Spring源码阅读(一)：Spring是如何扫描某个包下面所有的类

第一篇写在前面

• 为什么写源码阅读笔记

随着工作的年份越来越长，我越来越觉得我对程序员那种最初的热爱和兴趣越来越淡了，更多的是凭借着经验为了工作而工作。我最近一直在思考，我的追求是什么，一个技术专家？ 还是一个方案专家？可能有人要反驳我说不懂设计的程序员说最低级别的程序员，程序员的发展目标应该是架构师。我不这么认为，架构师有架构师的牛逼，程序员应该也有程序员的使命。我就愿意做一个极客程序员。
好了，这就是我的初衷，要做一个极客程序员，那就要掌握每一个技术细节。掌握技术细节最好的方式就是阅读源码。刚入职的时候，一个有着丰富经验的老员工就劝戒我，平常要多读读开源软件的源码，开源软件里有很多编程思想都是值得借鉴的。最初的几年还可以，越到后面越感觉自己“浮于表面”。看源码的原因仅限于为了解决恰好遇到的问题。
记得有人说过怎么验证你完全掌握了一个知识呢，那就是讲给别人听，你能把别人讲明白，就代表你真的掌握了，而且你在讲的过程中也会发现问题反问自己。写笔记的目的就是验证自己真的搞清楚了。

• 阅读习惯说明

每个人阅读源码的习惯不一样，有的人喜欢先把一款软件大体框架结构搞清楚，然后分块的去阅读。有的人喜欢先找到程序的主入口，一点点的往下调试。我的阅读习惯是找重点，找出这个软件有哪些核心的功能，比如Spring如何对xml的解析，Spring对事务的抽象，Spring如何对注解的解析等等这样独立的功能，通过阅读源码理清它们的原理，最后汇总起来，基本上对整个框架也全面掌握了。

• 为什么选择Spring

Spring从最初的Spring Framework到Spring Boot到Spring Cloud，其实已经成为了Java 开发行业的标准，Spring应该是当前Java开发的首选，Spring全家桶可以说包含了绝大部分Java编程方面的知识，Spring里的知识丰富浩繁，值得深入阅读学习。后面同时还会有很多开源软件的穿插学习。

Spring扫描注解的功能

我们知道在Spring中可以使用注解声明Bean，可以让我们不用再去配置繁琐的xml文件，确实让我们的开发简便不少。只要在Spring xml里配置如下，就开启了这项功能。

Spring就会自动扫描该包下面所有打了Spring注解的类，帮你初始化病注册到Spring容器中。

@Service
public class UserController {
​
    @Autowired
    private UserDao userDao;
​
    //TODO
}

上述行为，就和在xml里进行下面的配置是等价的。

那么问题来了，Spring是怎么扫描到com.zhaoyanblog包下面的所有带注解的类的呢？

context:component-scan标签的处理者

要弄清楚为什么在xml里配置了context:component-scan就可以实现这样的功能，就要现找到这个标签的处理者。我们很容易联想到Spring解析xml的基本原理，就是遇到这个标签以后，交给一个类处理，这个类扫描包下带注解的类，初始化成对象。我们就是要找到这个关键的类。
Spring对Xml的解析功能后面阅读，这里先简要描述。Spring的jar包里有两个重要的配置文件：spring.schemas和spring.handlers，在META-INF目录下。
spring.schemas记录了xml的每个命名空间，对应的Schema校验XSD文件在哪个目录。

http\://www.springframework.org/schema/context/spring-context-4.2.xsd=org/springframework/context/config/spring-context.xsd
http\://www.springframework.org/schema/context/spring-context-4.3.xsd=org/springframework/context/config/spring-context.xsd
http\://www.springframework.org/schema/context/spring-context.xsd=org/springframework/context/config/spring-context.xsd

spring.handlers里配置了每个命名空间的标签都由哪个类处理

http\://www.springframework.org/schema/context=org.springframework.context.config.ContextNamespaceHandler
http\://www.springframework.org/schema/jee=org.springframework.ejb.config.JeeNamespaceHandler
http\://www.springframework.org/schema/lang=org.springframework.scripting.config.LangNamespaceHandler
http\://www.springframework.org/schema/task=org.springframework.scheduling.config.TaskNamespaceHandler
http\://www.springframework.org/schema/cache=org.springframework.cache.config.CacheNamespaceHandler

我们可以看到context这个命名空间由org.springframework.context.config.ContextNamespaceHandler这个类处理。打开这个类

public class ContextNamespaceHandler extends NamespaceHandlerSupport {
​
   @Override
   public void init() {
      registerBeanDefinitionParser("property-placeholder", new PropertyPlaceholderBeanDefinitionParser());
      registerBeanDefinitionParser("property-override", new PropertyOverrideBeanDefinitionParser());
      registerBeanDefinitionParser("annotation-config", new AnnotationConfigBeanDefinitionParser());
      registerBeanDefinitionParser("component-scan", new ComponentScanBeanDefinitionParser());
      registerBeanDefinitionParser("load-time-weaver", new LoadTimeWeaverBeanDefinitionParser());
      registerBeanDefinitionParser("spring-configured", new SpringConfiguredBeanDefinitionParser());
      registerBeanDefinitionParser("mbean-export", new MBeanExportBeanDefinitionParser());
      registerBeanDefinitionParser("mbean-server", new MBeanServerBeanDefinitionParser());
   }
​
}

这个类为每个标签都给出了一个处理类，component-scan的处理类是ComponentScanBeanDefinitionParser
继续打开ComponentScanBeanDefinitionParser

private static final String BASE_PACKAGE_ATTRIBUTE = "base-package";
public BeanDefinition parse(Element element, ParserContext parserContext) {
        String basePackage = element.getAttribute(BASE_PACKAGE_ATTRIBUTE);
        basePackage = parserContext.getReaderContext().getEnvironment().resolvePlaceholders(basePackage);
        String[] basePackages = StringUtils.tokenizeToStringArray(basePackage,
                ConfigurableApplicationContext.CONFIG_LOCATION_DELIMITERS);
​
        // Actually scan for bean definitions and register them.
        ClassPathBeanDefinitionScanner scanner = configureScanner(parserContext, element);
        Set beanDefinitions = scanner.doScan(basePackages);
        registerComponents(parserContext.getReaderContext(), beanDefinitions, element);
​
        return null;
    }

看到这里整明白了，扫描某个包下面的所有类的工作，就是ClassPathBeanDefinitionScanner干的。入口是doScan方法。

查找所有的包路径

ClassPathBeanDefinitionScanner有很多细节，比如可以设置class的filter, 设置classloader等等，我们先关注最主要的功能，就是怎么找到一个包下面所有的类的。
通过调用关系，一路找下去
doScan->findCandidateComponents(super)->scanCandidateComponents(super)

private Set scanCandidateComponents(String basePackage) {
   Set candidates = new LinkedHashSet();
   try {
      String packageSearchPath = ResourcePatternResolver.CLASSPATH_ALL_URL_PREFIX +
            resolveBasePackage(basePackage) + '/' + this.resourcePattern;
      Resource[] resources = getResourcePatternResolver().getResources(packageSearchPath);

我们发现，原来Spring是在classpath下面，通过查找所有classpath
* :com/zhaoyanblog/
** /
* .class的文件来实现的啊。

那这个问题就变了，Spring是如何在Classpath下面查找满足classpath
* :com/zhaoyanblog/
** /
* .class 匹配条件的文件的呢？

这个就需要看类PathMatchingResourcePatternResolver的源码了。入口getResources方法。

这里需要讲个特别知识点：classpath*: 前缀表达式，用于描述类路径匹配。
* 表示所有classpath，不带
* 表示查到的第一个类路径。后面的匹配表达式有个学名: “Ant风格路径表达式”(Ant-style patterns)。这个表达式很简单，可以自行google一下。 这里我们这里只分析下

Spring是如何查找 classpath
* :com/zhaoyanblog/
** /
* .class 这个表达式的，其它以此类推。

PathMatchingResourcePatternResolver代码一路读下去

getResources->findPathMatchingResources

protected Resource[] findPathMatchingResources(String locationPattern) throws IOException {
   String rootDirPath = determineRootDir(locationPattern);
   String subPattern = locationPattern.substring(rootDirPath.length());
   Resource[] rootDirResources = getResources(rootDirPath);

看到Spring会把路径分成两部分，一部分是rootDir=classpath
* :com/zhaoyanblog/，一部分是subPatter=
** /
* .class

查找rootDir,又递归getResources，你会发现这次走的是下述分支

getResources->findAllClassPathResources->doFindAllClassPathResources

过程代码很简单，通过classloader.getResources(“com/zhaoyanblog/”) 找到了所以的com.zhaoyanblog包路径。

查找包路径下的类

既然找到classpath的所有com/zhaoyanblog/路径，怎么列举下面的class文件呢？
一个classpath路径，可能是jar包，也可能是个磁盘目录，还有可能是其它形式。

没错，Spring就是这样勤劳的递归遍历每种类型的路径，直到找遍所有满足
* */
* .class条件的文件。

if (equinoxResolveMethod != null && rootDirUrl.getProtocol().startsWith("bundle")) {
   URL resolvedUrl = (URL) ReflectionUtils.invokeMethod(equinoxResolveMethod, null, rootDirUrl);
   if (resolvedUrl != null) {
      rootDirUrl = resolvedUrl;
   }
   rootDirResource = new UrlResource(rootDirUrl);
}
if (rootDirUrl.getProtocol().startsWith(ResourceUtils.URL_PROTOCOL_VFS)) {
   result.addAll(VfsResourceMatchingDelegate.findMatchingResources(rootDirUrl, subPattern, getPathMatcher()));
}
else if (ResourceUtils.isJarURL(rootDirUrl) || isJarResource(rootDirResource)) {
   result.addAll(doFindPathMatchingJarResources(rootDirResource, rootDirUrl, subPattern));
}
else {
   result.addAll(doFindPathMatchingFileResources(rootDirResource, subPattern));
}

包括osgi的boundle文件路径、jar包文件路径、vfs虚拟文件路径以及最后是普通文件路径。

读取类文件

找到类文件 假设是你，你会怎么办？
识别文件名，根据文件路径，得到类的完整名称:com.zhaoyanblog.UserController
然后Class.forName(“com.zhaoyanblog.UserController”) ，得到class对象是吗？
显然这样做是不对的，也是不道德的。你怎么敢确认这个类就是有Spring注解的类呢？假设这个类没有Spring注解，那么当你执行了Class.forName, 这个类就会被classloader加载，它的静态属性，静态代码段就会被执行。这个后果很有可能不是Spring使用者想看到的。
那怎么办呢？
我们回到ClassPathBeanDefinitionScanner类的最开始的地方

doScan->findCandidateComponents(super)->scanCandidateComponents(super)

private Set scanCandidateComponents(String basePackage) {
      ...
      for (Resource resource : resources) {
      ...
         if (resource.isReadable()) {
            try {
               MetadataReader metadataReader = getMetadataReaderFactory().getMetadataReader(resource);
               if (isCandidateComponent(metadataReader)) {
                  ScannedGenericBeanDefinition sbd = new ScannedGenericBeanDefinition(metadataReader);
                  sbd.setResource(resource);
                  sbd.setSource(resource);

在得到每一个类的resource文件路径以后，会使用一个MetadataReader读取它的元数据信息。
没错，Spring就是自己解析了class文件，主要读取了它的类名，注解信息。
阅读代码路径

CachingMetadataReaderFactory(SimpleMetadataReaderFactory)->SimpleMetadataReader->ClassReader

最终就是一个字节一个字节的解析class文件。至此“Spring扫描注解”的功能代码阅读完毕。

题外小知识点

• PathMatchingResourcePatternResolver查找classpath
  * .
  * xml 和查找classpath
  * .spring/
  * xml 的过程是不同的。
  在Spring 官方文档里，你会看到这样一句这样的警告：

  Note that `classpath*:`, when combined with Ant-style patterns, only works reliably with at least one root directory before the pattern starts, unless the actual target files reside in the file system. This means that a pattern such as `classpath*:*.xml` might not retrieve files from the root of jar files but rather only from the root of expanded directories.
​
  Spring’s ability to retrieve classpath entries originates from the JDK’s `ClassLoader.getResources()` method, which only returns file system locations for an empty string (indicating potential roots to search). Spring evaluates `URLClassLoader` runtime configuration and the `java.class.path` manifest in jar files as well, but this is not guaranteed to lead to portable behavior.

具体是说Spring查找classpath下的文件，依赖于JDK的ClassLoader.getResources，但是如果你写成类似

classpath*:*.xml

的路径，那么Spring就会先去查询ClassLoader.getResources(“”). 但是JDK的该方法对于“”路径，只会返回一个（你可以试一下哟~）。所以你查找跟路径的文件，有可能查不全。当然Spring也做了一点努力，就是把classpath下面的所以jar包都进行了搜索，但是还是保不齐能搜全。所以你想通过扫描类路径加载文件，最好不要放在跟路径下面。

具体你可以看下面类和方法对“”的处理

org.springframework.core.io.support.PathMatchingResourcePatternResolver#doFindAllClassPathResources

• @Repository @Service @Component 等注解都可以注册一个Bean，有啥区别呢？

看下这些注解的java doc， 比如@Service

* Indicates that an annotated class is a "Service", originally defined by Domain-Driven
* Design (Evans, 2003) as "an operation offered as an interface that stands alone in the
* model, with no encapsulated state."

我靠，这个概念来自2003年Evans的大作《领域驱动设计(DDD)》, 又是一个新的知识领域。后面需要学习。
也就是说这些注解本质上基本没有区别，仅是用于标识该类在DDD模型中的位置。
Spring官方的解释是，准确的使用这些注解，可以让一些开发工具更好的分析你的代码，比如我们最好的开发工具IDEA等。Spring未来很有可能对不同的注解带来不同的附加含义。
比如@Repository，就已经被特殊处理了，Spring会认为@Repository属于持久层的类，针对它的方法抛出的异常，会统一转换成Spring 的数据库异常类DataAccessException
可以阅读PersistenceExceptionTranslationPostProcessor类。