優(yōu)雅的閱讀框架源碼

代碼是形式，邏輯是神韻。

引子

通過過來人的經(jīng)驗，探討如何優(yōu)雅的閱讀成熟框架的源碼。

溫馨提示

欲速則不達。閱讀源碼很容易理解為就是直接去閱讀代碼本身。實際上，代碼只是形式，邏輯才是神韻。

凡是有助于去理解邏輯，理解其原理、架構(gòu)、實現(xiàn)的，都是值得閱讀的。包括而不限于官方文檔和 API 文檔、架構(gòu)設(shè)計分析文章、原理分析文章、源碼閱讀分析文章。磨刀不誤砍柴工。準備工作做充足，充分借助各種資源輔助，閱讀源碼才能事半功倍。

預(yù)思考

有需求才有目標，有目標才有設(shè)計，有設(shè)計才有框架。在閱讀某個源碼模塊之前，思考若干基本問題是必要的。

• 需求是什么？用一句話說清楚；

• 設(shè)計目標是什么？用一句話說清楚；

• 核心優(yōu)勢和適用場景是什么？分別用一句話說清楚；

• 基本原理是怎樣的？先自己思考怎么實現(xiàn)，然后閱讀框架原理文章；

• 整體設(shè)計是怎樣的？先自己思考怎么設(shè)計，然后閱讀架構(gòu)設(shè)計的文章；

• 技術(shù)難點是什么？先自己思考其中的難點及解決方案，然后閱讀相關(guān)文章；

• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法流程是如何設(shè)計的？閱讀框架的源碼解析文章。

比如 SpringBean 模塊：

• 需求：有一套通用機制去創(chuàng)建和裝配應(yīng)用所需要的完整的 Bean 實例，使得應(yīng)用無需關(guān)注 Bean 實例的創(chuàng)建和管理，只要按需獲取；

• 設(shè)計目標：根據(jù)指定的配置文件或注解，生成和存儲應(yīng)用所需要的裝配完整的 Bean 實例，并提供多種方式來獲取 Bean 實例；

• 核心優(yōu)勢：支持多種裝配方式、自動裝配、依賴關(guān)系自動注入；支持不同作用域的 Bean 實例創(chuàng)建和獲取；穩(wěn)定高效；

• 適用場景：有大量的 Bean 需要創(chuàng)建，這些 Bean 存在復(fù)雜的依賴關(guān)系；

• 基本原理：反射機制 + 緩存；

• 算法流程：創(chuàng)建 bean 工廠對象 -> 掃描資源路徑，獲得 bean 的 class 文件 -> 生成 bean 定義的 beanDefinition 實例 -> 根據(jù) beanDefinitioin 實例創(chuàng)建 bean 實例并緩存到 bean 工廠對象 -> 依賴自動注入 -> 執(zhí)行鉤子方法 -> 完整的 bean 實例準備就緒。

• 技術(shù)難點：依賴自動裝配、循環(huán)引用；解決自動依賴注入和循環(huán)引用問題需要用到緩存機制。

需求與目標

需求與目標往往容易混為一談。但需求不等于目標。

• 需求是寬泛的，目標是具體的；

• 目標是需求的一種實現(xiàn)途徑，往往是設(shè)計一個具備某些關(guān)鍵特性的系統(tǒng)或產(chǎn)品。

目標是功能與質(zhì)量的結(jié)合體；除了功能部分，確定質(zhì)量指標也是尤為關(guān)鍵的。

對于某個框架來說，需求、適用場景和核心優(yōu)勢，都是可以直接在官網(wǎng)或項目主頁獲取到的。如何還原框架的設(shè)計目標呢？可以從核心優(yōu)勢中獲取基本說明，更多的就要從 API 文檔里來提煉了。

方法

很多開發(fā)童鞋可能對閱讀源碼心生畏懼。其實讀源碼既不神秘也不復(fù)雜：寫個 Demo，打斷點，運行，然后細細揣摩。閱讀源碼就是觀摩高手出招的過程。

1. 確立目標，通常是理解某個模塊的原理、設(shè)計或者為了解決實際問題；

2. 寫個 demo，能夠?qū)⒅髁鞒踢\行起來；

3. 找到框架運行的入口點，通過靜態(tài)代碼分析，大致了解整個實現(xiàn)流程；

4. 在預(yù)估會經(jīng)過的關(guān)鍵地方打斷點，單步調(diào)試；

5. 仔細查看主流程經(jīng)過的主路徑、每一個主要對象及其成員變量的值及變化，細細揣摩其設(shè)計意圖和方法技巧；

6. 繪制整體流程框圖和類的交互圖；

7. 學習和理解關(guān)鍵類及關(guān)鍵方法及實現(xiàn)（代碼）。

閱讀源碼，要把握主要與擴展：

• 首先把主流程及涉及到的主要類弄透徹；

• 理解其擴展機制；

• 理解主要擴展實現(xiàn)（需要的時候徐圖之）。

閱讀源碼，常常要將“靜態(tài)代碼分析”和“單步調(diào)試”結(jié)合起來使用。

靜態(tài)代碼分析

靜態(tài)代碼分析，就是沿著方法調(diào)用鏈，“順藤摸瓜”一路點擊下去。通常能夠?qū)φw流程有一個大概的了解。

由于框架實現(xiàn)常常基于接口編程，有時會遇到有多個實現(xiàn)的情形。這時，可以根據(jù)直覺和經(jīng)驗，選擇一個最有可能的默認實現(xiàn)繼續(xù)跟下去，或者通過單步調(diào)試來弄清楚是哪個具體實現(xiàn)。

單步調(diào)試

單步調(diào)試，是看似笨拙卻很實用的源碼閱讀方法。單步調(diào)試在以下情形尤其有用：

• 接口調(diào)用有多個實現(xiàn)，難以確定是哪個是具體實現(xiàn)時；

• 查看某個比較復(fù)雜的具體類的成員時；

• 理解實現(xiàn)細節(jié)時。

框架解析

框架的設(shè)計實現(xiàn)通常包括三層：

• 問題域及解決方案構(gòu)成的抽象層，解決問題的核心部分；

• 封裝和交互構(gòu)成的設(shè)計層，確保靈活性、可擴展性和應(yīng)用集成；

• 各種細節(jié)構(gòu)成的實現(xiàn)層，用于保證性能和容錯等。

閱讀順序是：抽象層 -> 封裝與交互層 -> 細節(jié)實現(xiàn)層 或者 抽象層 -> 細節(jié)實現(xiàn)層 -> 封裝與交互層。抽象層好比匣中的寶珠，不能干買櫝還珠的事情。

抽象層

抽象層即是問題求解層。技術(shù)面試中問到的原理或?qū)崿F(xiàn)機制，通常都屬于這一層。

由于封裝和交互、實現(xiàn)細節(jié)的大量代碼往往會將用于解決問題的核心代碼“淹沒”，因此，在探索抽象層時，要學會大膽過濾封裝和細節(jié)，直接跳過大量的分支條件語句，暫時跳過令人疑惑的地方，始終聚焦和直擊解決問題的核心部分。用于解決基本問題的核心代碼通常是不多的。

比如，Bean 實例創(chuàng)建的核心代碼是 ClassPathBeanDefinitionScanner.doScan（掃描資源路徑，生成 beanDefinition 對象） 和AbstractAutowireCapableBeanFactory.doCreateBean 方法（根據(jù) beanDefinition 創(chuàng)建 bean 實例）。

設(shè)計層

要弄明白設(shè)計層，就要先弄清楚框架的整體設(shè)計：

• 有哪些子模塊，子模塊的設(shè)計意圖是什么；

• 子模塊之間的關(guān)聯(lián)是怎樣的，如何串聯(lián)成一個完整的設(shè)計意圖。

框架的設(shè)計實現(xiàn)常常會用到設(shè)計模式。

• 常用設(shè)計模式：工廠、單例、外觀、策略、適配器、裝飾、代理、模板、組合、觀察者、迭代器；

• 不同問題域可能會用到的設(shè)計模式，比如 DB 驅(qū)動接口實現(xiàn)會用到生成器模式和橋接模式，web 請求處理用到職責鏈模式。

常用設(shè)計模式的使用場景：

• 如果需要創(chuàng)建實例，則通常離不開工廠和單例模式；

• 如果涉及較為復(fù)雜的算法流程，部分算法需要在子類實現(xiàn)，則會用到模板方法模式；

• 如果需要多種實現(xiàn)，并依據(jù)特定場景來選取使用，則會用到策略模式；

• 如果要將客戶端接口及實現(xiàn)與框架的調(diào)用隔離，則會用到動態(tài)代理模式；

• 如果要靈活疊加多種功能，則會用到裝飾器模式；

• 如果涉及到事件機制，則離不開觀察者模式；

• 如果需要在庫實現(xiàn)的基礎(chǔ)上提供簡潔接口，則通常用到外觀模式；

• 如果要將多種實現(xiàn)與多種接口定義進行連接，則會用到橋接模式；

• 如果需要涉及大量配置（規(guī)格）并生成實例，則通常用到生成器模式；

• 如果涉及容器元素訪問，則離不開迭代器模式；

• 如果需要以統(tǒng)一接口訪問整體與部分的行為，且整體由部分組成，則通常用到組合模式。

理解基本設(shè)計模式的特征和適用場景，識別設(shè)計模式的使用，可以更自如地在框架源碼之間穿梭。

細節(jié)層

細節(jié)是最考驗源碼閱讀的心性了。細節(jié)藏魔鬼。關(guān)鍵細節(jié)考慮不周全，可能會導(dǎo)致整個設(shè)計的失敗。因此，細節(jié)層也是值得仔細推敲的。技術(shù)面試中也常常考察實現(xiàn)細節(jié)。如果能夠回答上來，大概率會讓面試官眼前一亮。

有時，一些實現(xiàn)細節(jié)可能讓人摸不到頭腦。此時，可以上網(wǎng)搜索一下，往往會“茅塞頓開”。

克服障礙

閱讀成熟框架源碼，遇到的一大挑戰(zhàn)就是對象之間的錯綜復(fù)雜的交互關(guān)系。令人生畏。這實際上考驗著開發(fā)者的抽象和建模能力。

原理流程圖

原理流程圖非常重要，就像地圖一樣，指引人更容易地在“代碼迷宮”中穿行而不迷失方向。

在閱讀源碼之前，設(shè)法弄到并理解框架的原理流程圖，往往能起到事半功倍的效果。就如行兵打仗，先弄清楚天時與地形。不可不重視之。

概念圖景

優(yōu)秀的軟件設(shè)計，往往是先建立一個比較完整的概念圖景。概念圖景，就是關(guān)于某個問題域的概念及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的整體圖。

譬如蓋房子吧。有的人蓋房子就是：砌磚！砌磚！！砌磚！！！要安裝窗戶怎么辦？把其中一大塊磚墻錘空了再安。

有的人，則會“設(shè)計先行”：

• 原材料 => 子部件 => 組合與集成。

• 原材料：磚、石、木、鋁、銅、玻璃等；

• 子部件：墻、窗框、窗戶、門、地板、樓梯、鎖、通道等；

• 房子：由子部件進行組合和集成而成；

• 機制：子部件的組合與集成的原理支撐，比如形狀的組合與契合、承壓計算等。

如何理清其中的復(fù)雜交互關(guān)系，從而理解其中蘊含的設(shè)計思想呢？需要先理清楚框架的概念圖景。

有兩種技巧可以結(jié)合使用：

• 由于接口定義了具體類的行為規(guī)范，可以通過閱讀接口定義及文檔來了解其設(shè)計思路和骨架；

• 查看具體類的實例成員（暫不涉及方法），根據(jù)經(jīng)驗揣摩其設(shè)計意圖。

核心類成員

要深入到具體實現(xiàn)，則無法避免核心類的閱讀。核心類往往擁有十幾個甚至幾十個成員及方法，展示出了十足的源碼閱讀勸退誠意。面對這種情況怎么辦呢？有三個技巧可以結(jié)合使用：

• 按快捷鍵 Alt+7，可以查看該類的所有成員及方法，概覽一下，大致猜測其意圖；

• 首先只關(guān)注那些對核心問題求解有重要影響的成員，暫時忽略那些用來提升性能、可擴展性等方面的成員；

• 單步調(diào)試，仔細看看運行時的成員對象如何，這樣會更加直觀具體一些。比如 DefaultListableBeanFactory 這個類，單步調(diào)試后得到如下圖示：

技術(shù)難點

技術(shù)難點也是理解源碼實現(xiàn)的一個主要障礙。技術(shù)難點主要有三類：

• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法：比如 HashMap 用到了哈希表和紅黑樹，需要先閱讀文獻（比如《算法導(dǎo)論》）理解其結(jié)構(gòu)與算法；

• 原理機制：比如 IO 讀寫、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、編譯原理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，先學習相關(guān)的原理機制，夯實基礎(chǔ)；

• 編程模型：特別的編程手法和技巧，比如讀 hystrix 源碼，就要先熟悉函數(shù)式編程和響應(yīng)式編程。

如何找到論述原理機制的相關(guān)文獻呢？有一些基本方法可循：

• 經(jīng)典書籍：比如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，就有《算法導(dǎo)論》、《算法》、《計算機程序設(shè)計藝術(shù)》（排序與查找）等；

• 經(jīng)典論文：一些還沒來得及寫入書籍的論文解讀，比如 Raft 算法等；

• 技術(shù)書籍：比如 Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)，TCP 協(xié)議詳解等；

• 官方文檔：優(yōu)秀項目主頁的文檔部分，往往有相關(guān)原理機制的介紹，比如 ES 的官方文檔；

• JavaDoc：優(yōu)秀源碼的 Java Doc 往往會引用相關(guān)出處，比如 AQS 的源碼；

• 優(yōu)秀博文：優(yōu)秀博文往往有一些文獻引用，可以閱讀相關(guān)文獻引用；

• 百科與搜索：在維基百科上搜索出處和引用來源；或者使用搜索引擎。

越到后面，就會發(fā)現(xiàn)，真正需要仔細閱讀和鉆研的書籍和論文，其實并不多。花費很多時間閱讀網(wǎng)絡(luò)文章，這些偷懶和捷徑，反而是走了彎路。

耐心與意志

閱讀框架源碼需要很大的耐心和意志。有點像蠶寶寶吃桑葉，需要一點一點地啃。各個擊破。在這個過程中，需要克服不少障礙，才能“修得正果”。

可以使用多種輔助手段：

• 邊聽音樂邊閱讀代碼；

• 拉取代碼分支，邊讀邊做標記并提交；

• 閱讀原理、架構(gòu)及源碼分析文章。

小結(jié)

源碼閱讀技能，可以說是程序員的“內(nèi)功心法”之一。若是能讀通優(yōu)秀源碼，則應(yīng)對日常編程工作游刃有余，而應(yīng)對難題則有路可循。

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。

--完--

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