开发框架-Spring Boot

【Spring Boot 源码学习】初识 SpringApplication

引言

往期的博文，Huazie 围绕 Spring Boot 的核心功能，带大家从总整体上了解 Spring Boot 自动配置的原理以及自动配置核心组件的运作过程。这些内容大家需要重点关注，只有了解这些基础的组件和功能，我们在后续集成其他三方类库的 Starters 时，才能够更加清晰地了解它们都运用了自动配置的哪些功能。

在学习上述 Spring Boot 核心功能的过程中，相信大家可能都会尝试启动自己新建的 Spring Boot 的项目，并 Debug 看看具体的执行过程。本篇开始就将从 Spring Boot 的启动类 SpringApplication 上入手，带领大家了解 Spring Boot 启动过程中所涉及到的源码和知识点。

主要内容

1. Spring Boot 应用程序的启动

在 《【Spring Boot 源码学习】@SpringBootApplication 注解》这篇博文中，我们新建了一个基于 Spring Boot 的测试项目。

如上图中的 DemoApplication 就是我们这里 Spring Boot 项目的入口类。

同时，我们可以看到 DemoApplication 的 main 方法中，直接调用了 SpringApplication 的静态方法 run，用于启动整个 Spring Boot 项目。

先来看看 run 方法的源码：

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public static ConfigurableApplicationContext run(Class<?> primarySource, String... args) {
    return run(new Class<?>[] { primarySource }, args);
}

public static ConfigurableApplicationContext run(Class<?>[] primarySources, String[] args) {
    return new SpringApplication(primarySources).run(args);
}

阅读上述 run 方法，我们可以看到实际上是 new 了一个SpringApplication 对象【其构造参数 primarySources 为加载的主要资源类，通常就是 SpringBoot 的入口类】，并调用其 run 方法【其参数 args 为传递给应用程序的参数信息】启动，然后返回一个应用上下文对象 ConfigurableApplicationContext 。

通过观察这个内部的 run 方法实现，我们也可以在自己的 Spring Boot 启动入口类中，像如下这样去写 ：

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@SpringBootApplication
public class DemoApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication springApplication = new SpringApplication(DemoApplication.class);
        // 这里可以调用 SpringApplication 提供的 setXX 或 addXX 方法来定制化设置
        springApplication.run(args);
    }

}

2. SpringApplication 的实例化

上面已经看到我们在实例化 SpringApplication 了，废话不多说，直接翻看其源码【Spring Boot 2.7.9】：

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public SpringApplication(Class<?>... primarySources) {
    this(null, primarySources);
}

@SuppressWarnings({ "unchecked", "rawtypes" })
public SpringApplication(ResourceLoader resourceLoader, Class<?>... primarySources) {
    this.resourceLoader = resourceLoader;
    Assert.notNull(primarySources, "PrimarySources must not be null");
    this.primarySources = new LinkedHashSet<>(Arrays.asList(primarySources));
    // 推断web应用类型
    this.webApplicationType = WebApplicationType.deduceFromClasspath();
    // 加载并初始化 BootstrapRegistryInitializer及其实现类
    this.bootstrapRegistryInitializers = new ArrayList<>(
            getSpringFactoriesInstances(BootstrapRegistryInitializer.class));
    // 加载并初始化 ApplicationContextInitializer及其实现类
    setInitializers((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationContextInitializer.class));
    // 加载并初始化ApplicationListener及其实现类
    setListeners((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationListener.class));
    // 推断入口类
    this.mainApplicationClass = deduceMainApplicationClass();
}

由上可知，SpringApplication 提供了两个构造方法，而其核心的逻辑都在第二个构造方法中实现。

2.1 构造方法参数

我们从上述源码可知，SpringApplication 的第二个构造方法有两个参数，分别是：

  • ResourceLoader resourceLoader ：ResourceLoader 为资源加载的接口，它用于在Spring Boot 启动时打印对应的 banner 信息，默认采用的就是 DefaultResourceLoader。实操过程中，如果未按照 Spring Boot 的 “约定” 将 banner 的内容放置于 classpath 下，或者文件名不是 banner.* 格式，默认资源加载器是无法加载到对应的 banner 信息的，此时则可通过 ResourceLoader 来指定需要加载的文件路径【这个后面我们专门来实操一下，敬请期待】。
  • Class<?>... primarySources ：主要的 bean 来源，该参数为可变参数，默认我们会传入 Spring Boot 的入口类【即 main 方法所在的类】，如上面我们的 DemoApplication 。如果作为项目的引导类，该类需要满足一个条件，就是被注解 @EnableAutoConfiguration 或其组合注解标注。在前面的《【Spring Boot 源码学习】@SpringBootApplication 注解》博文中，我们已经知道 @SpringBootApplication 注解中包含了 @EnableAutoConfiguration 注解，因此被 @SpringBootApplication 注解标注的类也可作为参数传入。当然，primarySources 也可传入其他普通类，但只有传入被@EnableAutoConfiguration 标注的类才能够开启 Spring Boot 的自动配置。

有些朋友，可能对 primarySources 这个可变参数的描述有点疑惑，下面我们就用实例来演示以其他引导类为入口类进行 Spring Boot 项目启动：

  • 首先，我们在入口类 DemoApplication 的同级目录创建一个SecondApplication类，使用 @SpringBootApplication 进行注解。

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    @SpringBootApplication
    public class SecondApplication {
    }

  • 然后，将 DemoApplication 修改成如下：

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

  • 最后，我们来运行 DemoApplication 的 main 方法。

    从上图可以看出，我们的应用依然能正常启动，并完成自动配置。因此，决定 Spring Boot 启动的入口类并不是一定是 main 方法所在类，而是直接或间接被 @EnableAutoConfiguration 标注的类。

翻看 SpringApplication 的源码，我们在其中还能看到它提供了追加 primarySources 的方法，如下所示：

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public void addPrimarySources(Collection<Class<?>> additionalPrimarySources) {
    this.primarySources.addAll(additionalPrimarySources);
}

如果采用 1 中最后的方式启动 Spring Boot ，我们就可以调用 addPrimarySources 方法来追加额外的 primarySources。

我们继续回到 SpringApplication 的构造方法里，可以看到如下的代码：

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this.primarySources = new LinkedHashSet<>(Arrays.asList(primarySources));

上述这里将 primarySources 参数转换为 LinkedHashSet 集合，并赋值给SpringApplication 的私有成员变量 Set<Class<?>> primarySources。

知识点： LinkedHashSet 是 Java 集合框架中的类，它继承自 HashSet，因此具有哈希表的查找性能。这是一个同时使用链表和哈希表特性的数据结构，其中链表用于维护元素的插入顺序。也即是说，当你向 LinkedHashSet 添加元素时，元素将按照添加的顺序被存储，并且能够被遍历输出。
此外，LinkedHashSet 还确保了 元素的唯一性，即重复的元素在集合中只会存在一份。
如果需要频繁遍历集合，那么 LinkedHashSet 可能会比 HashSet 效率更高，因为其通过维护一个双向链表来记录元素的添加顺序，从而支持按照插入顺序排序的迭代。但需要注意的是，LinkedHashSet 是非线程安全的，如果有多个线程同时访问该集合容器，可能会引发并发问题。

2.2 Web 应用类型推断

我们继续往下翻看源码，这里调用了 WebApplicationType 的deduceFromClasspath 方法来进行 Web 应用类型的推断。

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this.webApplicationType = WebApplicationType.deduceFromClasspath();

我们继续翻看 WebApplicationType 的源码：

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public enum WebApplicationType {
    // 非Web应用类型
    NONE,
    // 基于Servlet的Web应用类型
    SERVLET,
    // 基于reactive的Web应用类型
    REACTIVE;

    private static final String[] SERVLET_INDICATOR_CLASSES = { "javax.servlet.Servlet",
            "org.springframework.web.context.ConfigurableWebApplicationContext" };

    private static final String WEBMVC_INDICATOR_CLASS = "org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet";

    private static final String WEBFLUX_INDICATOR_CLASS = "org.springframework.web.reactive.DispatcherHandler";

    private static final String JERSEY_INDICATOR_CLASS = "org.glassfish.jersey.servlet.ServletContainer";

    static WebApplicationType deduceFromClasspath() {
        if (ClassUtils.isPresent(WEBFLUX_INDICATOR_CLASS, null) && !ClassUtils.isPresent(WEBMVC_INDICATOR_CLASS, null)
                && !ClassUtils.isPresent(JERSEY_INDICATOR_CLASS, null)) {
            return WebApplicationType.REACTIVE;
        }
        for (String className : SERVLET_INDICATOR_CLASSES) {
            if (!ClassUtils.isPresent(className, null)) {
                return WebApplicationType.NONE;
            }
        }
        return WebApplicationType.SERVLET;
    }
}

WebApplicationType 是一个定义了可能的Web应用类型的枚举类，该枚举类中包含了三块逻辑：

  • 枚举类型 ：非 Web 应用、基于 Servlet 的 Web 应用和基于 reactive 的 Web 应用。
  • 用于下面推断的常量
  • 推断类型的方法 deduceFromClasspath ：
    • 当 DispatcherHandler 存在，并且 DispatcherServlet 和 ServletContainer 都不存在，则返回类型为 WebApplicationType.REACTIVE。
    • 当 Servlet 或 ConfigurableWebApplicationContext 任何一个不存在时，则说明当前应用为非 Web 应用，返回 WebApplicationType.NONE。
    • 当应用不为 reactive Web 应用，并且 Servlet 和ConfigurableWebApplicationContext 都存在的情况下，则返回 WebApplicationType.SERVLET。

在上述的 deduceFromClasspath 方法中，我们可以看到，在判断的过程中使用到了 ClassUtils 的 isPresent 方法。该工具类方法就是通过反射创建指定的类，根据在创建过程中是否抛出异常来判断该类是否存在。

2.3 加载 BootstrapRegistryInitializer

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this.bootstrapRegistryInitializers = new ArrayList<>(
        getSpringFactoriesInstances(BootstrapRegistryInitializer.class));

上述逻辑用于加载并初始化 BootstrapRegistryInitializer 及其相关的类。

BootstrapRegistryInitializer 是 Spring Cloud Config 的组件之一，它的作用是在应用程序启动时初始化 Spring Cloud Config 客户端。

在 Spring Cloud Config 中，客户端通过向配置中心（Config Server）发送请求来获取应用程序的配置信息。而 BootstrapRegistryInitializer 就是负责将配置中心的相关信息注册到 Spring 容器中的。

由于篇幅有限，有关 BootstrapRegistryInitializer 更详细的内容，笔者后续专门讲解。

2.4 加载 ApplicationContextInitializer

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setInitializers((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationContextInitializer.class));

上述代码用于加载并初始化 ApplicationContextInitializer 及其相关的类。

ApplicationContextInitializer 是 Spring 框架中的一个接口，它的主要作用是在Spring容器刷新之前初始化 ConfigurableApplicationContext。这个接口的实现类可以被视为回调函数，它们的 onApplicationEvent 方法会在Spring 容器启动时被自动调用，从而允许开发人员在容器刷新之前执行一些自定义的操作。

例如，我们可能需要在这个时刻加载一些配置信息，或者对某些 bean 进行预处理等。通过实现 ApplicationContextInitializer 接口并重写其onApplicationEvent 方法，就可以完成这些定制化的需求。

由于篇幅有限，有关 ApplicationContextInitializer 更详细的内容，笔者后续专门讲解。

2.5 加载 ApplicationListener

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setListeners((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationListener.class));

上述代码用于加载并初始化 ApplicationListener 及其相关的类。

ApplicationListener 是 Spring 框架提供的一个事件监听机制，它是Spring 应用内部的事件驱动机制，通常被用于监控应用内部的运行状况。其实现的原理是 观察者设计模式，该设计模式的初衷是为了实现系统业务逻辑之间的解耦，从而提升系统的可扩展性和可维护性。

我们可以通过自定义一个类来实现 ApplicationListener 接口，然后在这个类中定义需要监听的事件处理方法。当被监听的事件发生时，Spring 会自动调用这个方法来处理事件。例如，在一个 Spring Boot 项目中，我们可能想要在容器启动时执行一些特定的操作，如加载配置等，就可以通过实现 ApplicationListener 接口来完成。

由于篇幅有限，有关 ApplicationListener 更详细的内容，笔者后续专门讲解。

2.6 推断应用入口类

最后一步，调用 SpringApplication 的 deduceMainApplicationClass 方法来进行入口类的推断：

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private Class<?> deduceMainApplicationClass() {
    try {
        StackTraceElement[] stackTrace = new RuntimeException().getStackTrace();
        for (StackTraceElement stackTraceElement : stackTrace) {
            if ("main".equals(stackTraceElement.getMethodName())) {
                return Class.forName(stackTraceElement.getClassName());
            }
        }
    } catch (ClassNotFoundException ex) {
        // 这里捕获异常，并继续执行后续逻辑
    }
    return null;
}

上述代码的思路就是：

  • 首先，创建一个运行时异常，并获得其堆栈数组。
  • 接着，遍历数组，判断类的方法中是否包含 main 方法。第一个被匹配的类会通过Class.forName 方法创建对象，并将其被返回。
  • 最后，将上述创建的 Class 对象赋值给 SpringApplication 的成员变量 mainApplicationClass。

总结

本篇 Huazie 带大家初步了解了 SpringApplication 的实例化过程，当然由于篇幅受限，还有些内容暂时无法详解，Huazie 将在后续的博文中继续深入分析。

只有了解 Spring Boot 在启动时都做了些什么，我们才能在后续的实践的过程中更好地理解其运行机制，以便遇到问题能更快地定位和排查，使我们应用能够更容易、更方便地接入 Spring Boot 。