Spring Boot Starter 剖析与实践
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引言
作为 Java 开发人员来说几乎是离不开 Spring ,Spring 是一个广泛用于开发企业应用程序的开源轻量级框架。但近几年出现了 Spring Boot,构建在传统 Spring 框架之上。因此,提供了完整 Spring 的功能,并且让开发人员更加容易使用。在使用 Spring Boot 缺不了接触到各种 Spring Boot Starter ,比如 spring-boot-starter-web
,似乎我们只需要将该依赖加入项目中,我们就可以开始开发应用了;还有引入了 spring-boot-starter-data-jdbc
后 在配置文件中写上数据库连接信息即可连接数据库,并且可以随意切换数据源组件依赖,Spring Boot Starter 又在其中做了什么适配?我们可否自己实现一个 Spring Boot Starter 呢?本文将会对 Spring Boot Starter 剖析并自行实现一个 Spring Boot Starter 组件。
一、Spring Boot Starter 是什么?
Spring Boot Starter 是 Spring Boot 比较重要概念, 是一组方便的依赖描述符,可以将其包含在应用程序中。可以获得所需的所有 Spring 和相关技术的一站式服务,而无需寻找示例代码和复制粘贴依赖描述符负载。在 Spring Boot 中,Starter 是由一组 Maven 依赖项构成的,通常包含一个或者多个自动配置模块 (Auto-Configuration Module) ,这就是 Spring Boot 自动装配。比如我们需要开发 REST 服务,需要依赖 Spring MVC、Tomcat 和 Jackson 等依赖。但是在 Spring Boot 中只需要在项目 Maven pom.xml
加入以下 Starter 即可:
从上面示例来看,我们使用了相当少的配置创建了一个 REST 应用程序。
二、Spring Boot Starter 剖析
我们在前面介绍了 Starter 是什么以及如何快速创建 REST 应用程序,可以看到这只需要简单一个依赖和几行代码即可完成 REST 接口开发,那在没有 Spring Boot 和 Starter 情况下是如何进行开发呢?Spring Boot Starter 工作原理又是如何进行的?接下来让我们分别对纯 Spring 和 Spring Boot Starter 剖析 ,此处我们通过开发 Web 服务与 Dubbo 服务作为例子。
Spring
环境依赖
- JDK 1.8
- Maven 3
- Tomcat 8(需要依靠 Web 容器服务器才能启动)
- spring-webmvc 4.3.30.RELEASE
- dubbo 2.7.23
开发流程
-
目录结构与 Maven
demo-service
依赖内容1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
<dependencies> <!-- SpringMVC --> <dependency> <groupId>org.springframework</groupId> <artifactId>spring-webmvc</artifactId> <version>4.3.30.RELEASE</version> </dependency> <dependency> <groupId>javax.servlet</groupId> <artifactId>servlet-api</artifactId> <version>2.5</version> </dependency> <!-- 此处需要导入databind包即可, jackson-annotations、jackson-core都不需要显示自己的导入了--> <dependency> <groupId>com.fasterxml.jackson.core</groupId> <artifactId>jackson-databind</artifactId> <version>2.9.8</version> </dependency> <!-- Dubbo --> <dependency> <groupId>org.apache.dubbo</groupId> <artifactId>dubbo</artifactId> <version>2.7.23</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.apache.curator</groupId> <artifactId>curator-x-discovery</artifactId> <version>5.1.0</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.apache.zookeeper</groupId> <artifactId>zookeeper</artifactId> <version>3.8.0</version> </dependency> <!-- Demo AP --> <dependency> <groupId>com.demo</groupId> <artifactId>demo-api</artifactId> <version>1.0-SNAPSHOT</version> </dependency> </dependencies>
-
web/WEB-INF/web.xml
Java Web 配置 SpringMVC 入口1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <web-app xmlns="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee/web-app_4_0.xsd" version="4.0"> <!-- Spring监听器 --> <listener> <listener-class>org.springframework.web.context.ContextLoaderListener</listener-class> </listener> <context-param> <param-name>contextConfigLocation</param-name> <param-value>classpath:dubbo.xml</param-value> </context-param> <servlet> <servlet-name>springmvc</servlet-name> <servlet-class>org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet</servlet-class> <init-param> <param-name>contextConfigLocation</param-name> <param-value>classpath:mvc.xml</param-value> </init-param> </servlet> <servlet-mapping> <servlet-name>springmvc</servlet-name> <url-pattern>/</url-pattern> </servlet-mapping> </web-app>
-
SpringMVC 配置文件
mvc.xml
与 Dubbo 配置文件dubbo.xml
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?> <beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context" xmlns:mvc="http://www.springframework.org/schema/mvc" xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd http://www.springframework.org/schema/context http://www.springframework.org/schema/context/spring-context.xsd http://www.springframework.org/schema/mvc http://www.springframework.org/schema/mvc/spring-mvc.xsd"> <context:component-scan base-package="com.demo.controller"/> <!-- 开启 MVC 注解驱动 --> <mvc:annotation-driven/> <!-- 访问静态资源 --> <mvc:default-servlet-handler/> </beans>
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?> <beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans" xmlns:dubbo="http://dubbo.apache.org/schema/dubbo" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd http://dubbo.apache.org/schema/dubbo http://dubbo.apache.org/schema/dubbo/dubbo.xsd"> <!-- Dubbo --> <dubbo:application name="demo-service"/> <dubbo:registry address="zookeeper://127.0.0.1:2181"/> <dubbo:protocol name="dubbo" port="20880"/> <bean id="demoServiceImpl" class="com.demo.provider.DemoServiceImpl"/> <dubbo:service interface="com.demo.api.DemoService" ref="demoServiceImpl"/> </beans>
-
编写 Controller 接口与 Dubbo RPC 接口
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package com.demo.controller; import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping; import org.springframework.web.bind.annotation.RestController; @RestController public class HelloController { @GetMapping(value = "/say/hello") public HelloEntity sayHello() { return new HelloEntity("Hello World"); } }
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
package com.demo.provider; import com.demo.api.DemoService; import com.demo.dto.HelloEntity; public class DemoServiceImpl implements DemoService { @Override public HelloEntity sayHello() { return new HelloEntity("Hello World"); } }
-
以上还无法单独运行,需要将以上打包成
war
包放入到 Tomcat 才可运行。
剖析
从上面开发流程可以看到入口都在 web.xml
中,可以看到有一个监听器与一个 Servlet ,并且有初始化参数有 dubbo.xml
与 mvc.xml
在 Spring Boot 出现之前 Spring 都是以 XML 为配置方式描述 Bean 或者在 XML 配置注解驱动与上下文扫描方式解析 Bean的,所以我们从这里可以看出这里有两个 XML 文件。经过分析源代码整理出以下 XML 标签解析到 Bean 解析流程,如下:
- 由 Tomcat 启动加载
web.xml
并通过监听器和 Servlet 让 Spring 加载 XML 并解析。 - 直到
BeanDefinitionParserDelegate#parseCustomElement
开始解析自、定义标签,找到mvc:xxx
或dubbo:xxx
标签找到了 XML 命名空间。 DefaultNamespaceHandlerResolver
处理逻辑:以懒加载方式加载所有 jar 中META-INF/spring.handlers
(路径必须得是这个)并缓存到handlerMappings
,通过命名空间 URI 找到与之对应的处理类,SpringMVC 与 Dubbo 命名空间处理类分别为MvcNamespaceHandler
和DubboNamespaceHandler
MvcNamespaceHandler
和DubboNamespaceHandler
都分别实现了NamespaceHandler#init
方法,内容如下: init 方法都注册了 SpringMVC 与 Dubbo 标签对应的BeanDefinitionParser
到NamespaceHandlerSupport#parsers
,也是在上一步DefaultNamespaceHandlerResolver
根据标签获取到该标签的BeanDefinitionParser
从而将对应的 Bean 注册到 Spring IOC 容器里,注册逻辑不是本文内容这里就不多讲,至此 SpringMVC 与 Dubbo 加载流程已完成。
从以上加载流程可以看出,在没有 Spring Boot 之前,Spring 主要都是围绕着 XML 配置来启动,同时加载 XML 自定义标签找到对应命名空间,并且扫描找到 classpath 下 META-INF/spring.handlers
找到命名空间处理类来去解析当前标签。
Spring Boot
环境依赖
- JDK 1.8
- Maven 3
- spring-boot 2.6.9
- dubbo 2.7.23
开发流程
-
目录结构与 Maven
demo-spring-boot
依赖内容1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
<dependencies> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId> </dependency> <!-- dubbo --> <dependency> <groupId>org.apache.dubbo</groupId> <artifactId>dubbo-spring-boot-starter</artifactId> <version>2.7.23</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.apache.curator</groupId> <artifactId>curator-x-discovery</artifactId> <version>5.1.0</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.apache.zookeeper</groupId> <artifactId>zookeeper</artifactId> <version>3.8.0</version> </dependency> <dependency> <groupId>com.demo</groupId> <artifactId>demo-api</artifactId> <version>1.0-SNAPSHOT</version> </dependency> </dependencies>
-
应用程序入口
Application
,@EnableDubbo
开启Dubbo
组件1 2 3 4 5 6 7 8
@SpringBootApplication public class DemoSpringBootApplication { public static void main(String[] args) { SpringApplication.run(DemoSpringBootApplication.class, args); } }
-
application.yml
文件内容1 2 3 4 5 6 7 8
dubbo: application: name: demo-provider protocol: port: 20880 name: dubbo registry: address: zookeeper://127.0.0.1:2181
-
编写 Controller 接口与 Dubbo RPC 接口
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package com.demo.controller; import com.demo.dto.HelloEntity; import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping; import org.springframework.web.bind.annotation.RestController; @RestController public class HelloController { @GetMapping(value = "/say/hello") public HelloEntity sayHello() { return new HelloEntity("Hello World"); } }
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
package com.demo.provider; import com.demo.api.DemoService; import com.demo.dto.HelloEntity; @DubboService public class DemoServiceImpl implements DemoService { @Override public HelloEntity sayHello() { return new HelloEntity("Hello World"); } }
-
由于
spring-boot-starter-web
已经内嵌 tomcat ,只需要直接运行DemoSpringBootApplication#main
方法即可运行应用
剖析
从开发流程上没办法第一时间找到解析入口,唯一入口就是在 DemoSpringBootApplication
,经过源代码分析得出以下流程:
-
应用
DemoSpringBootApplication
类上有@SpringBootApplication
注解,而该注解由以下三个注解组成:-
@SpringBootConfiguration
,标注当前类为一个配置类,与@Configuration
注解功能一致 ,被@Configuration
注解的类对应 Spring 的 XML 版的容器。 -
@EnableAutoConfiguration
,开启启动自动装配的关键,由@AutoConfigurationPackage
与@Import(AutoConfigurationImportSelector.class)
组成 -
@ComponentScan
,按照当前类路径扫描含有@Service
、@Controller
等等注解的类,等同于 Spring XML 中的context:component-scan
。
-
-
Spring Boot 自动装配由
@EnableAutoConfiguration
导入的AutoConfigurationImportSelector
类,会调用SpringFactoriesLoader#loadFactoryNames
从 ClassPath 下扫描所有 jar 包的META-INF/spring.factories
内容,由于传入的EnableAutoConfiguration.class
,只会返回org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration
key 的值,得到一个全限定类名字符串数组configurations
。 -
configurations
经过去重与声明式排除后,会进行以下进行过滤自动装配:1
configurations = getConfigurationClassFilter().filter(configurations)
分成两部分:获取过滤器和执行过滤。
-
getConfigurationClassFilter()
,也是通过SpringFactoriesLoader#loadFactoryNames
在META-INF/spring.factories
找到 Key 为org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigurationImportFilter
的值,目前只有:OnBeanCondition
、OnClassCondition
、OnClassCondition
三个过滤器。 -
执行过滤,会根据配置类上含有
@ConditionOnBean
、@ConditionalOnClass
、@ConditionalOnWebApplication
等等条件注解来过滤掉部分配置类。比如WebMvcAutoConfiguration
指定需要在@ConditionOnWebApplication
下才生效。
-
-
在引入各类 Configuration 的配置类后,配置类结合
@Bean
来完成 Spring Bean 解析和注入,同时 Spring Boot 还提供了许多@ConditionalXXX
给开发者完成灵活注入。
以上就是 Spring Boot 自动装配过程,Spring Boot 利用被 @Configuration
注解的配置类来代替 Spring XML 完成 Bean 的注入,然后由 SpringFactoriesLoader
最终加载 META-INF/spring.factories
中的自动配置类实现自动装配过程,依靠约定大于配置的思想,如果开发的 Starter 想要被生效就需要按照 Spring Boot 的约定。
小结
通过 Spring 与 Spring Boot 开发流程对比,可以看到 Spring Boot 使用相当少的代码和配置完成了 Web 与 Dubbo 独立应用开发,这里也是得益于 Spring Boot Starter 自动装配的能力,自动配置是 Spring Boot 的主要功能。通过消除定义一些属于自动配置类一部分的 Bean 的需要自动配置可以帮忙加速和简单的开发
SPI
我们从上面剖析发现,两者都使用了一项机制去加载引入的 jar 包中的配置文件加载对应类,那就是 SPI (Service Provider Interface)
SPI (Service Provider Interface), 是 Java 内置的一种服务提供发现机制,提高框架的扩展性。
Java SPI
Java 内置的 SPI 通过 java.util.ServiceLoader
类解析 Classpath 和 jar 包的 META-INF/services
目录下的以接口全限定名命名的文件,并加载该文件中指定的接口实现类,以此完成调用。
但是 Java SPI 会有一定不足:
-
不能做到按需加载,需要遍历所有的实现并实例化,然后在循环中找到所需要的实现。
-
多个并发多线程使用
ServiceLoader
类的实例不安全 -
加载不到实现类时抛出并不是真正原因的异常,错误难定位。
Spring SPI
Spring SPI 沿用了 Java SPI ,但是在实现上和 Java SPI 存在差异,但是核心机制相同,在不修改 Spring 源码前提下,可以做到对 Spring 框架的扩展开发。
-
在 Spring XML 中,由
DefaultNamespaceHandlerResolver
负责解析spring.handlers
生成 namespaceUri 和 NamespaceHandler 名称的映射,等有需要时在进行实例化。 -
在 Spring Boot 中,由
SpringFactoriesLoader
负责解析spring.factories
文件,并将指定接口的所有实现类/全限定类名返回。
Spring Boot 2.7.0
在本文中 Spring Boot 自动装配使用了 SPI 来加载到 EnableAutoConfiguration
所指定的自动装配的类名,但在 Spring Boot 2.7.0 之后自动装配 SPI 机制有所改动,META-INF/spring.factories
将废弃,同时在 Spring Boot 3 以上会将相关代码移除,;改动如下:
-
新的注解:
@AutoConfiguration
代替@Configuration
-
读取自动装配的类文件位置改为:
META-INF/spring/org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfiguration.imports
,并且实现类全限定类名按照一行一个 -
由
org.springframework.boot.context.annotation.ImportCandidates#load
负责解析META-INF/spring/%s.imports
,其中%s
是接口名的占位符
三、Spring Boot Stater 实践
在使用 spring-boot-starter-jdbc
或者 spring-boot-starter-jpa
等数据库操作时,通常会引入一个数据库数据源连接池,比如:HikariCP
、DBCP
等,同时可随意切换依赖而不需要去更改任何业务代码,开发人员也无需关注底层实现,在此我们自定义一个 Starter 同时也实现这种功能。因为我们以开发一个分布式锁的 Starter 并拥有多个实现:Zookeeper、Redis。 在此使用 Spring Boot 2.6.9 版本。
开发
项目结构与 Maven 依赖
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在依赖里可以看到 Zookeeper 和 Redis 依赖关系被设置为 providerd
,作用为编译与测试阶段使用,不会随着项目一起发布。即打包时不会带上该依赖。该设置在 Spring Boot Starter 作用较大,后面会提到。
分布式锁接口与实现
接口
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Redis 实现
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Zookeeper 实现
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DistributedLockAutoConfiguration 配置类
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@EnableConfigurationProperties(DistributedLockProperties.class)
开启配置类 Properties 信息,会将配置文件里的信息注入 Properties 类里。 -
@Configuration
配置注解 -
@ConditionalOnClass(CuratorFramework.class)
条件注解,要求存在CuratorFramework
类当前配置类才生效,Redis 的子配置类同理。 -
@ConditionalOnMissingBean(DistributedLock.class)
条件注解,Spring 不存在DistributedLock
Bean 当前配置类才生效。 -
@ConditionalOnProperty(name = "distributed.lock.type", havingValue = "zookeeper", matchIfMissing = true)
条件注解,这里判断配置文件distributed.lock.type
等于zookeeper
才生效,当如果没配置则默认当做zookeeper
-
@Bean
将方法返回的 Bean 注入到 Spring IOC 容器里,方法入参中含依赖的 Bean
spring.factories
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我们只需要将该文件放到 resource/META-INF/spring.factories
下,就会被 Spring Boot 加载,这也是 Spring Boot 的约定大于配置的思想。
使用
Maven 依赖关系
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此处结合 Maven profile 功能按照不同环境依赖不同分布式锁底层实现,同时 Spring Boot 也提供了 Spring Boot Profile 加载不同配置,可以从开发、测试、生产环境使用不同底层了,同时 Maven profile 可以根据 -P
指定加载不同的依赖进行打包,解决了不同环境使用不同分布式锁实现。
代码使用
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业务代码中由于依赖的是接口,结合 Spring Boot Starter + Maven Profile 不管依赖哪个分布式锁实现,都无需去修改代码。
四、总结
通过本文 Spring 与 Spring Boot 对比,在开发流程上,Spring Boot 相对 Spring XML 减少了很多代码,同时依赖关系上我们只需要引入一个即可;在工作原理上,虽然都使用了 SPI 机制,实现上略有不同,但目标都是保留了扩展性。 通过自定义一个 Spring Boot Starter 了解到 Spring Boot 的约定大于配置思想,同时可以结合 Maven Profile 机制我们可以在不同环境使用不同的底层实现。