谈谈 @Autowired 的实现原理

@Autowired使用

构造函数注入

public Class Outer {
 private Inner inner;
 @Autowired
 public Outer(Inner inner) {
  this.inner = inner;
 }
}

属性注入

public Class Outer {
 @Autowired
 private Inner inner;
}

方法注入

public Class Outer {
 private Inner inner;
 public Inner getInner() {
  return inner;
 }
 @Autowired
 public void setInner(Inner inner) {
  this.inner = inner;
 }
}

目前绝大部分的代码都使用第2、第3种。第1种在bean实例化时完成，而第2、第3种的实现原理都是一样的，在属性填充时完成。本篇将介绍第二第三种的是实现原理

在开始之前，如果我们自己设计@Autowired，我们应该怎么实现？我想做法还是比较简单的

• 通过反射查找bean的class下所有注解了@Autowired的字段和方法
• 获取到字段，通过getBean(字段)获取到对应bean，然后再通过反射调用field的set将bean注入

@Autowired源码分析

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor类

该类是@Autowired的具体实现类，先预览一下类方法

发现实际有机会介入bean的创建操作只有可能是后置处理器，用于后置处理的有3个方法，其中一个过时不用，分别是postProcessMergedBeanDefinition、postProcessProperties后置处理，我们再看一下这2个方法的具体代码

public class AutowiredAnnotationBeanPostProcessor extends InstantiationAwareBeanPostProcessorAdapter
  implements MergedBeanDefinitionPostProcessor, PriorityOrdered, BeanFactoryAware {

 ...

 @Override
 public void postProcessMergedBeanDefinition(RootBeanDefinition beanDefinition, Class<?> beanType, String beanName) {
  // 1. 寻找bean中所有被@Autowired注释的属性，并将属性封装成InjectedElement类型
  InjectionMetadata metadata = findAutowiringMetadata(beanName, beanType, null);
  metadata.checkConfigMembers(beanDefinition);
 }

 ...

 @Override
 public PropertyValues postProcessProperties(PropertyValues pvs, Object bean, String beanName) {
  // 1. 寻找通过@Autowired注解的属性或者方法
  InjectionMetadata metadata = findAutowiringMetadata(beanName, bean.getClass(), pvs);
  try {
   // 2. 注入
   metadata.inject(bean, beanName, pvs);
  }
  catch (BeanCreationException ex) {
   throw ex;
  }
  catch (Throwable ex) {
   throw new BeanCreationException(beanName, "Injection of autowired dependencies failed", ex);
  }
  return pvs;
 }

 ...
}

跟我们的猜想是一样的，首先先找出所有注解了@Autowired的属性或者方法，然后进行注入，当然postProcessMergedBeanDefinition后置处理器的调用肯定是在postProcessProperties之前的，这里我们回顾一下spring bean的创建过程。

2个处理器我已用黄色标出

*1.* *查找所有@Autowired*

// 寻找bean中所有被@Autowired注释的属性，并将属性封装成InjectedElement类型
InjectionMetadata metadata = findAutowiringMetadata(beanName, beanType, null);
private InjectionMetadata findAutowiringMetadata(String beanName, Class<?> clazz, @Nullable PropertyValues pvs) {
  // Fall back to class name as cache key, for backwards compatibility with custom callers.
  // 获取缓存的key值，一般以beanName做key
  String cacheKey = (StringUtils.hasLength(beanName) ? beanName : clazz.getName());
  // Quick check on the concurrent map first, with minimal locking.
  // 从缓存中获取metadata
  InjectionMetadata metadata = this.injectionMetadataCache.get(cacheKey);
  // 检测metadata是否需要更新
  if (InjectionMetadata.needsRefresh(metadata, clazz)) {
   synchronized (this.injectionMetadataCache) {
    metadata = this.injectionMetadataCache.get(cacheKey);
    if (InjectionMetadata.needsRefresh(metadata, clazz)) {
     if (metadata != null) {
      metadata.clear(pvs);
     }
     // 通过clazz类，查找所有@Autowired的属性或者方法，并封装成InjectionMetadata类型
     metadata = buildAutowiringMetadata(clazz);
     // 将metadata加入缓存
     this.injectionMetadataCache.put(cacheKey, metadata);
    }
   }
  }
  return metadata;
 }

可以看到spring依然在用缓存的方式提高性能，继续跟踪核心代码buildAutowiringMetadata(clazz)

 private InjectionMetadata buildAutowiringMetadata(final Class<?> clazz) {
  // 查看clazz是否有Autowired注解
  if (!AnnotationUtils.isCandidateClass(clazz, this.autowiredAnnotationTypes)) {
   return InjectionMetadata.EMPTY;
  }
  // 这里需要注意AutowiredFieldElement，AutowiredMethodElement均继承了InjectionMetadata.InjectedElement
  // 因此这个列表是可以保存注解的属性和被注解的方法的
  List<InjectionMetadata.InjectedElement> elements = new ArrayList<>();
  Class<?> targetClass = clazz;

  // 1. 通过do while循环，递归的往直接继承的父类寻找@Autowired
  do {
   final List<InjectionMetadata.InjectedElement> currElements = new ArrayList<>();
   
   // 2. 通过反射，获取所有属性，doWithLocalFields则是循环的对每个属性应用以下匿名方法
   ReflectionUtils.doWithLocalFields(targetClass, field -> {
    // 判断当前field属性是否含有@Autowired的注解
    MergedAnnotation<?> ann = findAutowiredAnnotation(field);
    if (ann != null) {
     // 返回该属性在类中的修饰符，如果等于static常量，则抛出异常，@Autowired不允许注解在静态属性上
     if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
      if (logger.isInfoEnabled()) {
       logger.info("Autowired annotation is not supported on static fields: " + field);
      }
      return;
     }
     // @Autowired有required属性，获取required的值，默认为true
     boolean required = determineRequiredStatus(ann);
     // 3. 将field封装成InjectedElement，并添加到集合中，这里用的是AutowiredFieldElement
     currElements.add(new AutowiredFieldElement(field, required));
    }
   });

   // 4. @Autowired可以注解在方法上
   ReflectionUtils.doWithLocalMethods(targetClass, method -> {
    Method bridgedMethod = BridgeMethodResolver.findBridgedMethod(method);
    if (!BridgeMethodResolver.isVisibilityBridgeMethodPair(method, bridgedMethod)) {
     return;
    }
    MergedAnnotation<?> ann = findAutowiredAnnotation(bridgedMethod);
    if (ann != null && method.equals(ClassUtils.getMostSpecificMethod(method, clazz))) {
     if (Modifier.isStatic(method.getModifiers())) {
      if (logger.isInfoEnabled()) {
       logger.info("Autowired annotation is not supported on static methods: " + method);
      }
      return;
     }
     if (method.getParameterCount() == 0) {
      if (logger.isInfoEnabled()) {
       logger.info("Autowired annotation should only be used on methods with parameters: " +
         method);
      }
     }
     boolean required = determineRequiredStatus(ann);
     PropertyDescriptor pd = BeanUtils.findPropertyForMethod(bridgedMethod, clazz);
     // 5. 将方法封装成InjectedElement，并添加到集合中，这里用的是AutowiredMethodElement
     currElements.add(new AutowiredMethodElement(method, required, pd));
    }
   });

   elements.addAll(0, currElements);
   // 返回直接继承的父类
   targetClass = targetClass.getSuperclass();
  }
  // 如果父类不为空则需要把父类的@Autowired属性或方法也找出
  while (targetClass != null && targetClass != Object.class);
  // 6. new InjectionMetadata(clazz, elements)，将找到的所有的待注入属性或方法生成metadata返回
  return InjectionMetadata.forElements(elements, clazz);
 }

• 外层 do … while … 的循环被用于递归的查找父类的@Autowired属性或方法
• 通过反射的方式获取到所有属性并循环验证每一个属性是否被@Autowired注解
• 将查找到包含@Autowired注解的filed封装成AutowiredFieldElement，加入到列表中
• 循环查找在方法上的注解
• 将找到的方法封装成AutowiredMethodElement，并加入列表

这里需要特别强调一点，InjectedElement被AutowiredFieldElement、AutowiredMethodElement所继承，他们都有各自的inject函数，实现各自的注入。因此改ArrayList elements是拥有2种类型的属性

• 将找到的所有元素列表和clazz作为参数生成metadata数据返回

2. 注入

// 注入
metadata.inject(bean, beanName, pvs);
 public void inject(Object target, @Nullable String beanName, @Nullable PropertyValues pvs) throws Throwable {
  // 获取所有需要被注入的元素
  Collection<InjectedElement> checkedElements = this.checkedElements;
  Collection<InjectedElement> elementsToIterate =
    (checkedElements != null ? checkedElements : this.injectedElements);
  // 迭代的元素不为空
  if (!elementsToIterate.isEmpty()) {
   for (InjectedElement element : elementsToIterate) {
    if (logger.isTraceEnabled()) {
     logger.trace("Processing injected element of bean '" + beanName + "': " + element);
    }
    // 循环注入，这里有可能是AutowiredFieldElement也可能AutowiredMethodElement，因此调用的inject是2个不同的方法
    element.inject(target, beanName, pvs);
   }
  }
 }

利用for循环，遍历刚刚我们查到到的elements列表，进行注入。

在上面有特别提醒，这里的element有可能是AutowiredFieldElement类型、或AutowiredMethodElement类型。各自代表@Autowired注解在属性上、以及注解在方法上的2种不同元素。因此他们调用的element.inject(target, beanName, pvs);也是不一样的

2.1 字段注入(AutowiredFieldElement)

 private class AutowiredFieldElement extends InjectionMetadata.InjectedElement {
  @Override
  protected void inject(Object bean, @Nullable String beanName, @Nullable PropertyValues pvs) throws Throwable {
   Field field = (Field) this.member;
   Object value;
   if (this.cached) {
    value = resolvedCachedArgument(beanName, this.cachedFieldValue);
   }
   else {
    // 专门用于注入的包装类，包装构造函数参数，方法参数或字段
    DependencyDescriptor desc = new DependencyDescriptor(field, this.required);
    // 设置class
    desc.setContainingClass(bean.getClass());
    // 需要被自动注入的beanNames，这里只有可能 = 1，方法注入时才有可能为多个
    Set<String> autowiredBeanNames = new LinkedHashSet<>(1);
    Assert.state(beanFactory != null, "No BeanFactory available");
    TypeConverter typeConverter = beanFactory.getTypeConverter();// 获取类型转换器
    try {
     // 通过beanFactory获取属性对应的值，比如需要调用getBean("b")获取依赖的属性单例，并且通过自动转型转为需要的类型
     value = beanFactory.resolveDependency(desc, beanName, autowiredBeanNames, typeConverter);
    }
    catch (BeansException ex) {
     throw new UnsatisfiedDependencyException(null, beanName, new InjectionPoint(field), ex);
    }
    synchronized (this) {
     if (!this.cached) {
      if (value != null || this.required) {
       this.cachedFieldValue = desc;
       // 注册依赖，
       registerDependentBeans(beanName, autowiredBeanNames);
       // 因为是属性注入，因此这里只有可能等于1
       if (autowiredBeanNames.size() == 1) {
        String autowiredBeanName = autowiredBeanNames.iterator().next();
        if (beanFactory.containsBean(autowiredBeanName) &&
          beanFactory.isTypeMatch(autowiredBeanName, field.getType())) {
         // 缓存当前value
         this.cachedFieldValue = new ShortcutDependencyDescriptor(
           desc, autowiredBeanName, field.getType());
        }
       }
      }
      else {
       this.cachedFieldValue = null;
      }
      this.cached = true;
     }
    }
   }
   if (value != null) {
    // 通过反射，将value值设置到bean中
    ReflectionUtils.makeAccessible(field);
    field.set(bean, value);
   }
  }
 }

上方大部分的工作都在做待注入bean的获取以及类型的转换，如果深究下去可以再把spring Ioc讲一遍，但是核心还是getBean(字段)获取到对应bean…我们这里就关心核心的语句，就是这2句

if (value != null) {
    // 通过反射，将value值设置到bean中
    ReflectionUtils.makeAccessible(field);
    field.set(bean, value);
}

spring通过反射的方式，调用field的set进行属性的注入

2.2 方法注入(AutowiredMethodElement)

 private class AutowiredMethodElement extends InjectionMetadata.InjectedElement {

  
  @Override
  protected void inject(Object bean, @Nullable String beanName, @Nullable PropertyValues pvs) throws Throwable {
   if (checkPropertySkipping(pvs)) {
    return;
   }
   // @Autowired标注在方法上
   Method method = (Method) this.member;
   Object[] arguments;
   if (this.cached) {
    // Shortcut for avoiding synchronization...
    // 有缓存
    arguments = resolveCachedArguments(beanName);
   }
   else {
    // 没缓存，直接获取方法上所有的参数
    int argumentCount = method.getParameterCount();
    arguments = new Object[argumentCount];
    DependencyDescriptor[] descriptors = new DependencyDescriptor[argumentCount];
    Set<String> autowiredBeans = new LinkedHashSet<>(argumentCount);
    Assert.state(beanFactory != null, "No BeanFactory available");
    TypeConverter typeConverter = beanFactory.getTypeConverter();
    // 循环所有参数
    for (int i = 0; i < arguments.length; i++) {
     MethodParameter methodParam = new MethodParameter(method, i);
     DependencyDescriptor currDesc = new DependencyDescriptor(methodParam, this.required);
     currDesc.setContainingClass(bean.getClass());
     descriptors[i] = currDesc;
     try {
      // 通过beanFactory，获取代注入的bean，并进行类型转换
      Object arg = beanFactory.resolveDependency(currDesc, beanName, autowiredBeans, typeConverter);
      if (arg == null && !this.required) {
       arguments = null;
       break;
      }
      arguments[i] = arg;
     }
     catch (BeansException ex) {
      throw new UnsatisfiedDependencyException(null, beanName, new InjectionPoint(methodParam), ex);
     }
    }
    synchronized (this) {
     if (!this.cached) {
      if (arguments != null) {
       DependencyDescriptor[] cachedMethodArguments = Arrays.copyOf(descriptors, arguments.length);
       // 注册依赖
       registerDependentBeans(beanName, autowiredBeans);
       // 如果自动注入的个数 = 参数个数，则缓存
       if (autowiredBeans.size() == argumentCount) {
        Iterator<String> it = autowiredBeans.iterator();
        Class<?>[] paramTypes = method.getParameterTypes();
        for (int i = 0; i < paramTypes.length; i++) {
         String autowiredBeanName = it.next();
         if (beanFactory.containsBean(autowiredBeanName) &&
           beanFactory.isTypeMatch(autowiredBeanName, paramTypes[i])) {
          // 缓存
          cachedMethodArguments[i] = new ShortcutDependencyDescriptor(
            descriptors[i], autowiredBeanName, paramTypes[i]);
         }
        }
       }
       // 缓存方法
       this.cachedMethodArguments = cachedMethodArguments;
      }
      else {
       this.cachedMethodArguments = null;
      }
      this.cached = true;
     }
    }
   }
   if (arguments != null) {
    try {
     // 反射调用注入方法，将获取到的所有bean作为参数
     ReflectionUtils.makeAccessible(method);
     method.invoke(bean, arguments);
    }
    catch (InvocationTargetException ex) {
     throw ex.getTargetException();
    }
   }
  }

 }

这里与属性注入最大的区别在于，@Autowired注解在方法上，方法可以拥有多个参数，因此这里需要通过循环将一个个获取，而获取bean的方式于上面一样，本质都是通过getBean获取。

而核心语句还是2句

// 反射调用注入方法，将获取到的所有bean作为参数
ReflectionUtils.makeAccessible(method);
method.invoke(bean, arguments);

与属性注入不同的是，当@Autowired注解在方法上，例如我们注解在setter方法上，则只需要直接调用该setter方法将参数数组传入即可以，即使用invoke触发方法，具体属性赋值的过程在setter方法中由用户自行编写