处理元信息配置的资源。
  • 当该资源文件存在自动装配Class的注解元信息配置时,自动装配Class无须ClassLoader加载,即可得到所需的元信息,减少了运行时的计算消耗。

如果自动装配Class集合中未包含@AutoConfigureOrder等顺序注解,则他们是按照字母顺序依次加载的

5、自定义一个自动装配类(starter)

1)命名规则

  • 自动装配Class类 --> XxxAutoConfiguration

  • 自动装配package命名模式 --> r o o t − p a c k a g e . a u t o c o n f i g u r e . {root-package}.autoconfigure. rootpackage.autoconfigure.{module-package}

    org.springframework.boot.autoconfigure.aop.AopAutoConfiguration
    
  • starter命名模式 --> ${module}-spring-boot-starter

2)demo

见博文:SprinBoot自定义自动装配类与xxx-spring-boot-starter

6、如何使自动装配失效?

SpringBoot提供了两种方式:

  1. 代码配置方式
    • 配置类型安全的属性方法:@EnableAutoConfiguration.exclude()
    • 配置排除类名的属性方法:@EnableAutoConfiguration.excludeName()
  2. 外部化配置方式
    • 配置属性:spring.autoconfigure.exclude

7、后续

对于@EnableAutoConfiguration注解中@Import注解导入的AutoConfigurationImportSelector类何时加载,即何时加载自动装配的类?,见博文:《SpringBoot启动流程五》:你确定你真的知道SpringBoot自动装配原理吗(两万字图文源码分析)

自动装配入口的代码执行流程图:
在这里插入图片描述

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