如何实现一个简易版的 Spring - 如何实现 Setter 注入

前言

之前在上篇提到过会实现一个简易版的 IoC 和 AOP，今天它终于来了。。。相信对于使用 Java 开发语言的朋友们都使用过或者听说过 Spring 这个开发框架，绝大部分的企业级开发中都离不开它，通过官网可以了解到其生态非常庞大，针对不同方面的开发提供了一些解决方案，可以说 Spring 框架的诞生是对 Java 开发人员的一大福利，自 2004 年发布以来，Spring 为了解决一些企业开发中的痛点先后引入了很多的特性和功能，其中最重要的就是我们经常听到的 IoC 和 AOP 特性，由于涉及到的知识和细节比较多，会分为几篇文章来介绍，今天这篇（也是第一篇）我们来看看如何实现基于 XML 配置方式的 Setter 注入。

预备知识

既然是通过 XML 配置文件的方式，首先第一件事就是要读取 XML 文件然后转换为我们需要的数据结构，解析 XML 文件有但不限于这些方式（JDOM、XOM、dom4j），这里使用的是简单易上手的 dom4j，所你得对其基础知识有一些简单了解，其实都是一些很简单的方法基础使用而已，第二个就是你要有一些 Spring 框架的使用经验，这里实现的简易版本质上是对 Spring 的一个精简后的核心部分的简单实现，是的，没错，你只需要有了这些基础预备知识就可以了。

基础数据结构抽象

在开始编码实现前先要做一些简单的构思和设计，首先在 Spring 中把一个被其管理的对象称之为 Bean，然后其它的操作都是围绕这个 Bean 来展开设计的，所以为了能在程序中统一并且规范的表示一个 Bean 的定义，于是第一个接口 BeanDefinition 就出来了，本次需要的一些基本信息包含 Bean 的名称、所属类名称、是否单例、作用域等，如下所示：

spring-injection-beandefinition-1.png

现在 BeanDefinition 有了，接下来就是要根据这个 BeanDefinition 去创建出对应的 Bean 实例了，很显然这需要一个 Factory 工厂接口去完成这个创建的工作，这个创建 Bean 的接口命名为 BeanFactory，其提供根据不同条件去创建相对应的 Bean 实例功能（比如 beanId），但是创建的前提是需要先注册这个 BeanDefinition，然后根据一定条件再从中去获取 BeanDefinition，根据单一职责原则，这个功能应该由一个新的接口去完成，主要是做注册和获取 BeanDefinition 的工作，故将其命名为 BeanDefinitionRegistry，我们需要的 BeanDefinition 要从哪里获取呢？很显然我们是基于 XML 配置的方式，当然是从 XML 配置文件中获取到的，同样根据单一职责原则，也需要一个类去完成这个事情，将其命名为 XMLBeanDefinitionReader，这部分的整体结构如下所示：

spring-injection-beanfactory-2.png

接下来面临的一个问题就是，像 XML 这种配置文件资源要如何表示呢，这些配置对于程序来说是一种资源，可以统一抽象为 Resource，然后提供一个返回资源对应流（InputStream）对象接口，这种资源可以从项目中获取、本地文件获取甚至是从远程获取，它们都是一种 Resource，结构如下：

spring-injection-resource-3.png

最后就是要一个提供去组合调用上面的那些类去完成 XML 配置文件解析为 BeanDefinition 并注入到容器中了的功能，担任这程序上下文的职责，将其命名为 ApplicationContext，这里同样也可以根据 Resource 的类型分为多种不同的类，比如：FileSystmXmlApplicationContext、ClassPathXmlApplicationContext 等，这些内部都有一个将配置文件转换为 Resource 的过程，可以使用模板方法抽象出一个公共父类抽象类，如下所示:

spring-injection-applicationcontext.png

总结以上分析结果，得出初步类图设计如下：

spring-injection-all-4.png

最终要实现 Setter 注入这个目标，可以将其分解为以下两个步骤：

将 XML 配置文件中的 <bean> 标签解析为 BeanDefinition 并注入到容器中
实现 Setter 注入

下面我们分为这两个部分来分别讲述如何实现。

配置文件解析

假设有如下内容的配置文件 applicationcontext-config1.xml:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.e3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans
           http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">

    <bean id="orderService" class="cn.mghio.service.version1.OrderService" />

</beans>

最终需要解析出一个 id 为 orderService 类型为 cn.mghio.service.version1.OrderService 的 BeanDefinition，翻译成测试类的话也就是需要让如下测试类可以运行通过：

/**
 * @author mghio
 */
public class BeanFactoryTest {

    private Resource resource;
    private DefaultBeanFactory beanFactory;
    private XmlBeanDefinitionReader reader;

    @BeforeEach
    public void beforeEach() {
        resource = new ClassPathResource("applicationcontext-config1.xml");
        beanFactory = new DefaultBeanFactory();
        reader = new XmlBeanDefinitionReader(beanFactory);
    }

    @Test
    public void testGetBeanFromXmlFile() {
        reader.loadBeanDefinition(resource);
        BeanDefinition bd = beanFactory.getBeanDefinition("orderService");

        assertEquals("cn.mghio.service.version1.OrderService", bd.getBeanClassNam());
        OrderService orderService = (OrderService) beanFactory.getBean("orderService");
        assertNotNull(orderService);
    }

    @Test
    public void testGetBeanFromXmlFileWithInvalidBeanId() {
        assertThrows(BeanCreationException.class, () -> beanFactory.getBean("notExistsBeanId"));
    }

    @Test
    public void testGetFromXmlFilWithFileNotExists() {
        resource = new ClassPathResource("notExists.xml");
        assertThrows(BeanDefinitionException.class, () -> reader.loadBeanDefinition(resource));
    }

}

可以看到这里面的关键就是如何去实现 XmlBeanDefinitionReader 类的 loadBeanDefinition 从配置中加载和注入 BeanDefinition，思考分析后不然发现这里主要是两步，第一步是解析 XML 配置转换为 BeanDefinition，这就需要上文提到的 dom4j 提供的能力了，第二步将解析出来的 BeanDefinition 注入到容器中，通过组合使用 BeanDefinitionRegistry 接口提供注册 BeanDefinition 的能力来完成。读取 XML 配置的类 XmlBeanDefinitionReader 的代码实现很快就可以写出来了，该类部分代码如下所示：

/**
 * @author mghio
 */
public class XmlBeanDefinitionReader {

    private static final String BEAN_ID_ATTRIBUTE = "id";
    private static final String BEAN_CLASS_ATTRIBUTE = "class";

    private BeanDefinitionRegistry registry;

    public XmlBeanDefinitionReader(BeanDefinitionRegistry registry) {
        this.registry = registry;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void loadBeanDefinition(Resource resource) {
        try (InputStream is = resource.getInputStream()) {
            SAXReader saxReader = new SAXReader();
            Document document = saxReader.read(is);
            Element root = document.getRootElement();  // <beans>
            Iterator<Element> iterator = root.elementIterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                Element element = iterator.next();
                String beanId = element.attributeValue(BEAN_ID_ATTRIBUTE);
                String beanClassName = element.attributeValue(BEAN_CLASS_ATTRIBUTE);
                BeanDefinition bd = new GenericBeanDefinition(beanId, beanClassName);
                this.registry.registerBeanDefinition(beanId, bd);
            }
        } catch (DocumentException | IOException e) {
            throw new BeanDefinitionException("IOException parsing XML document:" + configurationFile, e);
        }
    }
}

然后当调用 BeanFactory 的 getBean 方法时就可以根据 Bean 的全限定名创建一个实例出来了(PS：暂时不考虑实例缓存)，方法实现主要代码如下：

public Object getBean(String beanId) {
    BeanDefinition bd = getBeanDefinition(beanId);
    if (null == bd) {
        throw new BeanCreationException("BeanDefinition does not exists, beanId:" + beanId);
    }
    ClassLoader classLoader = this.getClassLoader();
    String beanClassName = bd.getBeanClassNam();
    try {
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass(beanClassName);
        return clazz.newInstance();
    } catch (ClassNotFoundException | IllegalAccessException | InstantiationException e) {
        throw new BeanCreationException("Created bean for " + beanClassName + " fail.", e);
    }
}

到这里配置文件解析方面的工作已完成，接下来看看要如何实现 Setter 注入。

如何实现 Setter 注入

首先实现基于 XML 配置文件的 Setter 注入本质上也是解析 XML 配置文件，然后再调用对象属性的 setXXX 方法将配置的值设置进去，配置文件 applicationcontext-config2.xml 如下所示：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.e3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans
           http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">

    <bean id="stockDao" class="cn.mghio.dao.version2.StockDao"/>

    <bean id="tradeDao" class="cn.mghio.dao.version2.TradeDao"/>

    <bean id="orderService" class="cn.mghio.service.version2.OrderService">
        <property name="stockDao" ref="stockDao"/>
        <property name="tradeDao" ref="tradeDao"/>
        <property name="num" value="2"/>
        <property name="owner" value="mghio"/>
        <property name="orderTime" value="2020-11-24 18:42:32"/>
    </bean>

</beans>

我们之前使用了 BeanDefinition 去抽象了 <bean> 标签，这里面临的第一个问题就是要如何去表达配置文件中的 <property> 标签，其中 ref 属性表示一个 beanId、value 属性表示一个值（值类型为：Integer、String、Date 等）。观察后可以发现，<property> 标签本质上是一个 K-V 格式的数据（name 作为 Key，ref 和 value 作为 Value），将这个类命名为 PropertyValue，很明显一个 BeanDefinition 会有多个 PropertyValue，结构如下：

spring-injection-setter-property-1.png

这里的 value 有两种不同的类型，一种是表示 Bean 的 id 值，运行时会解析为一个 Bean 的引用，将其命名为 RuntimeBeanReference，还有一种是 String 类型，运行时会解析为不同的类型，将其命名为 TypeStringValue。第二个问题就是要如何将一个类型转换为另一个类型呢？比如将上面配置中的字符串 2 转换为整型的 2、字符串 2020-11-24 18:42:32 转换为日期，这类通用的问题前辈们已经开发好了类库处理了，这里我们使用 commons-beanutils 库提供的 BeanUtils.copyProperty(final Object bean, final String name, final Object value) 方法即可。然后只需在之前 XmlBeanDefinitionReader 类的 loadBeanDefinition 方法解析 XML 配置文件的时解析 <bean> 标签下的 <property> 标签并设置到 BeanDefinition 的 propertyValues 属性中；DefaultBeanFactory 中的 getBean 方法分为实例化 Bean 和读取向实例化完成的 Bean 使用 Setter 注入配置文件中配置属性对应的值。XmlBeanDefinitionReader 的 loadBeanDefinition() 方法代码修改为：

public void loadBeanDefinition(Resource resource) {
    try (InputStream is = resource.getInputStream()) {
        SAXReader saxReader = new SAXReader();
        Document document = saxReader.read(is);
        Element root = document.getRootElement();  // <beans>
        Iterator<Element> iterator = root.elementIterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Element element = iterator.next();
            String beanId = element.attributeValue(BEAN_ID_ATTRIBUTE);
            String beanClassName = element.attributeValue(BEAN_CLASS_ATTRIBUTE);
            BeanDefinition bd = new GenericBeanDefinition(beanId, beanClassName);
            parsePropertyElementValue(element, bd);  // parse <property>
            this.registry.registerBeanDefinition(beanId, bd);
        }
    } catch (DocumentException | IOException e) {
        throw new BeanDefinitionException("IOException parsing XML document:" + resource, e);
    }
}

private void parsePropertyElementValue(Element element, BeanDefinition bd) {
    Iterator<Element> iterator = element.elementIterator(PROPERTY_ATTRIBUTE);
    while (iterator.hasNext()) {
        Element propertyElement = iterator.next();
        String propertyName = propertyElement.attributeValue(NAME_ATTRIBUTE);
        if (!StringUtils.hasText(propertyName)) {
            return;
        }

        Object value = parsePropertyElementValue(propertyElement, propertyName);
        PropertyValue propertyValue = new PropertyValue(propertyName, value);
        bd.getPropertyValues().add(propertyValue);
    }

}

private Object parsePropertyElementValue(Element propertyElement, String propertyName) {
    String elementName = (propertyName != null) ?
            "<property> element for property '" + propertyName + "' " : "<constructor-arg> element";

    boolean hasRefAttribute = propertyElement.attribute(REF_ATTRIBUTE) != null;
    boolean hasValueAttribute = propertyElement.attribute(VALUE_ATTRIBUTE) != null;

    if (hasRefAttribute) {
        String refName = propertyElement.attributeValue(REF_ATTRIBUTE);
        RuntimeBeanReference ref = new RuntimeBeanReference(refName);
        return ref;
    } else if (hasValueAttribute) {
        String value = propertyElement.attributeValue(VALUE_ATTRIBUTE);
        TypedStringValue valueHolder = new TypedStringValue(value);
        return valueHolder;
    } else {
        throw new RuntimeException(elementName + " must specify a ref or value");
    }
}

DefaultBeanFactory 的 getBean 方法也增加 Bean 属性注入操作，部分代码如下：

public Object getBean(String beanId) {
    BeanDefinition bd = getBeanDefinition(beanId);
    // 1. instantiate bean
    Object bean = instantiateBean(bd);
    // 2. populate bean
    populateBean(bd, bean);
    return bean;
}

private Object instantiateBean(BeanDefinition bd) {
    ClassLoader classLoader = this.getClassLoader();
    String beanClassName = bd.getBeanClassName();
    try {
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass(beanClassName);
        return clazz.newInstance();
    } catch (ClassNotFoundException | IllegalAccessException | InstantiationException e) {
        throw new BeanCreationException("Created bean for " + beanClassName + " fail.", e);
    }
}

private void populateBean(BeanDefinition bd, Object bean) {
    List<PropertyValue> propertyValues = bd.getPropertyValues();
    if (propertyValues == null || propertyValues.isEmpty()) {
        return;
    }

    BeanDefinitionResolver resolver = new BeanDefinitionResolver(this);
    SimpleTypeConverted converter = new SimpleTypeConverted();
    try {
        for (PropertyValue propertyValue : propertyValues) {
            String propertyName = propertyValue.getName();
            Object originalValue = propertyValue.getValue();
            Object resolvedValue = resolver.resolveValueIfNecessary(originalValue);

            BeanUtils.copyProperty(bean, propertyName, resolvedValue);
        }
    } catch (Exception e) {
        throw new BeanCreationException("Failed to obtain BeanInfo for class [" + bd.getBeanClassName() + "]");
    }
}

至此，简单的 Setter 注入功能已完成。

总结

本文简单概述了基于 XML 配置文件方式的 Setter 注入简单实现过程，整体实现 Setter 注入的思路就是先设计一个数据结构去表达 XML 配置文件中的标签数据（比如上面的 PropertyValue），然后再解析配置文件填充数据并利用这个数据结构完成一些功能（比如 Setter 注入等）。感兴趣的朋友可以到这里 mghio-spring 查看完整代码。

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