万字+20张图剖析Spring启动时核心的12个步骤

今天来扒一扒Spring在启动过程中核心的12个步骤

前言

Spring启动时候整个入口是这么一个方法

AbstractApplicationContext#refresh

总共有12个方法，也就是启动时的核心步骤

AbstractApplicationContext有众多实现，这里我选择SpringBoot Web应用默认的实现来讲

AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext

AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext类图

对应的SpringBoot版本为 2.2.5.RELEASE

高版本refresh方法会多一些日志相关的代码，这里为了方便讲解，就使用这个版本

所以后面本文提到的所有子类的方法实现、重写都是指AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext及其父类

本文主要是讲一些启动的步骤，具体的很多技术实现细节、技术点这里就不过多赘述

如果有疑问的，可以查看三万字盘点Spring 9大核心基础功能这篇文章或者公众号菜单栏中关于Spring的文章，基本上都能找到答案

prepareRefresh

prepareRefresh整个刷新的一个步骤，这个步骤是做启动的一个准备操作

ApplicationContext刚创建出来，什么也没有，所以需要做一些准备

首先是做一些状态位的变更，表明开始启动了或者刷新了

后面一行

initPropertySources

initPropertySources是一个模板方法，本身是一个空实现，是给子类用的

我们的这个子类就重写了initPropertySources方法

会将Servlet相关的配置加入到Environment中，这样我们就能从Environment中获取到Servlet相关的配置了

再后面一行

getEnvironment().validateRequiredProperties()

这行代码就是校验一些必要的配置属性，我们可以通过ConfigurableEnvironment来设置哪些属性是必要的，默认是没有必要的

所以prepareRefresh就是做了一些前置操作，准备好一些属性配置相关的东西，后面的其它环节，比如说生成Bean时可能需要用到这些配置

obtainFreshBeanFactory

这一步骤是刷新BeanFactory并且获取BeanFactory

refreshBeanFactory() 和 getBeanFactory() 都是抽象方法，由子类来实现的

而子类的实现其实很简单，就是给beanFactory设置一个id和返回beanFactory

beanFactory就是下面这个玩意

并且创建对象的ApplicationContext对象的时候就创建了，类型为

DefaultListableBeanFactory

所以从这就可以看出来，虽然说BeanFactory是一个接口，有非常多的实现

但是实际情况下，真正使用的就是DefaultListableBeanFactory

并且DefaultListableBeanFactory其实算是BeanFactory唯一真正的实现

除此之外，还可以得出一个结论，ApplicationContext中有一个BeanFactory（DefaultListableBeanFactory）

prepareBeanFactory

上一步骤获取到了BeanFactory，但是这个BeanFactory仅仅就是刚刚new出来的，什么也没有

所以当前步骤就是对BeanFactory做一些配置工作

前三行代码

先给BeanFactory设置了一个ClassLoader，因为BeanFactory是用来创建Bean，需要加载Bean class对象

然后设置了一个BeanExpressionResolver，这个是用来解析SpEL表达式的

然后添加了一个PropertyEditorRegistrar，也就是

ResourceEditorRegistrar

这个的作用就是为BeanFactory添加一堆跟资源相关的PropertyEditor

ResourceEditorRegistrar核心实现方法

PropertyEditor之前说过，就是进行类型转换的，将一个字符串转成对应的类型

接下来这几行

这里主要是添加了一个BeanPostProcessor，也就是

ApplicationContextAwareProcessor

BeanPostProcessor我们都知道会在Bean的生命周期阶段进行回调，是Bean的生命周期一个核心的环节

ApplicationContextAwareProcessor这个是用来处理Bean生命周期中的Aware回调有关

当你的Bean实现这些接口的时候，在创建的时候Spring会回调这些接口，传入对应的对象

而后面的这行代码

beanFactory.ignoreDependencyInterface(EnvironmentAware.class);

意思是说，如果你的Bean想注入一个EnvironmentAware对象

@Resource

private EnvironmentAware environmentAware;

这是不允许的

因为很简单，注入一个EnvironmentAware对象，没有实际的意义

后面的其它几行代码也都是这个意思

再接下来这几行

这跟上面的ignoreDependencyInterface作用相反

他是来设置依赖注入时Bean的类型所对应的对象

比如说这行代码

beanFactory.registerResolvableDependency(BeanFactory.class, beanFactory);

这行代码的意思就是当你需要注入一个Bean类型为BeanFactory.class类型的时候

@Resource

private BeanFactory beanFactory;

那么实际注入的就是方法第二个参数beanFactory，也就是上面获取的DefaultListableBeanFactory对象

同理，注入ResourceLoader、ApplicationEventPublisher、ApplicationContext时，其实注入的对象都是this，也就是当前的ApplicationContext对象

再再接下来这几行

最开始又添加了一个BeanPostProcessor

ApplicationListenerDetector

这个BeanPostProcessor是跟ApplicationListener有关

他是将单例的ApplicationListener给添加到ApplicationContext中

再后面就是往BeanFactory里面添加一些跟配置属性相关的单例对象，如果有哪里用到，就可以从BeanFactory中获取到了

prepareBeanFactory就完了

正如方法名字的含义一样，就是对BeanFactory做一些配置相关的东西

比如添加一些BeanPostProcessor，注册一些PropertyEditor

为Bean的生成做准备操作

最后画张图来总结一下这个方法的作用

此时BeanFactory状态就是这样的

postProcessBeanFactory

这个方法是一个模板方法

本身是空实现，是交给子类来扩展，子类可以根据不同的特性再对BeanFactory进行一些准备工作

比如我们用的这个Web实现就重写了这个方法，对BeanFactory设置一些Web相关的配置

AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext#postProcessBeanFactory

首先调用父类ServletWebServerApplicationContext的postProcessBeanFactory

ServletWebServerApplicationContext#postProcessBeanFactory

前两行代码跟之前说的一样，也是添加Aware接口的回调对应的BeanPostProcessor，只不过这个Aware是跟Servlet相关的东西

接下来调用registerWebApplicationScopes方法，最终会调到下面这个方法

WebApplicationContextUtils#registerWebApplicationScopes

这个方法干了两件事

第一件事就是注册一下Bean在Web环境下的作用域request、session，八股文中的东西

第二个就是注册一些依赖注入时Bean类型和对应的对象，这在日常开发中还是有用的

比如可以直接注入一个ServletRequest

@Resource

private ServletRequest servletRequest;

所以，父类的实现主要还是对BeanFactory进行一些配置，只不过配置的主要是跟Web环境相关的东西

现在来看看AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext自身的实现

核心代码就是这两行

scanner和reader就是下面这两个玩意

也就是说，如果这些配置都不是空的话，那么此时就会扫描对应的包的下Bean，生成对应的BeanDenifition，再注册到DefaultListableBeanFactory

至于为什么会存到DefaultListableBeanFactory中，可以看看之前的文章

此时BeanFactory大概是这么一个状态

除此之外，还有一个贼重要的事

AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext这个ApplicationContext创建时会去创建AnnotatedBeanDefinitionReader

而AnnotatedBeanDefinitionReader的构造方法最终会调用这么一行代码

AnnotationConfigUtils#registerAnnotationConfigProcessors(BeanDefinitionRegistry registry)

这个方法非常重要，他会去注册一些BeanDefinition到BeanFactory中，这里我称为Spring内部的Bean

这里我说几个常见和重要的

ConfigurationClassPostProcessor：这个是用来处理配置类的，非常重要，记住这个类，后面有大用

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor：处理@Autowired、@Value注解

CommonAnnotationBeanPostProcessor：处理@Resource、@PostConstruct等注解

所以除了扫描出来的一些Bean对应的BeanDefinition，还有一些Spring内部的Bean会注册到BeanFactory中

此时BeanFactory的状态就如下图所示

不过，在SpringBoot默认情况下，不会指定包和配置类，也就不会扫描文件，生成BeanDefinition

但是内部创建的BeanDefinition依然存在，并且在ApplicationContext创建的时候就注册到BeanFactory中了

所以总结来说，postProcessBeanFactory这个方法是交给子类对BeanFactory做一些准备操作，并且可能会扫描Bean

invokeBeanFactoryPostProcessors

从这个方法的名字可以看出，是调用BeanFactoryPostProcessor，这个步骤非常重要，而且过程有点绕

前置知识：BeanFactoryPostProcessor及其子接口

BeanFactoryPostProcessor是一个接口，有一个方法，方法参数就是BeanFactory

通过这个方法就可以拿到BeanFactory，然后对BeanFactory做一些自己的调整

比如说，你想关闭循环依赖，你就可以实现这个接口，然后进行调整

他还有一个子接口BeanDefinitionRegistryPostProcessor

这个接口是对BeanDefinitionRegistry进行调整，BeanDefinitionRegistry就是存BeanDefinition的地方，真实的实现就是DefaultListableBeanFactory

所以BeanDefinitionRegistryPostProcessor的作用就是往BeanDefinitionRegistry（DefaultListableBeanFactory）中添加BeanDefinition的

再看invokeBeanFactoryPostProcessors

有了这两个前置知识之后，我们来看看invokeBeanFactoryPostProcessors方法的实现

这个方法最终会调用下面方法来真正的处理

PostProcessorRegistrationDelegate.invokeBeanFactoryPostProcessors;

这个方法比较长，大致分为两件事

调用所有的BeanDefinitionRegistryPostProcessor，解析配置类，注册BeanDefinition到DefaultListableBeanFactory中

从BeanFactory中获取所有的BeanFactoryPostProcessor进行调用，完成对BeanFactory一些其它的扩展

调用BeanDefinitionRegistryPostProcessor

首先第一步，先从BeanFactory中获取到所有的BeanDefinitionRegistryPostProcessor对象，调用它的postProcessBeanDefinitionRegistry方法

还记得上一节在说注册Spring内部的Bean时特地强调的一个类ConfigurationClassPostProcessor不？

他就实现了BeanDefinitionRegistryPostProcessor接口

所以此时获取到的就是ConfigurationClassPostProcessor

获取ConfigurationClassPostProcessor的时候会走Bean的生命周期，也就是会回调前面添加的BeansPostProcessor，但是也没几个

之后会调用他的postProcessBeanDefinitionRegistry方法，来处理此时BeanFactory中的配置类

配置类从哪来，前面一直没提到过

但是看一下ApplicationContext是如何使用的就知道了

比如说，下面这个demo

在创建一个ApplicationContext之后，在注册一个Bean之后再refresh

此时这个注册的Bean就是配置类。

如果你不注册，那是真没有配置类，此时也就没什么意义了。

所以，ApplicationContext一定会有一个配置类，不然没有意义。

在SpringBoot条件下，SpringBoot在启动时就会将启动引导类当做配置类给扔到BeanFactory中。

所以ConfigurationClassPostProcessor最开始处理的时候，就是处理启动引导类

我们可以在ConfigurationClassPostProcessor方法实现上打个断点验证一下

在处理之前可以看见，除了几个spring内部的BeanDefinition之外，还有一个myApplication，就是我的启动引导类

处理的时候它会解析启动引导类的注解，进行自动装配，扫描你写的代码的操作，之后生成BeanDefinition

当处理完成之后我们再看看，DefaultListableBeanFactory有了非常多的BeanDefinition了

所以到第一步就完成了，此时BeanFactory就加载了很多Bean

接下来，由于又新注册了很多BeanDefinition，而这些里面就有可能有BeanDefinitionRegistryPostProcessor接口的实现

所以之后会重复从BeanFactory中获取BeanDefinitionRegistryPostProcessor，调用postProcessBeanDefinitionRegistry

一直会循环下去，直到所有的BeanDefinitionRegistryPostProcessor都被调用为止

由于BeanDefinitionRegistryPostProcessor继承BeanFactoryPostProcessor

所以之后也会调用BeanDefinitionRegistryPostProcessor的postProcessBeanFactory方法

调用BeanFactoryPostProcessor

当调完所有的BeanDefinitionRegistryPostProcessor实现方法

之后就会从BeanFactory获取所有的BeanFactoryPostProcessor（除了BeanDefinitionRegistryPostProcessor实现之外），调用postProcessBeanFactory方法

此时就可以通过BeanFactoryPostProcessor再次对BeanFactory进制扩展

总的来说，这一步骤的核心作用就是完成对BeanFactory自定义扩展，但是由于BeanFactoryPostProcessor都是Bean，所以要第一步先加载Bean，之后才能通过BeanFactoryPostProcessor来扩展

一张图来总结上面主要干的事

这里简化了一些前面提到东西

registerBeanPostProcessors

上面一个步骤已经完成了Bean的扫描和对BeanFactory的扩展

这一节通过方法名就可以看出，是跟BeanPostProcessor相关

不过在这个方法执行之前，我们先来看看此时BeanFactory中已经有了哪些BeanPostProcessor

此时只有4个，前3个前面都提到过，但是像我们熟知的处理@Autowired、@Resource注解的BeanPostProcessor都不在里面

所以这里就有一个非常重要的小细节

在当前这个步骤执行之前如果从BeanFactory中获取Bean的话，虽然会走Bean生命周期的整个过程，但是@Autowired、@Resource注解都不会生效，因为此时BeanFactory中还没有处理这些注解的BeanPostProcessor（CommonAnnotationBeanPostProcessor等）

什么意思呢，举个例子

比如上面一节，在当前步骤执行之前会从BeanFactory中获取BeanFactoryPostProcessor

假设现在你实现了BeanFactoryPostProcessor，想注入一个ApplicationContext对象

此时是注入不成功的，@Resource注解不会生效，就是这个意思。

这时只能通过ApplicationContextAware方式获取，因为有对应的BeanPostProcessor（ApplicationContextAwareProcessor）

接下来我们再来看看registerBeanPostProcessors实现

最终也是调用下面的方法

PostProcessorRegistrationDelegate#registerBeanPostProcessors

这个过程就没上面那个步骤复杂了

其实就是从BeanFactory中获取到所有的BeanPostProcessor，然后添加到BeanFactory中

不过值得注意的是，BeanPostProcessor创建会有优先级，优先级高的会先被创建和添加到BeanFactory中

到这一步其实BeanFactory就算是准备完成了，基本上跟创建Bean相关的前置操作几乎都完成了

最后再来张图总结一下这个方法干的事

initMessageSource

这个方法是处理国际化相关的操作

这个操作比较简单，就是从BeanFactory中看看有没有Bean名称为messageSource的Bean

有的话就使用这个MessageSource，没有的话就用默认的

不过SpringBoot项目下会自动装配一个MessageSource，所以此时容器中是有的

initApplicationEventMulticaster

这个方法跟上面的差不多，也是从BeanFactory找有没有ApplicationEventMulticaster

有就用容器中的，没有就自己创建一个

ApplicationEventMulticaster是真正用来发布事件的，ApplicationEventPublisher最终也是调用他来发布事件

ApplicationEventMulticaster内部会缓存所有的监听器

当通过ApplicationEventMulticaster发布事件的时候，会去找到所有的监听器，然后调用

onRefresh

onRefresh也是一个模板方法，本身也是空实现

子类重写这个方法，会去创建一个Web服务器

registerListeners

这个方法其实也比较简单，就是将监听器给添加到ApplicationEventMulticaster中

finishBeanFactoryInitialization

这个方法首先又是老套路，就是判断容器中有没有ConversionService

ConversionService也是用来做类型转换的，跟前面提到的PropertyEditor作用差不多

如果有，就把ConversionService设置到BeanFactory中

到这一步，BeanFactory才算真的准备完成。。。

之后其实干的事就不太重要了

但是最后一行比较重要

beanFactory.preInstantiateSingletons();

从方法的命名就可以看出，实例化所有的单例对象

因为对于BeanFactory的一些配置在前面都完成了，所以这里就可以来实例化所有的单例对象了

这个方法会做两件事

第一件事就是实例化所有的非懒加载的单例Bean

实际上就是通过getBean方法来的，因为获取Bean，不存在的时候就会创，会走Bean的生命周期

第二件事就是一旦单例Bean实现了SmartInitializingSingleton接口，就会调用SmartInitializingSingleton的afterSingletonsInstantiated方法

这个其实也算是Bean生命周期的一部分。

finishRefresh

这个方法是整个Spring容器刷新的最后一个方法

这个方法就是收尾的操作

清理一下缓存操作

之后就是初始化LifecycleProcessor

都是一样的套路，优先用BeanFactory中的

后面就会调用LifecycleProcessor#onRefresh方法

这个方法的作用就是，如果你的Bean实现了SmartLifecycle的接口，会调start的方法

随后就发布一个ContextRefreshedEvent事件，表明容器已经刷新完成了

在Web环境底下，这个finishRefresh方法被重写了

主要是多干了一件事，那就是启动Web服务器

并且会发布了一个ServletWebServerInitializedEvent事件

这个事件在SpringBoot中用的不多

但是在SpringCloud中却非常重要

在SpringCloud环境底下会有一个类监听这个事件

一旦监听到这个事件，SpringCloud就会将当前的服务的信息自动注册到注册中心上

这就是服务自动注册的原理

总结

这里再来简单回顾一下Spring启动大致的几个过程

最开始的准备操作，这部分就是准备一些配置属性相关的

之后连续好几个方法都是准备BeanFactory的，我把上面那张图拿过来

整个准备BeanFactory过程大致如下：

先配置BeanFactory

通过ConfigurationClassPostProcessor加载Bean到BeanFactory中

从上一步加载的Bean中获取BeanFactoryPostProcessor，完成对BeanFactory做自定义处理

从上一步加载的Bean中获取BeanPostProcessor，添加到BeanFactory中

当这些步骤完成之后，BeanFactory跟Bean创建相关的配置几乎算是配置完成了

之后其实就是一些ApplicationContext内部的一些组价的初始化，比如MessageSource、ApplicationEventMulticaster等等

优先从BeanFactory中获取，没有再用默认的

到这ApplicationContext也算配置完成了，之后就可以实例化单例非懒加载的Bean了

再后面就是一些扫尾的操作，发布一个ContextRefreshedEvent事件，表明容器已经刷新完成了

这时Spring就就算是真正启动完成了。