Spring @Autowired 注解自动注入流程是怎么样?

面试中碰到面试官问:”Spring 注解是如果工作的?“,当前我一惊,完了这不触及到我的知识误区了吗?,还好我机智,灵机一动回了句:Spring 注解的工作流程倒还没有看到,但是我知道@Autowired注解的工作流程,后面不用说了一顿巴拉,面试官都连连点头。

面试中要活用转移话题,要避免回答 ”不知道“,要引导面试官掉入你擅长的技术,然后才有机会教他作人。

@Autowired 相关的类

@Autowired 注解的主要功能就是完成自动注入,使用也非常简单(Spring都安排好了),但是要想知道 @Autowired 注解的内部现实,就需要看一下Spring源码了。接下来一步步的解剖 @Autowired 的实现原理,首先理一下与 @Autowired 注解相关的类,然后一步步的跟踪源码,直到理解 @Autowired 的原理。

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 类

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor是实现 @Autowired 功能的主要类,它有一些方法是会用解析 @Autowired 注解并实现自动注入的功能,下面是它的继承图:

Spring @Autowired 注解自动注入流程是怎么样?_第1张图片

从上图可以发现 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 最上层是 BeanPostProcessor 是一个后处理器,当然除了后处理器外中间还有InstantiationAwareBeanPostProcessorMergedBeanDefinitionPostProcessor

InstantiationAwareBeanPostProcessor 接口

postProcessBeforeInstantiation方法

在Bean实例化之前调用,可以返回一个Bean实例,默认返回null

@Nullabledefault Object postProcessBeforeInstantiation(Class beanClass, String 
beanName) throws BeansException {      return null;}

postProcessAfterInstantiation方法

在Bean创建完成后,设置属性之前调用。

default boolean postProcessAfterInstantiation(Object bean, String 
beanName) throws BeansException {      return true;}

postProcessProperties方法

@Nullable default PropertyValues postProcessProperties(PropertyValues pvs, Object 
bean, String beanName)            throws BeansException {      return null;}

Bean创建完后,设置属性之前调用

先记住 InstantiationAwareBeanPostProcessor 接口,后面会跟踪调用它的地方,就很容易理解了。

MergedBeanDefinitionPostProcessor

MergedBeanDefinitionPostProcessor 也是一个继承 BeanPostProcessor 接口的后处理器,它的主要作用就是可以处理操作BeanDefinition对象,由于Bean的实例化是通过 BeanDefinition 的, 通过操作BeanDefinition ,这样可以使Bean的实例化时发生一些变化。

MergedBeanDefinitionPostProcessor 只有两个方法

postProcessMergedBeanDefinition方法

void postProcessMergedBeanDefinition(RootBeanDefinition beanDefinition, 
Class beanType, String beanName);

Bean的BeanDefinition 被合并后调用此方法。

resetBeanDefinition

default void resetBeanDefinition(String beanName) {}

当一个BeanDefinition被重置后调用 。

AutowireCapableBeanFactory 接口

AutowireCapableBeanFactory继承自BeanFactory,除了提供基础的Bean操作外,从接口的名字就可以推断出的它还有自动注入的能力。AutowireCapableBeanFactory 提供四种注入模型:

  • AUTOWIRE_NO: 没有显示的定义注入模型
  • AUTOWIRE_BY_NAME: 通过Bean名称注入
  • AUTOWIRE_BY_TYPE: 通过Bean的类型注入
  • AUTOWIRE_CONSTRUCTOR:通过Bean的构造方法注入

AutowireCapableBeanFactory 接口有不少方法,但大部分都是跟自动注入的相关。@Autowired 的主要功能就是在Bean实例化后,为其设置属性,所以在 AutowireCapableBeanFactory 接口有一个 createBean方法,用于创建Bean并设置Bean的属性:

 T createBean(Class beanClass) throws BeansException;

createBean方法,它的调用时机是创建Bean的时候,稍后会说到它的调用时机。

AbstractAutowireCapableBeanFactory

Spring @Autowired 注解自动注入流程是怎么样?_第2张图片

AbstractAutowireCapableBeanFactory 继承 AbstractBeanFactory并实现了AutowireCapableBeanFactory接口,所以它也实现了AutowireCapableBeanFactory中的createBean方法。

public  T createBean(Class beanClass) throws BeansException {     

// Use prototype bean definition, to avoid registering bean as dependent bean.      

RootBeanDefinition bd = new RootBeanDefinition(beanClass);      
bd.setScope(SCOPE_PROTOTYPE);     

bd.allowCaching = ClassUtils.isCacheSafe(beanClass, getBeanClassLoader());      

return (T) createBean(beanClass.getName(), bd, null);}

Bean创建的生命周期

通过了解Bean创建的生命周期,才可以将上面与 @Autowired 相关的类串起来,首先这里不会过多的介绍Bean的创建细节,只关注自动注入相关的代码。

Bean的创建过程

Spring中默认的Bean都是懒加载的,所以一个Bean的创建会从调用getBean方法开始,如果不考虑缓存、上层容器的情况,Bean的创建会经过以下方法:

  • getBean:BeanFactory的方法,获取Bean实例
  • doGetBean:获取Bean的实例,获取顺序依次为:单例池、父容器,如果从以上2种途径都没获取到Bean实例就会创建新的
  • createBean:创建 Bean,这里的createBean,跟上面介绍的是一回事
  • doCreateBean:创建Bean实例
  • populateBean:设置Bean属性

以上流程中的getBeandoGetBean不多作说明了, 重点关注createBean前面提到AbstractAutowireCapableBeanFactory.createBean方法,所以说你在调用getBean方法获取Bean的实例时,如果这个Bean实例还没有被创建,那么createBean就会被调用。

通过简单的说明Bean创建的生命周期,就能找到 @Autowired 注解实现的入口,接下来再继续跟踪createBean方法。

收集注入元信息

收集注入元信息的步骤的,其实就是调用AutowiredAnnotationBeanPostProcessor类方法来实现的。

Bean 创建之前

以下是createBean方法,在Bean创建之前调用postProcessBeforeInstantiation的地方。为是阅读方便省略了一些代码,大致的流程就是:

  • 首先调用 resolveBeforeInstantiation 方法,执行 InstantiationAwareBeanPostProcessor.postProcessBeforeInstantiation方法
  • 如果postProcessBeforeInstantiation返回Bean实例那么直接返回这个实例,如果返回nul 继续调用doCreateBean
@Override
protected Object createBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable Object[] args)
      throws BeanCreationException {
 
   ...

   try {
      // Give BeanPostProcessors a chance to return a proxy instead of the target bean instance.
      Object bean = resolveBeforeInstantiation(beanName, mbdToUse);
      if (bean != null) {
         return bean;
      }
   }
   catch (Throwable ex) {
        ...
   }
   
     ...
    Object beanInstance = doCreateBean(beanName, mbdToUse, args);
    ...
   
   ...
 }
   
 @Nullable
protected Object resolveBeforeInstantiation(String beanName, RootBeanDefinition mbd) {
   Object bean = null;
   if (!Boolean.FALSE.equals(mbd.beforeInstantiationResolved)) {
      // Make sure bean class is actually resolved at this point.
      if (!mbd.isSynthetic() && hasInstantiationAwareBeanPostProcessors()) {
         Class targetType = determineTargetType(beanName, mbd);
         if (targetType != null) {
            bean = applyBeanPostProcessorsBeforeInstantiation(targetType, beanName);
            if (bean != null) {
               bean = applyBeanPostProcessorsAfterInitialization(bean, beanName);
            }
         }
      }
      mbd.beforeInstantiationResolved = (bean != null);
   }
   return bean;
}

这里 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 的 postProcessBeforeInstantiation 的方法会被调用,由于AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 并没有重写这个方法,所以什么都不做。

操作 BeanDefinition

上面说过 postProcessBeforeInstantiation 方法返回 null 的话会继续执行doCreateBean方法:

 protected Object doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final @Nullable Object[] args)
      throws BeanCreationException {


   // Allow post-processors to modify the merged bean definition.
   synchronized (mbd.postProcessingLock) {
      if (!mbd.postProcessed) {
         try {
            applyMergedBeanDefinitionPostProcessors(mbd, beanType, beanName);
         }
         catch (Throwable ex) {
            throw new BeanCreationException(mbd.getResourceDescription(), beanName,
                  "Post-processing of merged bean definition failed", ex);
         }
         mbd.postProcessed = true;
      }
   }

  ...
 populateBean(beanName, mbd, instanceWrapper);
 ...
 

在 doCreateBean 方法中,会调用调用applyMergedBeanDefinitionPostProcessors方法:

protected void applyMergedBeanDefinitionPostProcessors(RootBeanDefinition mbd, Class beanType, String beanName) {
   for (BeanPostProcessor bp : getBeanPostProcessors()) {
      if (bp instanceof MergedBeanDefinitionPostProcessor) {
         MergedBeanDefinitionPostProcessor bdp = (MergedBeanDefinitionPostProcessor) bp;
         bdp.postProcessMergedBeanDefinition(mbd, beanType, beanName);
      }
   }

MergedBeanDefinitionPostProcessor接口上面提到到的,AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 实现了这个接口所以直接进入到 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 中的 postProcessMergedBeanDefinition方法:


@Override
public void postProcessMergedBeanDefinition(RootBeanDefinition beanDefinition, Class beanType, String beanName) {
   InjectionMetadata metadata = findAutowiringMetadata(beanName, beanType, null);
   metadata.checkConfigMembers(beanDefinition);
}
查找注入元数据

接着继续进入到findAutowiringMetadata,findAutowiringMetadata 会调用buildAutowiringMetadata方法创建注入元数据,然后将元数据缓存到injectionMetadataCache属性中:


private InjectionMetadata findAutowiringMetadata(String beanName, Class clazz, @Nullable PropertyValues pvs) {
   // Fall back to class name as cache key, for backwards compatibility with custom callers.
   String cacheKey = (StringUtils.hasLength(beanName) ? beanName : clazz.getName());
   // Quick check on the concurrent map first, with minimal locking.
   InjectionMetadata metadata = this.injectionMetadataCache.get(cacheKey);
   if (InjectionMetadata.needsRefresh(metadata, clazz)) {
      synchronized (this.injectionMetadataCache) {
         metadata = this.injectionMetadataCache.get(cacheKey);
         if (InjectionMetadata.needsRefresh(metadata, clazz)) {
            ...
            metadata = buildAutowiringMetadata(clazz);
            this.injectionMetadataCache.put(cacheKey, metadata);
         }
      }
   }
   return metadata;
}
创建注入元数据

仔细查看buildAutowiringMetadata方法的实现,它会反射类的方法和属性,同时还会向上查找父类,然后生成InjectionMetadata

private InjectionMetadata buildAutowiringMetadata(final Class clazz) {
        if (!AnnotationUtils.isCandidateClass(clazz, this.autowiredAnnotationTypes)) {
            return InjectionMetadata.EMPTY;
        }

        List elements = new ArrayList<>();
        Class targetClass = clazz;

        do {
            final List currElements = new ArrayList<>();

            ReflectionUtils.doWithLocalFields(targetClass, field -> {
                MergedAnnotation ann = findAutowiredAnnotation(field);
                if (ann != null) {
                    if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
                        if (logger.isInfoEnabled()) {
                            logger.info("Autowired annotation is not supported on static fields: " + field);
                        }
                        return;
                    }
                    boolean required = determineRequiredStatus(ann);
                    currElements.add(new AutowiredFieldElement(field, required));
                }
            });

            ReflectionUtils.doWithLocalMethods(targetClass, method -> {
                Method bridgedMethod = BridgeMethodResolver.findBridgedMethod(method);
                if (!BridgeMethodResolver.isVisibilityBridgeMethodPair(method, bridgedMethod)) {
                    return;
                }
                MergedAnnotation ann = findAutowiredAnnotation(bridgedMethod);
                if (ann != null && method.equals(ClassUtils.getMostSpecificMethod(method, clazz))) {
                    if (Modifier.isStatic(method.getModifiers())) {
                        if (logger.isInfoEnabled()) {
                            logger.info("Autowired annotation is not supported on static methods: " + method);
                        }
                        return;
                    }
                    if (method.getParameterCount() == 0) {
                        if (logger.isInfoEnabled()) {
                            logger.info("Autowired annotation should only be used on methods with parameters: " +
                                    method);
                        }
                    }
                    boolean required = determineRequiredStatus(ann);
                    PropertyDescriptor pd = BeanUtils.findPropertyForMethod(bridgedMethod, clazz);
                    currElements.add(new AutowiredMethodElement(method, required, pd));
                }
            });

            elements.addAll(0, currElements);
            targetClass = targetClass.getSuperclass();
        }
        while (targetClass != null && targetClass != Object.class);

        return InjectionMetadata.forElements(elements, clazz);
    }

小结

收集注入元数据过程,首先调用AutowiredAnnotationBeanPostProcessor.postProcessMergedBeanDefinition方法,然后调用findAutowiringMetadata方法查找元数据,如果找到相应类的注入元数据 ,就会调用buildAutowiringMetadata方法创建InjectionMetadata,最后将新创建的注入元数据保存在injectionMetadataCache缓存起来。

设置Bean属性

收信完注入元数据后,Bean的属性还是没有注入的,还需要将执行属性注入。还是在doCreateBean方法中,收集完注入元数据后,紧接着会调用populateBean

protected void populateBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable BeanWrapper bw) {
   
boolean hasInstAwareBpps = hasInstantiationAwareBeanPostProcessors();
boolean needsDepCheck = (mbd.getDependencyCheck() != AbstractBeanDefinition.DEPENDENCY_CHECK_NONE);

PropertyDescriptor[] filteredPds = null;
if (hasInstAwareBpps) {
   if (pvs == null) {
      pvs = mbd.getPropertyValues();
   }
   for (BeanPostProcessor bp : getBeanPostProcessors()) {
      if (bp instanceof InstantiationAwareBeanPostProcessor) {
         InstantiationAwareBeanPostProcessor ibp = (InstantiationAwareBeanPostProcessor) bp;
         PropertyValues pvsToUse = ibp.postProcessProperties(pvs, bw.getWrappedInstance(), beanName);
         if (pvsToUse == null) {
            if (filteredPds == null) {
               filteredPds = filterPropertyDescriptorsForDependencyCheck(bw, mbd.allowCaching);
            }
            pvsToUse = ibp.postProcessPropertyValues(pvs, filteredPds, bw.getWrappedInstance(), beanName);
            if (pvsToUse == null) {
               return;
            }
         }
         pvs = pvsToUse;
      }
   }
   }
}

可以看到在populateBean中会调用InstantiationAwareBeanPostProcessor.postProcessProperties方法,由于已经知道 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 是实现 InstantiationAwareBeanPostProcessor 的,所以可以直接查看实现方法:

@Override
public PropertyValues postProcessProperties(PropertyValues pvs, Object bean, String beanName) {
   InjectionMetadata metadata = findResourceMetadata(beanName, bean.getClass(), pvs);
   try {
      metadata.inject(bean, beanName, pvs);
   }
   catch (Throwable ex) {
      throw new BeanCreationException(beanName, "Injection of resource dependencies failed", ex);
   }
   return pvs;
}

postProcessProperties就很简单的,查找 InjectMetadata,然后调用 InjectMetadata.inject方法。到这里其实就已经知道@Autowire的实现机制了,接下来就是根据InjectionMetadata中的信息实现属性注入了。

如果需要深入研究的话,有兴趣的还可以继续往下看。

总结

本文大致讲解了 @Autowire 相关的类与实现的机制,@Autowire 注解的实现主要是理解AutowiredAnnotationBeanPostProcessor类,还有收集注入元数据、设置注入属性的调用时机。

通过查看AutowiredAnnotationBeanPostProcessor类源码,相信你也可以自定义注入功能。

本人知识水平有限,如有错误,谢谢大家指正。

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Spring @Autowired 注解自动注入流程是怎么样?_第3张图片

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