Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队

引言

对于 Java 开发人员来说,Spring 框架几乎是必不可少的。它是一个广泛用于开发企业应用程序的开源轻量级框架。近几年,Spring Boot 在传统 Spring 框架的基础上应运而生,不仅提供了 Spring 的全部功能,还使开发人员更加便捷地使用。在使用 Spring Boot 时,我们经常会接触到各种 Spring Boot Starter,例如 spring-boot-starter-web。只需将该依赖加入项目中,我们就可以开始开发应用;在引入 spring-boot-starter-data-jdbc 后,只需在配置文件中填写数据库连接信息,即可连接数据库。此外,您还可以随意切换数据源组件依赖,而无需修改业务代码。Spring Boot Starter 是如何适配的呢?我们能否自己实现一个 Spring Boot Starter 呢?本文将剖析 Spring Boot Starter 的原理,并自定义实现一个 Spring Boot Starter 组件。

一、Spring Boot Starter 是什么?

Spring Boot Starter 是 Spring Boot 中比较重要的概念, 是一种依赖描述符,它可以帮助您简化配置。当需要构建一个 Web 应用程序时,不必再遍历所有的依赖包,一个一个地添加到项目的依赖管理中,而是只需要一个配置spring-boot-starter-web,如以下示例:

Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队_第1张图片

Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队_第2张图片

从上面示例来看,我们使用了相当少的代码创建了一个 REST 应用程序。Spring 官方提供了许多 Starter,同时第三方也可以自定义 Starter,官方为了加以区分,Starter 从名称上进行了如下规范:spring-boot-starter-xxx;第三方提供的 starter 名称为:xxx-spring-boot-starter

二、Spring Boot Starter 剖析

前面介绍了 Starter 的概念以及如何快速创建 REST 应用程序。只需添加一个依赖和几行代码,就能完成 REST 接口开发。那么,在没有 Spring Boot 和 Starter 的情况下,我们该如何进行开发呢?Spring Boot Starter 的工作原理又是什么?接下来,我们将通过开发 Web 服务和 Dubbo 服务作为例子,分别剖析纯 Spring 和 Spring Boot Starter。

Spring

环境依赖

  • JDK 1.8

  • Maven 3

  • Tomcat 8(需要依靠 Web 容器服务器才能启动)

  • spring-webmvc 4.3.30.RELEASE

  • dubbo 2.7.23

开发流程

  1. 首先介绍一下,这是一个标准的 Maven 目录结构与demo-service依赖内容

    Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队_第3张图片

    
        
        
            org.springframework
            spring-webmvc
            4.3.30.RELEASE
        
        
            javax.servlet
            servlet-api
            2.5
        
        
        
            com.fasterxml.jackson.core
            jackson-databind
            2.9.8
        
    
        
        
            org.apache.dubbo
            dubbo
            2.7.23
        
        
            org.apache.curator
            curator-x-discovery
            5.1.0
        
        
            org.apache.zookeeper
            zookeeper
            3.8.0
        
    
        
        
            com.demo
            demo-api
            1.0-SNAPSHOT
        
    
    
    
  2. 由于在 Spring XML 下还需要依靠 Java Web 和 Web 容器运行,还需要web/WEB-INF/web.xmlWeb 配置文件,内容配置了 SpringMVC 入口

    
    
    
        
        
            org.springframework.web.context.ContextLoaderListener
        
    
        
            contextConfigLocation
            classpath:dubbo.xml
        
    
        
            springmvc
            org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet
    
            
                contextConfigLocation
                classpath:mvc.xml
            
        
    
        
            springmvc
            /
        
    
    
    
  3. SpringMVC 配置文件mvc.xml与 Dubbo 配置文件dubbo.xml

    
    
    
        
    
        
        
    
        
        
    
    
    
    
    
    
        
        
        
        
        
        
    
    
    
  4. 编写 Controller 接口与 Dubbo RPC 接口

    package com.demo.controller;
    
    import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
    import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
    
    @RestController
    public class HelloController {
    
        @GetMapping(value = "/say/hello")
        public HelloEntity sayHello() {
            return new HelloEntity("Hello World");
        }
    
    }
    
    
    package com.demo.provider;
    
    import com.demo.api.DemoService;
    import com.demo.dto.HelloEntity;
    
    public class DemoServiceImpl implements DemoService {
    
        @Override
        public HelloEntity sayHello() {
            return new HelloEntity("Hello World");
        }
    }
    
    
  5. 以上还无法单独运行,需要将以上打包成war包放入到 Tomcat 才可运行。

剖析

从上面的开发流程中,我们可以看到入口都在 web.xml 中。其中有一个监听器和一个 Servlet,以及初始化参数 dubbo.xml 和 mvc.xml。在 Spring Boot 出现之前,Spring 通常使用 XML 配置方式描述 Bean,或者在 XML 中配置注解驱动和上下文扫描方式解析 Bean。因此,我们可以看出这里有两个 XML 文件。经过分析源代码,我们整理出了以下 XML 标签解析到 Bean 解析的流程。如下:

  1. 由 Tomcat 启动加载web.xml并通过监听器和 Servlet 让 Spring 加载 XML 并解析。

  2. 直到BeanDefinitionParserDelegate#parseCustomElement开始解析自定义标签,找到mvc:xxxdubbo:xxx标签找到了 XML 命名空间。

  3. DefaultNamespaceHandlerResolver处理逻辑:以懒加载方式加载所有 jar 中META-INF/spring.handlers(路径必须得是这个)并缓存到handlerMappings,通过命名空间 URI 找到与之对应的处理类,SpringMVC 与 Dubbo 命名空间处理类分别为MvcNamespaceHandlerDubboNamespaceHandler

  4. MvcNamespaceHandlerDubboNamespaceHandler都分别实现了NamespaceHandler#init方法,内容如下:
    Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队_第4张图片
    Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队_第5张图片
    init方法将 SpringMVC 和 Dubbo 标签对应的 BeanDefinitionParser 注册到了 NamespaceHandlerSupport#parsers 中。在上一步中,DefaultNamespaceHandlerResolver 根据标签获取到了该标签的 BeanDefinitionParser,从而将对应的 Bean 注册到了 Spring IOC 容器中。注册逻辑不是本文的重点,这里就不再赘述。至此,SpringMVC 和 Dubbo 的加载流程已经完成。

从以上加载流程中,我们可以看出,在没有 Spring Boot 之前,Spring 主要依靠 XML 配置来启动。它会加载 XML 中的自定义标签,找到对应的命名空间,然后扫描 classpath 下的 META-INF/spring.handlers,找到命名空间处理类来解析当前标签。

Spring Boot

环境依赖

  • JDK 1.8

  • Maven 3

  • spring-boot 2.6.9

  • dubbo 2.7.23

开发流程

  1. 目录结构与 Mavendemo-spring-boot依赖内容
    Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队_第6张图片

    
        
            org.springframework.boot
            spring-boot-starter-web
        
    
        
        
            org.apache.dubbo
            dubbo-spring-boot-starter
            2.7.23
        
        
            org.apache.curator
            curator-x-discovery
            5.1.0
        
        
            org.apache.zookeeper
            zookeeper
            3.8.0
        
    
        
            com.demo
            demo-api
            1.0-SNAPSHOT
        
    
    
    
  2. 应用程序入口DemoSpringBootApplication

    @SpringBootApplication
    public class DemoSpringBootApplication {
    
        public static void main(String[] args) {
            SpringApplication.run(DemoSpringBootApplication.class, args);
        }
    
    }
    
    
  3. application.yml文件内容只有 Dubbo 的配置

    dubbo:
      application:
        name: demo-provider
      protocol:
        port: 20880
        name: dubbo
      registry:
        address: zookeeper://127.0.0.1:2181
    
    
  4. 编写 Controller 接口与 Dubbo RPC 接口

    package com.demo.controller;
    
    import com.demo.dto.HelloEntity;
    import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
    import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
    
    @RestController
    public class HelloController {
    
        @GetMapping(value = "/say/hello")
        public HelloEntity sayHello() {
            return new HelloEntity("Hello World");
        }
    
    }
    
    
    package com.demo.provider;
    
    import com.demo.api.DemoService;
    import com.demo.dto.HelloEntity;
    
    @DubboService 
    public class DemoServiceImpl implements DemoService {
    
        @Override
        public HelloEntity sayHello() {
            return new HelloEntity("Hello World");
        }
    }
    
    
  5. 由于spring-boot-starter-web已经内嵌 tomcat ,只需要直接运行DemoSpringBootApplication#main方法即可运行应用

剖析

从开发流程上没办法第一时间找到解析入口,唯一入口就是在DemoSpringBootApplication,经过源代码分析得出以下流程:

  1. 应用DemoSpringBootApplication类上有@SpringBootApplication注解,而该注解由以下三个注解组成:

    • @SpringBootConfiguration,标注当前类为一个配置类,与[@Configuration](https://my.oschina.net/pointdance)注解功能一致 ,被[@Configuration](https://my.oschina.net/pointdance)注解的类对应 Spring 的 XML 版的容器。

    • @EnableAutoConfiguration,开启启动自动装配的关键,由@AutoConfigurationPackage@Import(AutoConfigurationImportSelector.class)组成

    • @ComponentScan,按照当前类路径扫描含有@Service@Controller等等注解的类,等同于 Spring XML 中的context:component-scan

  2. Spring Boot 自动装配由@EnableAutoConfiguration导入的AutoConfigurationImportSelector类,会调用SpringFactoriesLoader#loadFactoryNames从 ClassPath 下扫描所有 jar 包的META-INF/spring.factories内容,由于传入的EnableAutoConfiguration.class,只会返回org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfigurationkey 的值,得到一个全限定类名字符串数组configurations

    Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队_第7张图片

  3. configurations经过去重与声明式排除后,会进行以下进行过滤自动装配:

    configurations = getConfigurationClassFilter().filter(configurations)
    
    

    分成两部分:获取过滤器和执行过滤。

    • getConfigurationClassFilter(),也是通过SpringFactoriesLoader#loadFactoryNamesMETA-INF/spring.factories找到 Key 为org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigurationImportFilter的值,目前只有:OnBeanConditionOnClassConditionOnClassCondition三个过滤器。

    • 执行过滤,会根据配置类上含有@ConditionOnBean@ConditionalOnClass@ConditionalOnWebApplication等等条件注解来过滤掉部分配置类。比如WebMvcAutoConfiguration指定需要在@ConditionOnWebApplication下才生效。

      Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队_第8张图片

  4. 在引入各类 Configuration 的配置类后,配置类结合@Bean来完成 Spring Bean 解析和注入,同时 Spring Boot 还提供了许多@ConditionalXXX给开发者完成灵活注入。

以上就是 Spring Boot 的自动装配过程。Spring Boot 利用被 @Configuration 注解的配置类来代替 Spring XML 完成 Bean 的注入。然后,SpringFactoriesLoader 会最终加载 META-INF/spring.factories 中的自动配置类,实现自动装配过程。依靠“约定大于配置”的思想,如果开发的 Starter 想要生效,就需要按照 Spring Boot 的约定。

小结

通过对比 Spring 与 Spring Boot 的开发流程,我们可以发现 Spring Boot 在完成 Web 与 Dubbo 独立应用开发时,使用了相对较少的代码和配置。这得益于 Spring Boot Starter 的自动装配能力,它是 Spring Boot 的主要功能。通过消除定义一些属于自动配置类部分的需求,自动配置可以帮助简化开发流程并加速开发速度。

SPI

我们从上面剖析发现,两者都使用了一项机制去加载引入的 jar 包中的配置文件从而加载对应类,那就是SPI(Service Provider Interface)

SPI (Service Provider Interface), 是 Java 内置的一种服务提供发现机制,提高框架的扩展性。

Spring Boot Starter 剖析与实践 | 京东云技术团队_第9张图片

Java SPI

Java 内置的 SPI 通过java.util.ServiceLoader类解析 Classpath 和 jar 包的META-INF/services目录下的以接口全限定名命名的文件,并加载该文件中指定的接口实现类,以此完成调用。

但是 Java SPI 会有一定不足:

  • 不能做到按需加载,需要遍历所有的实现并实例化,然后在循环中找到所需要的实现。

  • 多个并发多线程使用ServiceLoader类的实例不安全

  • 加载不到实现类时抛出并不是真正原因的异常,错误难定位。

Spring SPI

Spring SPI 沿用了 Java SPI ,但是在实现上和 Java SPI 存在差异,但是核心机制相同,在不修改 Spring 源码前提下,可以做到对 Spring 框架的扩展开发。

  • 在 Spring XML 中,由DefaultNamespaceHandlerResolver负责解析spring.handlers生成 namespaceUri 和 NamespaceHandler 名称的映射,等有需要时在进行实例化。

  • 在 Spring Boot 中,由SpringFactoriesLoader负责解析spring.factories文件,并将指定接口的所有实现类/全限定类名返回。

Spring Boot 2.7.0

在本文中 Spring Boot 自动装配使用了 SPI 来加载到EnableAutoConfiguration所指定的自动装配的类名,但在 Spring Boot2.7.0之后自动装配 SPI 机制有所改动,META-INF/spring.factories将废弃,同时在 Spring Boot 3 以上会将相关代码移除,改动如下:

  • 新的注解:@AutoConfiguration代替@Configuration

  • 读取自动装配的类文件位置改为:META-INF/spring/org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfiguration.imports,并且实现类全限定类名按照一行一个

  • org.springframework.boot.context.annotation.ImportCandidates#load负责解析META-INF/spring/%s.imports,其中%s是接口名的占位符

三、Spring Boot Stater 实践

在使用spring-boot-starter-jdbc或者spring-boot-starter-jpa等数据库操作时,通常会引入一个数据库数据源连接池,比如:HikariCPDBCP等,同时可随意切换依赖而不需要去更改任何业务代码,开发人员也无需关注底层实现,在此我们自定义一个 Starter 同时也实现这种兼容。因为我们以开发一个分布式锁的 Starter 并拥有多个实现:Zookeeper、Redis。 在此使用 Spring Boot 2.6.9 版本。

开发

项目结构与 Maven 依赖

└── src
    ├── main
    │   ├── java
    │   │   └── com.demo.distributed.lock
    │   │      ├── api
    │   │      │   ├── DistributedLock.java
    │   │      │   └── LockInfo.java
    │   │      ├── autoconfigure
    │   │      │   ├── DistributedLockAutoConfiguration.java
    │   │      │   └── DistributedLockProperties.java
    │   │      ├── redis
    │   │      │   └── RedisDistributedLockImpl.java
    │   │      └── zookeeper
    │   │          └── ZookeeperDistributedLockImpl.java
    │   └── resources
    │       └── META-INF
    │           └── spring.factories


    
    
        org.springframework.boot
        spring-boot-autoconfigure
    

    
    
        org.springframework.boot
        spring-boot-configuration-processor
        true
    

    
    
    
        org.apache.curator
        curator-framework
        5.1.0
        provided
    
    
        org.apache.curator
        curator-recipes
        5.1.0
        provided
    

    
    
        org.redisson
        redisson
        3.23.1
        provided
    


在依赖里可以看到 Zookeeper 和 Redis 依赖关系被设置为provided,作用为编译与测试阶段使用,不会随着项目一起发布。即打包时不会带上该依赖。该设置在 Spring Boot Starter 作用较大。

分布式锁接口与实现

接口

public interface DistributedLock {

    /**
     * 加锁
     */
    LockInfo tryLock(String key, long expire, long waitTime);

    /**
     * 释放锁
     */
    boolean release(LockInfo lock);

}

Redis 实现

public class RedisDistributedLockImpl implements DistributedLock {

    private final RedissonClient client;

    public RedisDistributedLockImpl(RedissonClient client) {
        this.client = client;
    }

    @Override
    public LockInfo tryLock(String key, long expire, long waitTime) {
        //do something
        return null;
    }

    @Override
    public boolean release(LockInfo lock) {
        //do something
        return true;
    }
}

Zookeeper 实现

public class ZookeeperDistributedLockImpl implements DistributedLock {

    private final CuratorFramework client;

    public ZookeeperDistributedLockImpl(CuratorFramework client) {
        this.client = client;
    }

    @Override
    public LockInfo tryLock(String key, long expire, long waitTime) {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean release(LockInfo lock) {
        return false;
    }
} 

DistributedLockAutoConfiguration 配置类

@EnableConfigurationProperties(DistributedLockProperties.class)
@Import({DistributedLockAutoConfiguration.Zookeeper.class, DistributedLockAutoConfiguration.Redis.class})
public class DistributedLockAutoConfiguration {

    @Configuration
    @ConditionalOnClass(CuratorFramework.class)
    @ConditionalOnMissingBean(DistributedLock.class)
    @ConditionalOnProperty(name = "distributed.lock.type", havingValue = "zookeeper",
            matchIfMissing = true)
    static class Zookeeper {

        @Bean
        CuratorFramework curatorFramework(DistributedLockProperties properties) {
            //build CuratorFramework client
            return null;
        }


        @Bean
        ZookeeperDistributedLockImpl zookeeperDistributedLock(CuratorFramework client) {
            return new ZookeeperDistributedLockImpl(client);
        }
    }


    @Configuration
    @ConditionalOnClass(RedissonClient.class)
    @ConditionalOnMissingBean(DistributedLock.class)
    @ConditionalOnProperty(name = "distributed.lock.type", havingValue = "redis",
            matchIfMissing = true)
    static class Redis {

        @Bean
        RedissonClient redissonClient(DistributedLockProperties properties) {
            //build RedissonClient client
            return null;
        }

        @Bean
        RedisDistributedLockImpl redisDistributedLock(RedissonClient client) {
            return new RedisDistributedLockImpl(client);
        }
    }
}

  • @EnableConfigurationProperties(DistributedLockProperties.class)开启配置类 Properties 信息,会将配置文件里的信息注入 Properties 类里。

  • @Configuration配置注解

  • @ConditionalOnClass(CuratorFramework.class)条件注解,要求存在CuratorFramework类当前配置类才生效,Redis 的子配置类同理。

  • @ConditionalOnMissingBean(DistributedLock.class)条件注解,Spring 不存在DistributedLockBean 当前配置类才生效,Redis 的子配置类同理。

  • @ConditionalOnProperty(name = "distributed.lock.type", havingValue = "zookeeper", matchIfMissing = true)条件注解,这里判断配置文件distributed.lock.type等于zookeeper才生效,当如果没配置则默认当做zookeeper,Redis 的子配置类同理。

  • @Bean将方法返回的 Bean 注入到 Spring IOC 容器里,方法入参中含依赖的 Bean

spring.factories

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
  com.demo.distributed.lock.autoconfigure.DistributedLockAutoConfiguration

我们只需要将该文件放到resource/META-INF/spring.factories下,就会被 Spring Boot 加载,这也是 Spring Boot 的约定大于配置的思想。

使用

Maven 依赖关系


    
        com.demo
        distributed-lock-spring-boot-starter
        1.0.0-SNAPSHOT
    



    
        dev
        
            true
        
        
            
            
                org.redisson
                redisson
                3.23.1
            
        
    
    
        test
        
            
                org.apache.curator
                curator-framework
                5.1.0
            
            
                org.apache.curator
                curator-recipes
                5.1.0
            
        
    


此处结合 Maven profile 功能按照不同环境依赖不同分布式锁底层实现,同时 Spring Boot 也提供了 Spring Boot Profile 加载不同配置,可以从开发、测试、生产环境使用不同底层了,同时 Maven profile 可以根据-P指定加载不同的依赖进行打包,解决了不同环境使用不同分布式锁实现。

代码使用

private final DistributedLock distributedLock;

public DemoServiceImpl(DistributedLock distributedLock) {
    this.distributedLock = distributedLock;
}

public void test() {
    LockInfo lock = null;
    try {
        lock = distributedLock.tryLock("demo", 1000, 1000);
        //do something
    } finally {
        if (lock != null) {
            distributedLock.release(lock);
        }
    }
}

业务代码中由于依赖的是接口,结合 Spring Boot Starter 条件注解 + Maven Profile 不管依赖哪个分布式锁实现,都无需去修改代码。

四、总结

本文介绍了在没有 Spring Boot 和 Starter 之前,开发人员在使用传统的 Spring XML 开发 Web 应用时需要引用许多依赖,并且需要大量编写 XML 代码来描述 Bean 以及它们之间的依赖关系。也了解了如何利用 SPI 加载自定义标签来加载 Bean 并进行注入。而 Spring Boot Starter 则提供了一种更加现代化的配置方式,它通过 SPI 机制加载自动装配的 @Configuration 配置类来代替传统的 Spring XML 完成 Bean 的注入,从而消除了大量的 XML 配置。最后,我们通过自定义开发了一个分布式锁 Spring Boot Starter 组件,利用一系列的 @ConditionalXXX 注解和 Maven Profile 来完成开发。这样,我们可以兼容多种分布式锁实现,并且在不同环境下使用不同的分布式锁实现,而无需修改业务代码。

作者:京东零售 陈炎清

来源:京东云开发者社区

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