springboot之启动原理解析

前言

SpringBoot为我们做的自动配置，确实方便快捷，但是对于新手来说，如果不大懂SpringBoot内部启动原理，以后难免会吃亏。所以这次博主就跟你们一起一步步揭开SpringBoot的神秘面纱，让它不在神秘。

正文

我们开发任何一个Spring Boot项目，都会用到如下的启动类

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

从上面代码可以看出，Annotation定义（@SpringBootApplication）和类定义（SpringApplication.run）最为耀眼，所以要揭开SpringBoot的神秘面纱，我们要从这两位开始就可以了。

SpringBootApplication背后的秘密

@Target(ElementType.TYPE)            // 注解的适用范围，其中TYPE用于描述类、接口（包括包注解类型）或enum声明
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)  // 注解的生命周期，保留到class文件中（三个生命周期）
@Documented                          // 表明这个注解应该被javadoc记录
@Inherited                           // 子类可以继承该注解
@SpringBootConfiguration             // 继承了Configuration，表示当前是注解类
@EnableAutoConfiguration             // 开启springboot的注解功能，springboot的四大神器之一，其借助@import的帮助
@ComponentScan(excludeFilters = {    // 扫描路径设置（具体使用待确认）
        @Filter(type = FilterType.CUSTOM, classes = TypeExcludeFilter.class),
        @Filter(type = FilterType.CUSTOM, classes = AutoConfigurationExcludeFilter.class) })
public @interface SpringBootApplication {
...
}

虽然定义使用了多个Annotation进行了原信息标注，但实际上重要的只有三个Annotation：

• @Configuration（@SpringBootConfiguration点开查看发现里面还是应用了@Configuration）
• @EnableAutoConfiguration
• @ComponentScan

所以，如果我们使用如下的SpringBoot启动类，整个SpringBoot应用依然可以与之前的启动类功能对等：

@Configuration
@EnableAutoConfiguration
@ComponentScan
public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }
}

每次写这3个比较累，所以写一个@SpringBootApplication方便点。接下来分别介绍这3个Annotation。

@Configuration

这里的@Configuration对我们来说不陌生，它就是JavaConfig形式的Spring Ioc容器的配置类使用的那个@Configuration，SpringBoot社区推荐使用基于JavaConfig的配置形式，所以，这里的启动类标注了@Configuration之后，本身其实也是一个IoC容器的配置类。
举几个简单例子回顾下，XML跟config配置方式的区别：

• 表达形式层面
  基于XML配置的方式是这样：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       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-3.0.xsd"
       default-lazy-init="true">
    <!--bean定义-->
</beans>

而基于JavaConfig的配置方式是这样：

@Configuration
public class MockConfiguration{
    //bean定义
}

任何一个标注了@Configuration的Java类定义都是一个JavaConfig配置类。

• 注册bean定义层面
  基于XML的配置形式是这样：

<bean id="mockService" class="..MockServiceImpl">
    ...
</bean>

而基于JavaConfig的配置形式是这样的：

@Configuration
public class MockConfiguration{
    @Bean
    public MockService mockService(){
        return new MockServiceImpl();
    }
}

任何一个标注了@Bean的方法，其返回值将作为一个bean定义注册到Spring的IoC容器，方法名将默认成该bean定义的id。

• 表达依赖注入关系层面
  为了表达bean与bean之间的依赖关系，在XML形式中一般是这样：

<bean id="mockService" class="..MockServiceImpl">
    <propery name ="dependencyService" ref="dependencyService" />
</bean>
 
<bean id="dependencyService" class="DependencyServiceImpl"></bean>

而基于JavaConfig的配置形式是这样的：

@Configuration
public class MockConfiguration{
    @Bean
    public MockService mockService(){
        return new MockServiceImpl(dependencyService());
    }
 
    @Bean
    public DependencyService dependencyService(){
        return new DependencyServiceImpl();
    }
}

如果一个bean的定义依赖其他bean,则直接调用对应的JavaConfig类中依赖bean的创建方法就可以了。

@ComponentScan

@ComponentScan这个注解在Spring中很重要，它对应XML配置中的元素，@ComponentScan的功能其实就是自动扫描并加载符合条件的组件（比如@Component和@Repository等）或者bean定义，最终将这些bean定义加载到IoC容器中。

我们可以通过basePackages等属性来细粒度的定制@ComponentScan自动扫描的范围，如果不指定，则默认Spring框架实现会从声明@ComponentScan所在类的package进行扫描。

注：所以SpringBoot的启动类最好是放在root package下，因为默认不指定basePackages。

@EnableAutoConfiguration

个人感觉@EnableAutoConfiguration这个Annotation最为重要，所以放在最后来解读，大家是否还记得Spring框架提供的各种名字为@Enable开头的Annotation定义？比如@EnableScheduling、@EnableCaching、@EnableMBeanExport等，@EnableAutoConfiguration的理念和做事方式其实一脉相承，简单概括一下就是，借助@Import的支持，收集和注册特定场景相关的bean定义。

• @EnableScheduling是通过@Import将Spring调度框架相关的bean定义都加载到IoC容器。
• @EnableMBeanExport是通过@Import将JMX相关的bean定义加载到IoC容器。

而@EnableAutoConfiguration也是借助@Import的帮助，将所有符合自动配置条件的bean定义加载到IoC容器，仅此而已！

@EnableAutoConfiguration作为一个复合Annotation,其自身定义关键信息如下：

@SuppressWarnings("deprecation")
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
@AutoConfigurationPackage
@Import(EnableAutoConfigurationImportSelector.class)
public @interface EnableAutoConfiguration {
    ...
}

两个比较重要的注解：

• @AutoConfigurationPackage：自动配置包

• @Import: 导入自动配置的组件

AutoConfigurationPackage注解：

1     static class Registrar implements ImportBeanDefinitionRegistrar, DeterminableImports {
2
3         @Override
4         public void registerBeanDefinitions(AnnotationMetadata metadata,
5                 BeanDefinitionRegistry registry) {
6             register(registry, new PackageImport(metadata).getPackageName());
7         }

它其实是注册了一个Bean的定义。

new PackageImport(metadata).getPackageName()，它其实返回了当前主程序类的 同级以及子级     的包组件。

以上图为例，DemoApplication是和demo包同级，但是demo2这个类是DemoApplication的父级，和example包同级

也就是说，DemoApplication启动加载的Bean中，并不会加载demo2，这也就是为什么，我们要把DemoApplication放在项目的最高级中。

Import(AutoConfigurationImportSelector.class)注解：

可以从图中看出  AutoConfigurationImportSelector 继承了 DeferredImportSelector 继承了 ImportSelector

ImportSelector有一个方法为：selectImports。

@Override
    public String[] selectImports(AnnotationMetadata annotationMetadata) {
        if (!isEnabled(annotationMetadata)) {
            return NO_IMPORTS;
        }
        AutoConfigurationMetadata autoConfigurationMetadata = AutoConfigurationMetadataLoader
                .loadMetadata(this.beanClassLoader);
        AnnotationAttributes attributes = getAttributes(annotationMetadata);
        List<String> configurations = getCandidateConfigurations(annotationMetadata,
                attributes);
        configurations = removeDuplicates(configurations);
        Set<String> exclusions = getExclusions(annotationMetadata, attributes);
        checkExcludedClasses(configurations, exclusions);
        configurations.removeAll(exclusions);
        configurations = filter(configurations, autoConfigurationMetadata);
        fireAutoConfigurationImportEvents(configurations, exclusions);
        return StringUtils.toStringArray(configurations);
    }

可以看到第九行，它其实是去加载  public static final String FACTORIES_RESOURCE_LOCATION = "META-INF/spring.factories";外部文件。这个外部文件，有很多自动配置的类。如下：

其中，最关键的要属@Import(EnableAutoConfigurationImportSelector.class)，借助EnableAutoConfigurationImportSelector，@EnableAutoConfiguration可以帮助SpringBoot应用将所有符合条件的@Configuration配置都加载到当前SpringBoot创建并使用的IoC容器。就像一只“八爪鱼”一样。

自动配置幕后英雄：SpringFactoriesLoader详解

借助于Spring框架原有的一个工具类：SpringFactoriesLoader的支持，@EnableAutoConfiguration可以智能的自动配置功效才得以大功告成！

SpringFactoriesLoader属于Spring框架私有的一种扩展方案，其主要功能就是从指定的配置文件META-INF/spring.factories加载配置。

public abstract class SpringFactoriesLoader {
    //...
    public static <T> List<T> loadFactories(Class<T> factoryClass, ClassLoader classLoader) {
        ...
    }
 
    public static List<String> loadFactoryNames(Class<?> factoryClass, ClassLoader classLoader) {
        ....
    }
}

配合@EnableAutoConfiguration使用的话，它更多是提供一种配置查找的功能支持，即根据@EnableAutoConfiguration的完整类名org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration作为查找的Key,获取对应的一组@Configuration类

上图就是从SpringBoot的autoconfigure依赖包中的META-INF/spring.factories配置文件中摘录的一段内容，可以很好地说明问题。

所以，@EnableAutoConfiguration自动配置的魔法骑士就变成了：从classpath中搜寻所有的META-INF/spring.factories配置文件，并将其中org.springframework.boot.autoconfigure.EnableutoConfiguration对应的配置项通过反射（Java Refletion）实例化为对应的标注了@Configuration的JavaConfig形式的IoC容器配置类，然后汇总为一个并加载到IoC容器。

SpringBoot的启动原理基本算是讲完了，为了方便记忆，我根据上面的分析画了张图

深入探索SpringApplication执行流程

SpringApplication的run方法的实现是我们本次旅程的主要线路，该方法的主要流程大体可以归纳如下：

1） 如果我们使用的是SpringApplication的静态run方法，那么，这个方法里面首先要创建一个SpringApplication对象实例，然后调用这个创建好的SpringApplication的实例方法。在SpringApplication实例初始化的时候，它会提前做几件事情：

public static ConfigurableApplicationContext run(Object[] sources, String[] args) {
        return new SpringApplication(sources).run(args);
    }

• 根据classpath里面是否存在某个特征类（org.springframework.web.context.ConfigurableWebApplicationContext）来决定是否应该创建一个为Web应用使用的ApplicationContext类型。
• 使用SpringFactoriesLoader在应用的classpath中查找并加载所有可用的ApplicationContextInitializer。
• 使用SpringFactoriesLoader在应用的classpath中查找并加载所有可用的ApplicationListener。
• 推断并设置main方法的定义类。

@SuppressWarnings({ "unchecked", "rawtypes" })
    private void initialize(Object[] sources) {
        if (sources != null && sources.length > 0) {
            this.sources.addAll(Arrays.asList(sources));
        }
        this.webEnvironment = deduceWebEnvironment();
        setInitializers((Collection) getSpringFactoriesInstances(
                ApplicationContextInitializer.class));
        setListeners((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationListener.class));
        this.mainApplicationClass = deduceMainApplicationClass();
    }

2） SpringApplication实例初始化完成并且完成设置后，就开始执行run方法的逻辑了，方法执行伊始，首先遍历执行所有通过SpringFactoriesLoader可以查找到并加载的SpringApplicationRunListener。调用它们的started()方法，告诉这些SpringApplicationRunListener，“嘿，SpringBoot应用要开始执行咯！”。

public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {
        StopWatch stopWatch = new StopWatch();
        stopWatch.start();
        ConfigurableApplicationContext context = null;
        FailureAnalyzers analyzers = null;
        configureHeadlessProperty();
        SpringApplicationRunListeners listeners = getRunListeners(args);
        listeners.starting();
        try {
            ApplicationArguments applicationArguments = new DefaultApplicationArguments(
                    args);
            ConfigurableEnvironment environment = prepareEnvironment(listeners,
                    applicationArguments);
            Banner printedBanner = printBanner(environment);
            context = createApplicationContext();
            analyzers = new FailureAnalyzers(context);
            prepareContext(context, environment, listeners, applicationArguments,
                    printedBanner);
　　　　　　　// 核心点：会打印springboot的启动标志，直到server.port端口启动
            refreshContext(context);
            afterRefresh(context, applicationArguments);
            listeners.finished(context, null);
            stopWatch.stop();
            if (this.logStartupInfo) {
                new StartupInfoLogger(this.mainApplicationClass)
                        .logStarted(getApplicationLog(), stopWatch);
            }
            return context;
        }
        catch (Throwable ex) {
            handleRunFailure(context, listeners, analyzers, ex);
            throw new IllegalStateException(ex);
        }
    }

3） 创建并配置当前Spring Boot应用将要使用的Environment（包括配置要使用的PropertySource以及Profile）。

private ConfigurableEnvironment prepareEnvironment(
            SpringApplicationRunListeners listeners,
            ApplicationArguments applicationArguments) {
        // Create and configure the environment
        ConfigurableEnvironment environment = getOrCreateEnvironment();
        configureEnvironment(environment, applicationArguments.getSourceArgs());
        listeners.environmentPrepared(environment);
        if (!this.webEnvironment) {
            environment = new EnvironmentConverter(getClassLoader())
                    .convertToStandardEnvironmentIfNecessary(environment);
        }
        return environment;
    }

4） 遍历调用所有SpringApplicationRunListener的environmentPrepared()的方法，告诉他们：“当前SpringBoot应用使用的Environment准备好了咯！”。

public void environmentPrepared(ConfigurableEnvironment environment) {
        for (SpringApplicationRunListener listener : this.listeners) {
            listener.environmentPrepared(environment);
        }
    }

5） 如果SpringApplication的showBanner属性被设置为true，则打印banner。

private Banner printBanner(ConfigurableEnvironment environment) {
        if (this.bannerMode == Banner.Mode.OFF) {
            return null;
        }
        ResourceLoader resourceLoader = this.resourceLoader != null ? this.resourceLoader
                : new DefaultResourceLoader(getClassLoader());
        SpringApplicationBannerPrinter bannerPrinter = new SpringApplicationBannerPrinter(
                resourceLoader, this.banner);
        if (this.bannerMode == Mode.LOG) {
            return bannerPrinter.print(environment, this.mainApplicationClass, logger);
        }
        return bannerPrinter.print(environment, this.mainApplicationClass, System.out);
    }

6） 根据用户是否明确设置了applicationContextClass类型以及初始化阶段的推断结果，决定该为当前SpringBoot应用创建什么类型的ApplicationContext并创建完成，然后根据条件决定是否添加ShutdownHook，决定是否使用自定义的BeanNameGenerator，决定是否使用自定义的ResourceLoader，当然，最重要的，将之前准备好的Environment设置给创建好的ApplicationContext使用。

7） ApplicationContext创建好之后，SpringApplication会再次借助Spring-FactoriesLoader，查找并加载classpath中所有可用的ApplicationContext-Initializer，然后遍历调用这些ApplicationContextInitializer的initialize（applicationContext）方法来对已经创建好的ApplicationContext进行进一步的处理。

@SuppressWarnings({ "rawtypes", "unchecked" })
    protected void applyInitializers(ConfigurableApplicationContext context) {
        for (ApplicationContextInitializer initializer : getInitializers()) {
            Class<?> requiredType = GenericTypeResolver.resolveTypeArgument(
                    initializer.getClass(), ApplicationContextInitializer.class);
            Assert.isInstanceOf(requiredType, context, "Unable to call initializer.");
            initializer.initialize(context);
        }
    }

8） 遍历调用所有SpringApplicationRunListener的contextPrepared()方法。

private void prepareContext(ConfigurableApplicationContext context,
            ConfigurableEnvironment environment, SpringApplicationRunListeners listeners,
            ApplicationArguments applicationArguments, Banner printedBanner) {
        context.setEnvironment(environment);
        postProcessApplicationContext(context);
        applyInitializers(context);
        listeners.contextPrepared(context);
        if (this.logStartupInfo) {
            logStartupInfo(context.getParent() == null);
            logStartupProfileInfo(context);
        }
 
        // Add boot specific singleton beans
        context.getBeanFactory().registerSingleton("springApplicationArguments",
                applicationArguments);
        if (printedBanner != null) {
            context.getBeanFactory().registerSingleton("springBootBanner", printedBanner);
        }
 
        // Load the sources
        Set<Object> sources = getSources();
        Assert.notEmpty(sources, "Sources must not be empty");
        load(context, sources.toArray(new Object[sources.size()]));
        listeners.contextLoaded(context);
    }

9） 最核心的一步，将之前通过@EnableAutoConfiguration获取的所有配置以及其他形式的IoC容器配置加载到已经准备完毕的ApplicationContext。

private void prepareAnalyzer(ConfigurableApplicationContext context,
            FailureAnalyzer analyzer) {
        if (analyzer instanceof BeanFactoryAware) {
            ((BeanFactoryAware) analyzer).setBeanFactory(context.getBeanFactory());
        }
    }

10） 遍历调用所有SpringApplicationRunListener的contextLoaded()方法。

public void contextLoaded(ConfigurableApplicationContext context) {
        for (SpringApplicationRunListener listener : this.listeners) {
            listener.contextLoaded(context);
        }
    }

11） 调用ApplicationContext的refresh()方法，完成IoC容器可用的最后一道工序。

private void refreshContext(ConfigurableApplicationContext context) {
        refresh(context);
        if (this.registerShutdownHook) {
            try {
                context.registerShutdownHook();
            }
            catch (AccessControlException ex) {
                // Not allowed in some environments.
            }
        }
    }

12） 查找当前ApplicationContext中是否注册有CommandLineRunner，如果有，则遍历执行它们。

private void callRunners(ApplicationContext context, ApplicationArguments args) {
        List<Object> runners = new ArrayList<Object>();
        runners.addAll(context.getBeansOfType(ApplicationRunner.class).values());
        runners.addAll(context.getBeansOfType(CommandLineRunner.class).values());
        AnnotationAwareOrderComparator.sort(runners);
        for (Object runner : new LinkedHashSet<Object>(runners)) {
            if (runner instanceof ApplicationRunner) {
                callRunner((ApplicationRunner) runner, args);
            }
            if (runner instanceof CommandLineRunner) {
                callRunner((CommandLineRunner) runner, args);
            }
        }
    }

13） 正常情况下，遍历执行SpringApplicationRunListener的finished()方法、（如果整个过程出现异常，则依然调用所有SpringApplicationRunListener的finished()方法，只不过这种情况下会将异常信息一并传入处理）
去除事件通知点后，整个流程如下：

public void finished(ConfigurableApplicationContext context, Throwable exception) {
        for (SpringApplicationRunListener listener : this.listeners) {
            callFinishedListener(listener, context, exception);
        }
    }

总结

到此，SpringBoot的核心组件完成了基本的解析，综合来看，大部分都是Spring框架背后的一些概念和实践方式，SpringBoot只是在这些概念和实践上对特定的场景事先进行了固化和升华，而也恰恰是这些固化让我们开发基于Sping框架的应用更加方便高效。