02-Spring 容器的初始化与 Spring Boot 启动过程解析

Spring 容器的初始化与 Spring Boot 启动过程解析

前言

续接上文，本章继续。Spring 是企业级开发的核心框架之一，而 Spring Boot 进一步简化了 Spring 应用的开发和部署。了解 Spring 容器的初始化过程以及 Spring Boot 的启动流程，不仅有助于排查异常，还能帮助我们更好地理解 Spring 的核心机制。

本文将通过源码视角，深入解析：

• Spring 容器的初始化阶段
• Spring Boot 的启动流程
• 各个关键类和方法的作用

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一、Spring 容器的初始化过程

1. 容器的基本概念

Spring 容器是一个管理 Bean 的工厂，它负责 Bean 的创建、依赖注入、生命周期管理和销毁。Spring 容器主要有以下两种：

• BeanFactory：提供基础的依赖注入功能，通常用于资源受限的场景。
• ApplicationContext：基于 BeanFactory 扩展，提供更强大的功能，如事件发布、国际化支持等。

Q: 为什么在实际开发中通常推荐使用 ApplicationContext 而不是 BeanFactory？
A: 因为 ApplicationContext 提供了更多的功能，例如事件监听、国际化支持、AOP、事务管理等，同时启动速度也更快。

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2. 容器初始化的核心流程

Spring 中，容器的初始化主要由 refresh() 方法驱动。它位于 AbstractApplicationContext 中。

源码路径：org.springframework.context.support.AbstractApplicationContext

@Override
public void refresh() throws BeansException {
    synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
        // 1. 初始化环境配置
        prepareRefresh();
        
        // 2. 创建 BeanFactory
        ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
        
        // 3. BeanFactory 配置
        prepareBeanFactory(beanFactory);
        
        try {
            // 4. 执行 BeanFactoryPostProcessor
            invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);

            // 5. 注册 BeanPostProcessor
            registerBeanPostProcessors(beanFactory);

            // 6. 初始化消息源
            initMessageSource();

            // 7. 初始化事件广播器
            initApplicationEventMulticaster();

            // 8. 执行子类的 onRefresh 方法
            onRefresh();

            // 9. 初始化所有非懒加载的单例 Bean
            finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

            // 10. 发布容器启动事件
            finishRefresh();
        } catch (BeansException ex) {
            throw ex;
        }
    }
}

Q: 你能简单讲解一下 refresh() 方法中的核心步骤吗？
A:
refresh() 主要完成环境准备、Bean 加载、依赖注入、事件发布等任务。关键步骤包括：

• prepareRefresh()：初始化配置，加载环境变量。
• obtainFreshBeanFactory()：创建 BeanFactory 并加载 BeanDefinition。
• invokeBeanFactoryPostProcessors()：执行 BeanFactoryPostProcessor，如配置类的解析。
• finishBeanFactoryInitialization()：实例化所有非懒加载的单例 Bean。
• finishRefresh()：发布 ContextRefreshedEvent 通知监听器。

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二、Spring 中的三级缓存机制

Spring 为了解决 Setter 注入 场景下的循环依赖，采用了 三级缓存机制：

• 一级缓存（singletonObjects）：存储已初始化完成的单例对象。
• 二级缓存（earlySingletonObjects）：存储实例化但未初始化的对象。
• 三级缓存（singletonFactories）：存储生成早期引用的 ObjectFactory，用于解决循环依赖。

源码示例：

singletonFactories.put(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));

当 A 依赖 B，B 又依赖 A 时，Spring 会通过 ObjectFactory 提前暴露 A 的引用，避免循环依赖导致的 BeanCurrentlyInCreationException。

Q: 为什么 Spring 需要三级缓存而不是直接用二级缓存解决循环依赖？
A:
三级缓存相比二级缓存更加灵活。在对象未完成初始化前，Spring 可以通过 ObjectFactory 提供一个代理对象，避免暴露不完整的 Bean，从而增强安全性。
具体也可查看上一篇进行详细了解。

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三、Spring Boot 启动过程解析

Spring Boot 的启动入口通常是 SpringApplication.run()：

public static ConfigurableApplicationContext run(Class<?> primarySource, String... args) {
    return new SpringApplication(primarySource).run(args);
}

Spring Boot 启动的核心流程

1. 启动监听器加载

   • 加载 SpringApplicationRunListeners，监听启动事件。

2. 环境准备

   • 创建并配置 ConfigurableEnvironment，加载外部配置文件。

3. 创建容器

   • 根据项目类型选择 AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext 或其他合适的 ApplicationContext。

4. 刷新容器

   • 调用 refresh()，完成 Bean 的实例化与初始化。

5. 执行 Runner

   • 执行所有的 CommandLineRunner 和 ApplicationRunner。

Q: Spring Boot 的自动配置原理是什么？
A:
Spring Boot 使用 @EnableAutoConfiguration 注解，通过 SpringFactoriesLoader 加载 spring.factories 文件中的自动配置类。这些类会在启动时生效，实现自动配置。

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总结

• Spring 容器通过 refresh() 完成环境配置、Bean 加载、依赖注入和事件发布。
• Spring 使用三级缓存解决 Setter 注入的循环依赖问题。
• Spring Boot 的启动过程包括环境准备、容器创建、自动配置等阶段。

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讨论与思考

• Spring 容器的事件机制是如何工作的？
• 如果要优化 Spring Boot 的启动速度，你会怎么做？
• 你在实际开发中遇到过哪些与 Spring 启动相关的问题？

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Spring 容器的事件机制是如何工作的？

Spring 的事件机制基于 观察者模式，主要由以下三部分组成：

• 事件（ApplicationEvent）：表示 Spring 容器中的特定事件。
• 事件发布者（ApplicationEventPublisher）：用于发布事件。
• 事件监听器（ApplicationListener）：用于监听和处理事件。

事件的基本流程：

1. 事件定义：继承 ApplicationEvent，创建自定义事件类。
2. 事件监听：实现 ApplicationListener 接口或使用 @EventListener 注解监听事件。
3. 事件发布：通过 ApplicationEventPublisher 发布事件。

源码解析

• ApplicationContext 本身实现了 ApplicationEventPublisher 接口，可以直接发布事件。
• 事件会通过 SimpleApplicationEventMulticaster 进行分发，通知所有监听器。
• 异步事件监听则通过 @Async 注解实现。

applicationContext.publishEvent(new MyCustomEvent(this));

Q: Spring 的事件机制的优势是什么？
A: Spring 事件机制解耦了事件的生产者和消费者，使得组件之间的通信更加灵活，尤其适合应用于事务提交后、资源释放等场景。

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如何优化 Spring Boot 的启动速度？

优化 Spring Boot 的启动速度可以从以下几个方面入手：

✅ 1. 减少不必要的 Bean 加载

• 使用 @ConditionalOnMissingBean、@ConditionalOnProperty 等条件注解，按需加载 Bean。
• 合理配置 spring.main.lazy-initialization=true 进行懒加载。

✅ 2. 禁用不必要的自动配置

• 使用 spring.autoconfigure.exclude 排除不需要的自动配置类。
• 使用 META-INF/spring.factories 定义精简的自动配置类。

✅ 3. 使用 AOT 编译

• 利用 Spring Boot 3 的 Ahead-of-Time (AOT) 编译，减少启动时的类加载和反射操作。

✅ 4. 优化数据源和缓存

• 使用 HikariCP 等高性能数据库连接池。
• 使用 Caffeine 或 Redis 缓存，减少数据库查询压力。

✅ 5. 并行化 Bean 初始化

• 在合适的场景下通过异步任务加快 Bean 初始化。

Q: Spring Boot 使用 AOT 编译的主要作用是什么？
A: AOT 编译可以在构建阶段生成静态代码，避免运行时的反射和字节码增强，从而加快启动速度。

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常见的 Spring 启动问题及解决方案

在实际开发中，常见的 Spring 启动相关问题包括：

1. Bean 循环依赖问题

场景：

• 使用 @Autowired 进行字段注入时容易出现循环依赖问题。

解决方法：

• 使用构造器注入代替字段注入。
• 如果无法避免，可开启 allowCircularReferences。

spring:
  main:
    allow-circular-references: true

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2. 配置加载异常

场景：

• 配置文件缺失或配置项拼写错误。

解决方法：

• 使用 @ConfigurationProperties 进行类型安全的配置管理。
• 使用 Spring Boot 的 spring-boot-configuration-processor 生成自动提示。

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3. 端口占用或启动失败

场景：

• 启动时提示端口已被占用。

解决方法：

• 临时更换端口：

server:
  port: 0 # 使用随机端口

• 使用 lsof -i :8080 或 netstat 查看占用端口的进程并关闭。

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4. 依赖冲突问题

场景：

• 启动时报 ClassNotFoundException 或 NoSuchMethodError。

解决方法：

• 使用 mvn dependency:tree 分析依赖冲突。
• 使用 spring-boot-dependencies 中推荐的版本。

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5. 数据源初始化失败

场景：

• 配置数据源时，数据库连接异常或驱动未加载。

解决方法：

• 检查数据库 URL、用户名、密码等配置项。
• 使用 spring.datasource.hikari 优化连接池配置。

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总结

• Spring 的事件机制基于观察者模式，通过事件发布和监听解耦组件之间的依赖。
• Spring Boot 的启动速度优化可以从减少 Bean 加载、禁用不必要的自动配置、AOT 编译等方面入手。
• 针对启动过程中的问题，如循环依赖、配置异常、端口占用等，可以根据具体场景采取有效的解决方案。

通过以上，应该可以很快了解初始化跟启动的流程，也能更快的去排查跟定位问题，已经可以调用Spring先关的API进行相关业务逻辑的编写。
如果你还有其他问题或想了解更多，欢迎留言交流！