SpringBoot的底層原理是什么

SpringBoot的底層原理是什么

引言

Spring Boot 是一個用于簡化 Spring 應用程序開發的框架。它通過提供默認配置和自動配置的方式，使得開發者能夠快速搭建和運行 Spring 應用程序。Spring Boot 的底層原理涉及到多個方面，包括自動配置、依賴管理、嵌入式服務器、啟動流程等。本文將深入探討 Spring Boot 的底層原理，幫助讀者更好地理解和使用 Spring Boot。

1. Spring Boot 的核心概念

1.1 自動配置

自動配置是 Spring Boot 的核心特性之一。它通過分析項目的依賴關系和配置文件，自動配置 Spring 應用程序的各個組件。自動配置的實現主要依賴于 @EnableAutoConfiguration 注解和 spring.factories 文件。

1.1.1 @EnableAutoConfiguration 注解

@EnableAutoConfiguration 注解是 Spring Boot 自動配置的入口。它通過 @Import 注解引入了 AutoConfigurationImportSelector 類，該類負責加載自動配置類。

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
@AutoConfigurationPackage
@Import(AutoConfigurationImportSelector.class)
public @interface EnableAutoConfiguration {
    String ENABLED_OVERRIDE_PROPERTY = "spring.boot.enableautoconfiguration";

    Class<?>[] exclude() default {};

    String[] excludeName() default {};
}

1.1.2 spring.factories 文件

spring.factories 文件是 Spring Boot 自動配置的關鍵文件之一。它位于 META-INF 目錄下，用于定義自動配置類。Spring Boot 在啟動時會掃描所有 spring.factories 文件，并加載其中定義的自動配置類。

# Auto Configure
org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
org.springframework.boot.autoconfigure.admin.SpringApplicationAdminJmxAutoConfiguration,\
org.springframework.boot.autoconfigure.aop.AopAutoConfiguration,\
org.springframework.boot.autoconfigure.amqp.RabbitAutoConfiguration,\
...

1.2 依賴管理

Spring Boot 通過 spring-boot-starter 依賴管理機制，簡化了項目的依賴配置。每個 spring-boot-starter 都包含了一組相關的依賴，開發者只需引入相應的 starter，即可自動引入所需的依賴。

1.2.1 spring-boot-starter-parent

spring-boot-starter-parent 是 Spring Boot 項目的父 POM，它定義了一系列默認的依賴管理和插件配置。通過繼承 spring-boot-starter-parent，開發者可以簡化項目的配置。

<parent>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
    <version>2.5.4</version>
    <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
</parent>

1.2.2 spring-boot-starter-web

spring-boot-starter-web 是 Spring Boot 提供的用于開發 Web 應用的 starter。它包含了 Spring MVC、Tomcat 等依賴，開發者只需引入該 starter，即可快速搭建一個 Web 應用。

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>

1.3 嵌入式服務器

Spring Boot 支持嵌入式服務器，開發者無需將應用部署到外部服務器中，即可直接運行應用。Spring Boot 默認使用 Tomcat 作為嵌入式服務器，但也支持 Jetty、Undertow 等其他服務器。

1.3.1 Tomcat

Tomcat 是 Spring Boot 默認的嵌入式服務器。Spring Boot 通過 spring-boot-starter-web 引入了 Tomcat 依賴，并在應用啟動時自動配置和啟動 Tomcat。

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
</dependency>

1.3.2 Jetty

Jetty 是另一個常用的嵌入式服務器。開發者可以通過排除 spring-boot-starter-tomcat 并引入 spring-boot-starter-jetty，來使用 Jetty 作為嵌入式服務器。

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-jetty</artifactId>
</dependency>

1.4 啟動流程

Spring Boot 的啟動流程主要包括以下幾個步驟：

1. 加載配置文件：Spring Boot 會加載 application.properties 或 application.yml 配置文件，并根據配置內容進行相應的配置。
2. 創建 Spring 應用上下文：Spring Boot 會創建一個 AnnotationConfigApplicationContext 或 AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext，用于管理 Spring Bean。
3. 執行自動配置：Spring Boot 會根據 spring.factories 文件中的配置，加載并執行自動配置類。
4. 啟動嵌入式服務器：Spring Boot 會啟動嵌入式服務器，并將應用部署到服務器中。
5. 運行應用：Spring Boot 會調用 SpringApplication.run() 方法，啟動應用并進入運行狀態。

2. Spring Boot 的自動配置原理

2.1 自動配置的實現機制

Spring Boot 的自動配置是通過 @Conditional 注解和 Condition 接口實現的。@Conditional 注解用于根據條件決定是否加載某個配置類或 Bean，而 Condition 接口則用于定義具體的條件邏輯。

2.1.1 @Conditional 注解

@Conditional 注解是 Spring 框架提供的注解，用于根據條件決定是否加載某個配置類或 Bean。Spring Boot 在此基礎上擴展了一系列條件注解，如 @ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean 等。

@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Conditional(OnClassCondition.class)
public @interface ConditionalOnClass {
    Class<?>[] value() default {};

    String[] name() default {};
}

2.1.2 Condition 接口

Condition 接口是 Spring 框架提供的接口，用于定義條件邏輯。開發者可以通過實現 Condition 接口，自定義條件判斷邏輯。

public interface Condition {
    boolean matches(ConditionContext context, AnnotatedTypeMetadata metadata);
}

2.2 自動配置的加載過程

Spring Boot 的自動配置加載過程主要包括以下幾個步驟：

1. 加載 spring.factories 文件：Spring Boot 會掃描所有 META-INF/spring.factories 文件，并加載其中定義的自動配置類。
2. 過濾自動配置類：Spring Boot 會根據 @Conditional 注解的條件，過濾掉不符合條件的自動配置類。
3. 加載自動配置類：Spring Boot 會加載符合條件的自動配置類，并將其注冊到 Spring 應用上下文中。
4. 執行自動配置類：Spring Boot 會執行自動配置類中的配置方法，完成相應的配置。

2.3 自動配置的擴展

Spring Boot 的自動配置機制是可擴展的，開發者可以通過自定義自動配置類，擴展 Spring Boot 的自動配置功能。

2.3.1 自定義自動配置類

開發者可以通過定義自動配置類，并添加 @Configuration 和 @Conditional 注解，來實現自定義的自動配置。

@Configuration
@ConditionalOnClass(MyService.class)
public class MyAutoConfiguration {

    @Bean
    @ConditionalOnMissingBean
    public MyService myService() {
        return new MyService();
    }
}

2.3.2 注冊自動配置類

開發者可以通過在 META-INF/spring.factories 文件中注冊自動配置類，使其在應用啟動時被加載。

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
com.example.MyAutoConfiguration

3. Spring Boot 的依賴管理原理

3.1 依賴管理的實現機制

Spring Boot 的依賴管理是通過 Maven 或 Gradle 的依賴管理機制實現的。Spring Boot 提供了一系列 spring-boot-starter 依賴，每個 starter 都包含了一組相關的依賴，開發者只需引入相應的 starter，即可自動引入所需的依賴。

3.1.1 spring-boot-starter-parent

spring-boot-starter-parent 是 Spring Boot 項目的父 POM，它定義了一系列默認的依賴管理和插件配置。通過繼承 spring-boot-starter-parent，開發者可以簡化項目的配置。

<parent>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
    <version>2.5.4</version>
    <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
</parent>

3.1.2 spring-boot-dependencies

spring-boot-dependencies 是 Spring Boot 提供的依賴管理 POM，它定義了一系列常用的依賴版本。通過引入 spring-boot-dependencies，開發者可以統一管理項目的依賴版本。

<dependencyManagement>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-dependencies</artifactId>
            <version>2.5.4</version>
            <type>pom</type>
            <scope>import</scope>
        </dependency>
    </dependencies>
</dependencyManagement>

3.2 依賴管理的擴展

Spring Boot 的依賴管理機制是可擴展的，開發者可以通過自定義 starter，擴展 Spring Boot 的依賴管理功能。

3.2.1 自定義 starter

開發者可以通過定義 starter，并添加 spring.factories 文件，來實現自定義的依賴管理。

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>com.example</groupId>
        <artifactId>my-library</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
com.example.MyAutoConfiguration

3.2.2 注冊 starter

開發者可以通過在 META-INF/spring.factories 文件中注冊 starter，使其在應用啟動時被加載。

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
com.example.MyAutoConfiguration

4. Spring Boot 的嵌入式服務器原理

4.1 嵌入式服務器的實現機制

Spring Boot 的嵌入式服務器是通過 spring-boot-starter-web 依賴實現的。Spring Boot 默認使用 Tomcat 作為嵌入式服務器，但也支持 Jetty、Undertow 等其他服務器。

4.1.1 Tomcat

Tomcat 是 Spring Boot 默認的嵌入式服務器。Spring Boot 通過 spring-boot-starter-web 引入了 Tomcat 依賴，并在應用啟動時自動配置和啟動 Tomcat。

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
</dependency>

4.1.2 Jetty

Jetty 是另一個常用的嵌入式服務器。開發者可以通過排除 spring-boot-starter-tomcat 并引入 spring-boot-starter-jetty，來使用 Jetty 作為嵌入式服務器。

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-jetty</artifactId>
</dependency>

4.2 嵌入式服務器的配置

Spring Boot 提供了豐富的配置選項，開發者可以通過 application.properties 或 application.yml 文件，配置嵌入式服務器的各項參數。

4.2.1 端口配置

開發者可以通過 server.port 屬性，配置嵌入式服務器的端口。

server.port=8081

4.2.2 上下文路徑配置

開發者可以通過 server.servlet.context-path 屬性，配置嵌入式服務器的上下文路徑。

server.servlet.context-path=/myapp

4.2.3 SSL 配置

開發者可以通過 server.ssl 屬性，配置嵌入式服務器的 SSL 證書。

server.ssl.key-store=classpath:keystore.jks
server.ssl.key-store-password=secret
server.ssl.key-password=secret

4.3 嵌入式服務器的擴展

Spring Boot 的嵌入式服務器機制是可擴展的，開發者可以通過自定義配置類，擴展 Spring Boot 的嵌入式服務器功能。

4.3.1 自定義配置類

開發者可以通過定義配置類，并添加 @Configuration 和 @Conditional 注解，來實現自定義的嵌入式服務器配置。

@Configuration
@ConditionalOnClass(Tomcat.class)
public class MyTomcatConfiguration {

    @Bean
    public TomcatServletWebServerFactory tomcatFactory() {
        TomcatServletWebServerFactory factory = new TomcatServletWebServerFactory();
        factory.setPort(8081);
        return factory;
    }
}

4.3.2 注冊配置類

開發者可以通過在 META-INF/spring.factories 文件中注冊配置類，使其在應用啟動時被加載。

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
com.example.MyTomcatConfiguration

5. Spring Boot 的啟動流程原理

5.1 啟動流程的實現機制

Spring Boot 的啟動流程是通過 SpringApplication 類實現的。SpringApplication 類負責加載配置文件、創建應用上下文、執行自動配置、啟動嵌入式服務器等操作。

5.1.1 SpringApplication 類

SpringApplication 類是 Spring Boot 啟動流程的核心類。它提供了 run() 方法，用于啟動 Spring Boot 應用。

public class SpringApplication {

    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);
    }

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

    public SpringApplication(ResourceLoader resourceLoader, Class<?>... primarySources) {
        this.resourceLoader = resourceLoader;
        this.primarySources = new LinkedHashSet<>(Arrays.asList(primarySources));
        this.webApplicationType = WebApplicationType.deduceFromClasspath();
        setInitializers((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationContextInitializer.class));
        setListeners((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationListener.class));
        this.mainApplicationClass = deduceMainApplicationClass();
    }

    public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {
        StopWatch stopWatch = new StopWatch();
        stopWatch.start();
        ConfigurableApplicationContext context = null;
        Collection<SpringBootExceptionReporter> exceptionReporters = new ArrayList<>();
        configureHeadlessProperty();
        SpringApplicationRunListeners listeners = getRunListeners(args);
        listeners.starting();
        try {
            ApplicationArguments applicationArguments = new DefaultApplicationArguments(args);
            ConfigurableEnvironment environment = prepareEnvironment(listeners, applicationArguments);
            configureIgnoreBeanInfo(environment);
            Banner printedBanner = printBanner(environment);
            context = createApplicationContext();
            exceptionReporters = getSpringFactoriesInstances(SpringBootExceptionReporter.class,
                    new Class[] { ConfigurableApplicationContext.class }, context);
            prepareContext(context, environment, listeners, applicationArguments, printedBanner);
            refreshContext(context);
            afterRefresh(context, applicationArguments);
            stopWatch.stop();
            if (this.logStartupInfo) {
                new StartupInfoLogger(this.mainApplicationClass).logStarted(getApplicationLog(), stopWatch);
            }
            listeners.started(context);
            callRunners(context, applicationArguments);
        } catch (Throwable ex) {
            handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, listeners);
            throw new IllegalStateException(ex);
        }
        try {
            listeners.running(context);
        } catch (Throwable ex) {
            handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, null);
            throw new IllegalStateException(ex);
        }
        return context;
    }
}

5.1.2 啟動流程的主要步驟

Spring Boot 的啟動流程主要包括以下幾個步驟：

1. 加載配置文件：Spring Boot 會加載 application.properties 或 application.yml 配置文件，并根據配置內容進行相應的配置。
2. 創建 Spring 應用上下文：Spring Boot 會創建一個 AnnotationConfigApplicationContext 或 AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext，用于管理 Spring Bean。
3. 執行自動配置：Spring Boot 會根據 spring.factories 文件中的配置，加載并執行自動配置類。
4. 啟動嵌入式服務器：Spring Boot 會啟動嵌入式服務器，并將應用部署到服務器中。
5. 運行應用：Spring Boot 會調用 SpringApplication.run() 方法，啟動應用并進入運行狀態。

5.2 啟動流程的擴展

Spring Boot 的啟動流程是可擴展的，開發者可以通過自定義 ApplicationRunner 或 CommandLineRunner，擴展 Spring Boot 的啟動流程。

5.2.1 ApplicationRunner

ApplicationRunner 是 Spring Boot 提供的接口，用于在應用啟動后執行一些操作。開發者可以通過實現 ApplicationRunner 接口，自定義啟動后的操作。

@Component
public class MyApplicationRunner implements ApplicationRunner {

    @Override
    public void run(ApplicationArguments args) throws Exception {
        System.out.println("Application started with arguments: " + Arrays.toString(args.getSourceArgs()));
    }
}

5.2.2 CommandLineRunner

CommandLineRunner 是 Spring Boot 提供的另一個接口，用于在應用啟動后執行一些操作。開發者可以通過實現 CommandLineRunner 接口，自定義啟動后的操作