Spring Boot是如何实现自动配置的

作者:sylvanassun
原文:sylvanassun.github.io/2018/01/08/2018-01-08-spring_boot_auto_configure/

Spring Boot 是 Spring 旗下众多的子项目之一,其理念是约定优于配置,它通过实现了自动配置(大多数用户平时习惯设置的配置作为默认配置)的功能来为用户快速构建出标准化的应用。Spring Boot 的特点可以概述为如下几点:

  • 内置了嵌入式的 Tomcat、Jetty 等 Servlet 容器,应用可以不用打包成War 格式,而是可以直接以 Jar 格式运行。
  • 提供了多个可选择的 ”starter ” 以简化Maven的依赖管理(也支持Gradle),让您可以按需加载需要的功能模块。
  • 尽可能地进行自动配置,减少了用户需要动手写的各种冗余配置项,Spring Boot 提倡无XML配置文件的理念,使用Spring Boot生成的应用完全不会生成任何配置代码与XML配置文件。
  • 提供了一整套的对应用状态的监控与管理的功能模块(通过引入spring-boot-starter-actuator),包括应用的线程信息、内存信息、应用是否处于健康状态等,为了满足更多的资源监控需求,Spring Cloud中的很多模块还对其进行了扩展。

有关Spring Boot的使用方法就不做多介绍了,如有兴趣请自行阅读官方文档Spring Boot或其他文章。

如今微服务的概念愈来愈热,转型或尝试微服务的团队也在如日渐增,而对于技术选型,Spring Cloud是一个比较好的选择,它提供了一站式的分布式系统解决方案,包含了许多构建分布式系统与微服务需要用到的组件,例如服务治理、API网关、配置中心、消息总线以及容错管理等模块。可以说,Spring Cloud”全家桶”极其适合刚刚接触微服务的团队。似乎有点跑题了,不过说了这么多,我想要强调的是,Spring Cloud中的每个组件都是基于Spring Boot构建的,而理解了Spring Boot的自动配置的原理,显然也是有好处的。

Spring Boot的自动配置看起来神奇,其实原理非常简单,背后全依赖于@Conditional注解来实现的。

什么是@Conditional?

@Conditional是由Spring 4提供的一个新特性,用于根据特定条件来控制Bean的创建行为。而在我们开发基于Spring的应用的时候,难免会需要根据条件来注册Bean。

例如,你想要根据不同的运行环境,来让Spring注册对应环境的数据源Bean,对于这种简单的情况,完全可以使用@Profile注解实现,就像下面代码所示:

@Configuration
public class AppConfig {
   @Bean
   @Profile("DEV")
   public DataSource devDataSource() {
       ...
   }
    
   @Bean
   @Profile("PROD")
   public DataSource prodDataSource() {
       ...
   }
}

剩下只需要设置对应的Profile属性即可,设置方法有如下三种:

  • 通过context.getEnvironment().setActiveProfiles("PROD")来设置Profile属性。
  • 通过设定jvm的spring.profiles.active参数来设置环境(Spring Boot中可以直接在application.properties配置文件中设置该属性)。
  • 通过在DispatcherServlet的初始参数中设置。
<servlet>
   <servlet-name>dispatcher</servlet-name>
   <servlet-class>org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet</servlet-class>
   <init-param>
       <param-name>spring.profiles.active</param-name>
       <param-value>PROD</param-value>
   </init-param>
</servlet>

但这种方法只局限于简单的情况,而且通过源码我们可以发现@Profile自身也使用了@Conditional注解。

package org.springframework.context.annotation;
@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Conditional({ProfileCondition.class}) // 组合了Conditional注解
public @interface Profile {
   String[] value();
}
package org.springframework.context.annotation;
class ProfileCondition implements Condition {
   ProfileCondition() {
   }
   // 通过提取出@Profile注解中的value值来与profiles配置信息进行匹配
   public boolean matches(ConditionContext context, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
       if(context.getEnvironment() != null) {
           MultiValueMap attrs = metadata.getAllAnnotationAttributes(Profile.class.getName());
           if(attrs != null) {
               Iterator var4 = ((List)attrs.get("value")).iterator();
               Object value;
               do {
                   if(!var4.hasNext()) {
                       return false;
                   }
                   value = var4.next();
               } while(!context.getEnvironment().acceptsProfiles((String[])((String[])value)));
               return true;
           }
       }
       return true;
   }
}

在业务复杂的情况下,显然需要使用到@Conditional注解来提供更加灵活的条件判断,例如以下几个判断条件:

  • 在类路径中是否存在这样的一个类。
  • 在Spring容器中是否已经注册了某种类型的Bean(如未注册,我们可以让其自动注册到容器中,上一条同理)。
  • 一个文件是否在特定的位置上。
  • 一个特定的系统属性是否存在。
  • 在Spring的配置文件中是否设置了某个特定的值。

举个栗子,假设我们有两个基于不同数据库实现的DAO,它们全都实现了UserDao,其中JdbcUserDAO与MySql进行连接,MongoUserDAO与MongoDB进行连接。现在,我们有了一个需求,需要根据命令行传入的系统参数来注册对应的UserDao,就像java -jar app.jar -DdbType=MySQL会注册JdbcUserDao,而java -jar app.jar -DdbType=MongoDB则会注册MongoUserDao。使用@Conditional可以很轻松地实现这个功能,仅仅需要在你自定义的条件类中去实现Condition接口,让我们来看下面的代码。(以下案例来自:https://dzone.com/articles/how-springboot-autoconfiguration-magic-works)

public interface UserDAO {
   ....
}
public class JdbcUserDAO implements UserDAO {
   ....
}
public class MongoUserDAO implements UserDAO {
   ....
}
public class MySQLDatabaseTypeCondition implements Condition {
   @Override
   public boolean matches(ConditionContext conditionContext, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
       String enabledDBType = System.getProperty("dbType"); // 获得系统参数 dbType
       // 如果该值等于MySql,则条件成立
       return (enabledDBType != null && enabledDBType.equalsIgnoreCase("MySql"));
   }
}
// 与上述逻辑一致
public class MongoDBDatabaseTypeCondition implements Condition {
   @Override
   public boolean matches(ConditionContext conditionContext, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
       String enabledDBType = System.getProperty("dbType");
       return (enabledDBType != null && enabledDBType.equalsIgnoreCase("MongoDB"));
   }
}
// 根据条件来注册不同的Bean
@Configuration
public class AppConfig {
   @Bean
   @Conditional(MySQLDatabaseTypeCondition.class)
   public UserDAO jdbcUserDAO() {
       return new JdbcUserDAO();
   }
    
   @Bean
   @Conditional(MongoDBDatabaseTypeCondition.class)
   public UserDAO mongoUserDAO() {
       return new MongoUserDAO();
   }
}

现在,我们又有了一个新需求,我们想要根据当前工程的类路径中是否存在MongoDB的驱动类来确认是否注册MongoUserDAO。为了实现这个需求,可以创建检查MongoDB驱动是否存在的两个条件类。

public class MongoDriverPresentsCondition implements Condition {
   @Override
   public boolean matches(ConditionContext conditionContext, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
       try {
           Class.forName("com.mongodb.Server");
           return true;
       } catch (ClassNotFoundException e) {
           return false;
       }
   }
}
public class MongoDriverNotPresentsCondition implements Condition {
   @Override
   public boolean matches(ConditionContext conditionContext, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
       try {
           Class.forName("com.mongodb.Server");
           return false;
       } catch (ClassNotFoundException e) {
           return true;
       }
   }
}

假如,你想要在UserDAO没有被注册的情况下去注册一个UserDAOBean,那么我们可以定义一个条件类来检查某个类是否在容器中已被注册。

public class UserDAOBeanNotPresentsCondition implements Condition {
   @Override
   public boolean matches(ConditionContext conditionContext, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
       UserDAO userDAO = conditionContext.getBeanFactory().getBean(UserDAO.class);
       return (userDAO == null);
   }
}

如果你想根据配置文件中的某项属性来决定是否注册MongoDAO,例如app.dbType是否等于MongoDB,我们可以实现以下的条件类。

public class MongoDbTypePropertyCondition implements Condition {
   @Override
   public boolean matches(ConditionContext conditionContext, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
       String dbType = conditionContext.getEnvironment().getProperty("app.dbType");
       return "MONGO".equalsIgnoreCase(dbType);
   }
}

我们已经尝试并实现了各种类型的条件判断,接下来,我们可以选择一种更为优雅的方式,就像@Profile一样,以注解的方式来完成条件判断。首先,我们需要定义一个注解类。

@Target({ ElementType.TYPE, ElementType.METHOD })
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Conditional(DatabaseTypeCondition.class)
public @interface DatabaseType {
   String value();
}

具体的条件判断逻辑在DatabaseTypeCondition类中,它会根据系统参数dbType来判断注册哪一个Bean。

public class DatabaseTypeCondition implements Condition {
   @Override
   public boolean matches(ConditionContext conditionContext, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
       Map<String, Object> attributes = metadata
                                           .getAnnotationAttributes(DatabaseType.class.getName());
       String type = (String) attributes.get("value");
       // 默认值为MySql
       String enabledDBType = System.getProperty("dbType", "MySql");
       return (enabledDBType != null && type != null && enabledDBType.equalsIgnoreCase(type));
   }
}

最后,在配置类应用该注解即可。

@Configuration
@ComponentScan
public class AppConfig {
   @Bean
   @DatabaseType("MySql")
   public UserDAO jdbcUserDAO() {
       return new JdbcUserDAO();
   }
   @Bean
   @DatabaseType("mongoDB")
   public UserDAO mongoUserDAO() {
       return new MongoUserDAO();
   }
}

AutoConfigure源码分析

通过了解@Conditional注解的机制其实已经能够猜到自动配置是如何实现的了,接下来我们通过源码来看看它是怎么做的。本文中讲解的源码基于Spring Boot 1.5.9版本(最新的正式版本)。

使用过Spring Boot的童鞋应该都很清楚,它会替我们生成一个入口类,其命名规格为ArtifactNameApplication,通过这个入口类,我们可以发现一些信息。

@SpringBootApplication
public class DemoApplication {
   public static void main(String[] args) {
       SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
   }
}

首先该类被@SpringBootApplication注解修饰,我们可以先从它开始分析,查看源码后可以发现它是一个包含许多注解的组合注解。

@Target({ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
@SpringBootConfiguration
@EnableAutoConfiguration
@ComponentScan(
   excludeFilters = {@Filter(
   type = FilterType.CUSTOM,
   classes = {TypeExcludeFilter.class}
), @Filter(
   type = FilterType.CUSTOM,
   classes = {AutoConfigurationExcludeFilter.class}
)}
)
public @interface SpringBootApplication {
   @AliasFor(
       annotation = EnableAutoConfiguration.class,
       attribute = "exclude"
   )
   Class<?>[] exclude() default {};
   @AliasFor(
       annotation = EnableAutoConfiguration.class,
       attribute = "excludeName"
   )
   String[] excludeName() default {};
   @AliasFor(
       annotation = ComponentScan.class,
       attribute = "basePackages"
   )
   String[] scanBasePackages() default {};
   @AliasFor(
       annotation = ComponentScan.class,
       attribute = "basePackageClasses"
   )
   Class<?>[] scanBasePackageClasses() default {};
}

该注解相当于同时声明了@Configuration、@EnableAutoConfiguration与@ComponentScan三个注解(如果我们想定制自定义的自动配置实现,声明这三个注解就足够了),而@EnableAutoConfiguration是我们的关注点,从它的名字可以看出来,它是用来开启自动配置的,源码如下:

@Target({ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
@AutoConfigurationPackage
@Import({EnableAutoConfigurationImportSelector.class})
public @interface EnableAutoConfiguration {
   String ENABLED_OVERRIDE_PROPERTY = "spring.boot.enableautoconfiguration";
   Class<?>[] exclude() default {};
   String[] excludeName() default {};
}

我们发现@Import(Spring 提供的一个注解,可以导入配置类或者Bean到当前类中)导入了EnableAutoConfigurationImportSelector类,根据名字来看,它应该就是我们要找到的目标了。不过查看它的源码发现它已经被Deprecated了,而官方API中告知我们去查看它的父类AutoConfigurationImportSelector。

/** @deprecated */
@Deprecated
public class EnableAutoConfigurationImportSelector extends AutoConfigurationImportSelector {
   public EnableAutoConfigurationImportSelector() {
   }
   protected boolean isEnabled(AnnotationMetadata metadata) {
       return this.getClass().equals(EnableAutoConfigurationImportSelector.class)?((Boolean)this.getEnvironment().getProperty("spring.boot.enableautoconfiguration", Boolean.class, Boolean.valueOf(true))).booleanValue():true;
   }
}

由于AutoConfigurationImportSelector的源码太长了,这里我只截出关键的地方,显然方法selectImports是选择自动配置的主入口,它调用了其他的几个方法来加载元数据等信息,最后返回一个包含许多自动配置类信息的字符串数组。

public String[] selectImports(AnnotationMetadata annotationMetadata) {
   if(!this.isEnabled(annotationMetadata)) {
       return NO_IMPORTS;
   } else {
       try {
           AutoConfigurationMetadata ex = AutoConfigurationMetadataLoader.loadMetadata(this.beanClassLoader);
           AnnotationAttributes attributes = this.getAttributes(annotationMetadata);
           List configurations = this.getCandidateConfigurations(annotationMetadata, attributes);
           configurations = this.removeDuplicates(configurations);
           configurations = this.sort(configurations, ex);
           Set exclusions = this.getExclusions(annotationMetadata, attributes);
           this.checkExcludedClasses(configurations, exclusions);
           configurations.removeAll(exclusions);
           configurations = this.filter(configurations, ex);
           this.fireAutoConfigurationImportEvents(configurations, exclusions);
           return (String[])configurations.toArray(new String[configurations.size()]);
       } catch (IOException var6) {
           throw new IllegalStateException(var6);
       }
   }
}

重点在于方法getCandidateConfigurations()返回了自动配置类的信息列表,而它通过调用SpringFactoriesLoader.loadFactoryNames()来扫描加载含有META-INF/spring.factories文件的jar包,该文件记录了具有哪些自动配置类。(建议还是用IDE去看源码吧,这些源码单行实在太长了,估计文章中的观看效果很差)

protected List<String> getCandidateConfigurations(AnnotationMetadata metadata, AnnotationAttributes attributes) {
   List configurations = SpringFactoriesLoader
                                       .loadFactoryNames(this.getSpringFactoriesLoaderFactoryClass(), this.getBeanClassLoader());
   Assert.notEmpty(configurations, "No auto configuration classes 
   found in META-INF spring.factories. 
   If you are using a custom packaging, make sure that file is correct.");
   return configurations;
}
    
public static List<String> loadFactoryNames(Class<?> factoryClass, ClassLoader classLoader) {
   String factoryClassName = factoryClass.getName();
   try {
       Enumeration ex = classLoader != null?classLoader.getResources("META-INF/spring.factories"):ClassLoader.getSystemResources("META-INF/spring.factories");
       ArrayList result = new ArrayList();
       while(ex.hasMoreElements()) {
           URL url = (URL)ex.nextElement();
           Properties properties = PropertiesLoaderUtils.loadProperties(new UrlResource(url));
           String factoryClassNames = properties.getProperty(factoryClassName);
           result.addAll(Arrays.asList(StringUtils.commaDelimitedListToStringArray(factoryClassNames)));
       }
       return result;
   } catch (IOException var8) {
       throw new IllegalArgumentException("Unable to load [" + factoryClass.getName() + "] factories from location [" + "META-INF/spring.factories" + "]", var8);
   }
}

自动配置类中的条件注解

接下来,我们在spring.factories文件中随便找一个自动配置类,来看看是怎样实现的。我查看了MongoDataAutoConfiguration的源码,发现它声明了@ConditionalOnClass注解,通过看该注解的源码后可以发现,这是一个组合了@Conditional的组合注解,它的条件类是OnClassCondition。

@Configuration
@ConditionalOnClass({Mongo.class, MongoTemplate.class})
@EnableConfigurationProperties({MongoProperties.class})
@AutoConfigureAfter({MongoAutoConfiguration.class})
public class MongoDataAutoConfiguration {
   ....
}
@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Conditional({OnClassCondition.class})
public @interface ConditionalOnClass {
   Class<?>[] value() default {};
   String[] name() default {};
}

然后,我们开始看OnClassCondition的源码,发现它并没有直接实现Condition接口,只好往上找,发现它的父类SpringBootCondition实现了Condition接口。

class OnClassCondition extends SpringBootCondition implements AutoConfigurationImportFilter, BeanFactoryAware, BeanClassLoaderAware {
   .....
}
public abstract class SpringBootCondition implements Condition {
   private final Log logger = LogFactory.getLog(this.getClass());
   public SpringBootCondition() {
   }
   public final boolean matches(ConditionContext context, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
       String classOrMethodName = getClassOrMethodName(metadata);
       try {
           ConditionOutcome ex = this.getMatchOutcome(context, metadata);
           this.logOutcome(classOrMethodName, ex);
           this.recordEvaluation(context, classOrMethodName, ex);
           return ex.isMatch();
       } catch (NoClassDefFoundError var5) {
           throw new IllegalStateException("Could not evaluate condition on " + classOrMethodName + " due to " + var5.getMessage() + " not found. Make sure your own configuration does not rely on that class. This can also happen if you are @ComponentScanning a springframework package (e.g. if you put a @ComponentScan in the default package by mistake)", var5);
       } catch (RuntimeException var6) {
           throw new IllegalStateException("Error processing condition on " + this.getName(metadata), var6);
       }
   }
   public abstract ConditionOutcome getMatchOutcome(ConditionContext var1, AnnotatedTypeMetadata var2);
}

SpringBootCondition实现的matches方法依赖于一个抽象方法this.getMatchOutcome(context, metadata),我们在它的子类OnClassCondition中可以找到这个方法的具体实现。

public ConditionOutcome getMatchOutcome(ConditionContext context, AnnotatedTypeMetadata metadata) {
   ClassLoader classLoader = context.getClassLoader();
   ConditionMessage matchMessage = ConditionMessage.empty();
   // 找出所有ConditionalOnClass注解的属性
   List onClasses = this.getCandidates(metadata, ConditionalOnClass.class);
   List onMissingClasses;
   if(onClasses != null) {
       // 找出不在类路径中的类
       onMissingClasses = this.getMatches(onClasses, OnClassCondition.MatchType.MISSING, classLoader);
       // 如果存在不在类路径中的类,匹配失败
       if(!onMissingClasses.isEmpty()) {
           return ConditionOutcome.noMatch(ConditionMessage.forCondition(ConditionalOnClass.class, new Object[0]).didNotFind("required class", "required classes").items(Style.QUOTE, onMissingClasses));
       }
       matchMessage = matchMessage.andCondition(ConditionalOnClass.class, new Object[0]).found("required class", "required classes").items(Style.QUOTE, this.getMatches(onClasses, OnClassCondition.MatchType.PRESENT, classLoader));
   }
   // 接着找出所有ConditionalOnMissingClass注解的属性
   // 它与ConditionalOnClass注解的含义正好相反,所以以下逻辑也与上面相反
   onMissingClasses = this.getCandidates(metadata, ConditionalOnMissingClass.class);
   if(onMissingClasses != null) {
       List present = this.getMatches(onMissingClasses, OnClassCondition.MatchType.PRESENT, classLoader);
       if(!present.isEmpty()) {
           return ConditionOutcome.noMatch(ConditionMessage.forCondition(ConditionalOnMissingClass.class, new Object[0]).found("unwanted class", "unwanted classes").items(Style.QUOTE, present));
       }
       matchMessage = matchMessage.andCondition(ConditionalOnMissingClass.class, new Object[0]).didNotFind("unwanted class", "unwanted classes").items(Style.QUOTE, this.getMatches(onMissingClasses, OnClassCondition.MatchType.MISSING, classLoader));
   }
   return ConditionOutcome.match(matchMessage);
}
// 获得所有annotationType注解的属性
private List<String> getCandidates(AnnotatedTypeMetadata metadata, Class<?> annotationType) {
   MultiValueMap attributes = metadata.getAllAnnotationAttributes(annotationType.getName(), true);
   ArrayList candidates = new ArrayList();
   if(attributes == null) {
       return Collections.emptyList();
   } else {
       this.addAll(candidates, (List)attributes.get("value"));
       this.addAll(candidates, (List)attributes.get("name"));
       return candidates;
   }
}
private void addAll(List<String> list, List<Object> itemsToAdd) {
   if(itemsToAdd != null) {
       Iterator var3 = itemsToAdd.iterator();
       while(var3.hasNext()) {
           Object item = var3.next();
           Collections.addAll(list, (String[])((String[])item));
       }
   }
}    
// 根据matchType.matches方法来进行匹配
private List<String> getMatches(Collection<String> candidates, OnClassCondition.MatchType matchType, ClassLoader classLoader) {
   ArrayList matches = new ArrayList(candidates.size());
   Iterator var5 = candidates.iterator();
   while(var5.hasNext()) {
       String candidate = (String)var5.next();
       if(matchType.matches(candidate, classLoader)) {
           matches.add(candidate);
       }
   }
   return matches;
}

关于match的具体实现在MatchType中,它是一个枚举类,提供了PRESENT和MISSING两种实现,前者返回类路径中是否存在该类,后者相反。

private static enum MatchType {
   PRESENT {
       public boolean matches(String className, ClassLoader classLoader) {
           return OnClassCondition.MatchType.isPresent(className, classLoader);
       }
   },
   MISSING {
       public boolean matches(String className, ClassLoader classLoader) {
           return !OnClassCondition.MatchType.isPresent(className, classLoader);
       }
   };
   private MatchType() {
   }
   // 跟我们之前看过的案例一样,都利用了类加载功能来进行判断
   private static boolean isPresent(String className, ClassLoader classLoader) {
       if(classLoader == null) {
           classLoader = ClassUtils.getDefaultClassLoader();
       }
       try {
           forName(className, classLoader);
           return true;
       } catch (Throwable var3) {
           return false;
       }
   }
   private static Class<?> forName(String className, ClassLoader classLoader) throws ClassNotFoundException {
       return classLoader != null?classLoader.loadClass(className):Class.forName(className);
   }
   public abstract boolean matches(String var1, ClassLoader var2);
}

现在终于真相大白,@ConditionalOnClass的含义是指定的类必须存在于类路径下,MongoDataAutoConfiguration类中声明了类路径下必须含有Mongo.class, MongoTemplate.class这两个类,否则该自动配置类不会被加载。

在Spring Boot中到处都有类似的注解,像@ConditionalOnBean(容器中是否有指定的Bean),@ConditionalOnWebApplication(当前工程是否为一个Web工程)等等,它们都只是@Conditional注解的扩展。当你揭开神秘的面纱,去探索本质时,发现其实Spring Boot自动配置的原理就是如此简单,在了解这些知识后,你完全可以自己去实现自定义的自动配置类,然后编写出自定义的starter。

原文发布于微信公众号 - Java架构沉思录(code-thinker)

原文发表时间:2018-07-07

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