前言


学习如何使用Spring,SpringMVC是很快的,但是在往后使用的过程中难免会想探究一下框架背后的原理是什么,本文将通过讲解如何手写一个简单版的springMVC框架,直接从代码上看框架中请求分发,控制反转和依赖注入是如何实现的。

建议配合示例源码阅读,github地址如下:

https://github.com/liuyj24/mini-spring

项目搭建

项目搭建可以参考github中的项目,先选好jar包管理工具,Maven和Gradle都行,本项目使用的是Gradle。

然后在项目下建两个模块,一个是framework,用于编写框架;另外一个是test,用于应用并测试框架(注意test模块要依赖framework模块)。

接着在framework模块下按照spring创建好beans,core,context,web等模块对应的包,完成后便可以进入框架的编写了。

请求分发

在讲请求分发之前先来梳理一下整个web模型:

* 首先用户在客户端发送一个请求到服务器,经操作系统的TCP/IP栈解析后会交到在某个端口监听的web服务器。
*
web服务器程序监听到请求后便会把请求分发给对应的程序进行处理。比如Tomcat就会将请求分发给对应的java程序(servlet)进行处理,web服务器本身是不进行请求处理的。
本项目的web服务器选择Tomcat,而且为了能让项目直接跑起来,选择了在项目中内嵌Tomcat,这样框架在做测试的时候就能像spring
boot一样一键启动,方便测试。

Servlet


既然选择了使用Java编写服务端程序,那就不得不提到Servlet接口了。为了规范服务器与Java程序之间的通信方式,Java官方制定了Servlet规范,服务端的Java应用程序必须实现该接口,把Java作为处理语言的服务器也必须要根据Servlet规范进行对接。

在还没有spring之前
,人们是这么开发web程序的:一个业务逻辑对应一个Servlet,所以一个大项目中会有多个Servlet,这大量的Servlet会被配置到一个叫web.xml的配置文件中,当服务器运行的时候,tomcat会根据请求的uri到web.xml文件中寻找对应的Servlet业务类处理请求。


但是你想,每来一个请求就创建一个Servlet,而且一个Servlet实现类中我们通常只重写一个service方法,另外四个方法都只是给个空实现,这太浪费资源了。而且编起程序来创建很多Servlet还很难管理。能不能改进一下?

Spring的DispatcherServlet

方法确实有:




从上图可以看到,我们原来是经过web服务器把请求分发到不同的Servlet;我们可以换个思路,让web服务器把请求都发送到一个Servlet,再由这个Servlet把请求按照uri分发给不同的方法进行处理。


这样一来,不管收到什么请求,web服务器都会分发到同一个Servlet(DispatcherServlet),避免了多个Servlet所带来的问题,有以下好处:

* 把分发请求这一步从web服务器移动到框架内,这样更容易控制,也方便扩展。
* 可以把同一个业务的处理方法集中到同一个类里,把这种类起名为controller,一个controller中有多个处理方法,这样配置分散不杂乱。
* 配置uri映射路径的时候可以不使用配置文件,直接在处理方法上用注解配置即可,解决了配置集中,大而杂的问题。
实操

建议配合文章开头给出的源码进行参考

*
首先在web.mvc包中创建三个注解:Controller,RequestMapping,RequestParam,有了注解我们才能在框架启动时动态获得配置信息。
* 由于处理方法都是被注解的,要想解析被注解的类,首先得获得项目中相关的所有类,对应是源码中core包下的ClassScanner类 public
class ClassScanner { public static List<Class<?>> scanClass(String packageName)
throws IOException, ClassNotFoundException { //用于保存结果的容器 List<Class<?>>
classList = new ArrayList<>(); //把文件名改为文件路径 String path =
packageName.replace(".", "/"); //获取默认的类加载器 ClassLoader classLoader =
Thread.currentThread().getContextClassLoader(); //通过文件路径获取该文件夹下所有资源的URL
Enumeration<URL> resources = classLoader.getResources(path); int index = 0;//测试
while(resources.hasMoreElements()){ //拿到下一个资源 URL resource =
resources.nextElement(); //先判断是否是jar包,因为默认.class文件会被打包为jar包
if(resource.getProtocol().contains("jar")){ //把URL强转为jar包链接 JarURLConnection
jarURLConnection = (JarURLConnection)resource.openConnection();
//根据jar包获取jar包的路径名 String jarFilePath =
jarURLConnection.getJarFile().getName(); //把jar包下所有的类添加的保存结果的容器中
classList.addAll(getClassFromJar(jarFilePath, path)); }else{//也有可能不是jar文件,先放下
//todo } } return classList; } /** * 获取jar包中所有路径符合的类文件 * @param jarFilePath *
@param path * @return */ private static List<Class<?>> getClassFromJar(String
jarFilePath, String path) throws IOException, ClassNotFoundException {
List<Class<?>> classes = new ArrayList<>();//保存结果的集合 JarFile jarFile = new
JarFile(jarFilePath);//创建对应jar包的句柄 Enumeration<JarEntry> jarEntries =
jarFile.entries();//拿到jar包中所有的文件 while(jarEntries.hasMoreElements()){ JarEntry
jarEntry = jarEntries.nextElement();//拿到一个文件 String entryName =
jarEntry.getName();//拿到文件名,大概是这样:com/shenghao/test/Test.class if
(entryName.startsWith(path) && entryName.endsWith(".class")){//判断是否是类文件 String
classFullName = entryName.replace("/", ".") .substring(0, entryName.length() -
6); classes.add(Class.forName(classFullName)); } } return classes; } }
*
然后在handler包创建MappingHandler类,在将来框架运行的过程中,一个MappingHandler就对应一个业务逻辑,比如说增加一个用户。所以一个MappingHandler中要有“请求uri,处理方法,方法的参数,方法所处的类”这四个字段,其中请求uri用于匹配请求uri,后面三个参数用于运行时通过反射调用该处理方法
public class MappingHandler { private String uri; private Method method;
private Class<?> controller; private String[] args; MappingHandler(String uri,
Method method, Class<?> cls, String[] args){ this.uri = uri; this.method =
method; this.controller = cls; this.args = args; } public boolean
handle(ServletRequest req, ServletResponse res) throws IllegalAccessException,
InstantiationException, InvocationTargetException, IOException { //拿到请求的uri
String requestUri = ((HttpServletRequest)req).getRequestURI();
if(!uri.equals(requestUri)){//如果和自身uri不同就跳过 return false; } Object[] parameters
= new Object[args.length]; for(int i = 0; i < args.length; i++){ parameters[i]
= req.getParameter(args[i]); } Object ctl = BeanFactory.getBean(controller);
Object response = method.invoke(ctl, parameters);
res.getWriter().println(response.toString()); return true; } }
*
接下来在handler包创建HandlerManager类,这个类拥有一个静态的MappingHandler集合,这个类的作用是从获得的所有类中,找到被@controller注解的类,并将controller类中每个被@ReqeustMapping注解的方法封装成一个MappingHandler,然后把MappingHandler放入静态集合中
public class HandlerManager { public static List<MappingHandler>
mappingHandlerList = new ArrayList<>(); /** * 处理类文件集合,挑出MappingHandler * @param
classList */ public static void resolveMappingHandler(List<Class<?>>
classList){ for(Class<?> cls : classList){
if(cls.isAnnotationPresent(Controller.class)){//MappingHandler会在controller里面
parseHandlerFromController(cls);//继续从controller中分离出一个个MappingHandler } } }
private static void parseHandlerFromController(Class<?> cls) {
//先获取该controller中所有的方法 Method[] methods = cls.getDeclaredMethods();
//从中挑选出被RequestMapping注解的方法进行封装 for(Method method : methods){
if(!method.isAnnotationPresent(RequestMapping.class)){ continue; } String uri =
method.getDeclaredAnnotation(RequestMapping.class).value();//拿到RequestMapping定义的uri
List<String> paramNameList = new ArrayList<>();//保存方法参数的集合 for(Parameter
parameter : method.getParameters()){
if(parameter.isAnnotationPresent(RequestParam.class)){//把有被RequestParam注解的参数添加入集合
paramNameList.add(parameter.getDeclaredAnnotation(RequestParam.class).value());
} } String[] params = paramNameList.toArray(new
String[paramNameList.size()]);//把参数集合转为数组,用于反射 MappingHandler mappingHandler =
new MappingHandler(uri, method, cls, params);//反射生成MappingHandler
mappingHandlerList.add(mappingHandler);//把mappingHandler装入集合中 } } }
*
完成上面四步后,我们在框架启动的时候就获得了一个MappingHandler集合,当请求来到时,我们只要根据请求的uri从集合中找到对应的MappingHandler,就可以通过反射调用对应的处理方法,到此也就完成了框架请求分发的功能。
控制反转和依赖注入

完成了请求分发功能后,进一步想这么一个问题:

假设现在处理一个请求需要创建A,B,C三个对象,而
A 有个字段 D
B 有个字段 D
C 有个字段 B

如果按照顺序创建ABC的话,
首先要创建一个D,然后创建一个A;
接着先创建一个D,然后创建一个B;
接着先创建一个D,然后创建一个B,才能创建出一个C
总共创建了一个A,两个B,一个C,三个D。

上述是我们编写程序的一方创建对象的方式,可以看到由于对象不能被重复引用,导致创建了大量重复对象。

为了解决这个问题,spring提出了bean这么个概念,你可以把一个bean理解为一个对象,但是他对比普通的对象有如下特点:

* 不像普通对象一样朝生暮死,声明周期较长
* 在整个虚拟机内可见,不像普通对象只在某个代码块中可见
* 维护成本高,以单例形式存在

为了制作出上述的bean,我们得有个bean工厂,bean工厂的原理也很简单:在框架初始化的时候创建相关的bean(也可以在用到的时候创建),当需要使用bean的时候直接从工厂中拿。也就是我们把创建对象的权力交给框架,这就是
控制反转

有了bean工厂后按顺序创建ABC的过程如下:
首先创建一个D,把D放入工厂,然后创建一个A,把A放入工厂;
接着从工厂拿出一个D,创建一个B,把B也放入工厂;
接着从工厂拿出一个B,创建一个C,把C也放入工厂;
总共创建了一个A,一个B,一个C,一个D
达到了对象重复利用的目的

至于创建出一个D,然后把D设置为A的一个字段这么个过程,叫做依赖注入

所以控制反转和依赖注入的概念其实很好理解,控制反转是一种思想,而依赖注入是控制反转的一种具体实现。

实操

* 首先在bean包下创建@Bean和@AutoWired两个注解,同样是用于框架解析类的。
*
接着在bean包下创建BeanFactory,BeanFactory要能提供一个根据类获取实例的功能,这就要求他要有一个静态的getBean()方法,和一个保存Bean的映射集合。
*
为了初始化Bean,要有一个根据类文件集合解析出bean的方法。该方法会遍历集合中所有的类,把有注解的,属于bean的类提取出来,创建该类的对象并放到静态集合中。
*
在这里有个有意思的点——按什么顺序创建bean?在本文给出的源码中,用了一个循环来创建bean,如果该bean没有依赖其他的bean就直接创建,如果有依赖其他bean就看其他bean有没被创建出来,如果没有就跳过当前的bean,如果有就创建当前的bean。
* 在循环创建bean的过程中可能出现一种bean之间相互依赖的现象,源码中暂时对这种现象抛出异常,没作处理。 public class
BeanFactory { //保存Bean实例的映射集合 private static Map<Class<?>, Object> classToBean
= new ConcurrentHashMap<>(); /** * 根据class类型获取bean * @param cls * @return */
public static Object getBean(Class<?> cls){ return classToBean.get(cls); } /**
* 初始化bean工厂 * @param classList 需要一个.class文件集合 * @throws Exception */ public
static void initBean(List<Class<?>> classList) throws Exception {
//先创建一个.class文件集合的副本 List<Class<?>> toCreate = new ArrayList<>(classList);
//循环创建bean实例 while(toCreate.size() != 0){ int remainSize =
toCreate.size();//记录开始时集合大小,如果一轮结束后大小没有变证明有相互依赖 for(int i = 0; i <
toCreate.size(); i++){//遍历创建bean,如果失败就先跳过,等下一轮再创建
if(finishCreate(toCreate.get(i))){ toCreate.remove(i); } } if(toCreate.size()
== remainSize){//有相互依赖的情况先抛出异常 throw new Exception("cycle dependency!"); } } }
private static boolean finishCreate(Class<?> cls) throws
IllegalAccessException, InstantiationException {
//创建的bean实例仅包括Bean和Controller注释的类 if(!cls.isAnnotationPresent(Bean.class) &&
!cls.isAnnotationPresent(Controller.class)){ return true; } //先创建实例对象 Object
bean = cls.newInstance(); //看看实例对象是否需要执行依赖注入,注入其他bean for(Field field :
cls.getDeclaredFields()){ if(field.isAnnotationPresent(AutoWired.class)){
Class<?> fieldType = field.getType(); Object reliantBean =
BeanFactory.getBean(fieldType); if(reliantBean == null){//如果要注入的bean还未被创建就先跳过
return false; } field.setAccessible(true); field.set(bean, reliantBean); } }
classToBean.put(cls, bean); return true; } }
* 有了bean工厂之后,凡是用到bean的地方都能直接通过bean工厂拿了
*
最后我们可以写一个小Demo测试一下自己的框架是否能正确地处理请求完成响应。相信整个迷你框架撸下来,Spring的核心功能,以及控制反转,依赖控制等名词在你脑海中不再只是概念,而是一行行清晰的代码了。