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Spring三级缓存解决循环依赖问题

article 2024/11/19 7:30:21

文章目录

1. 三级缓存解决的问题场景
2. 三级缓存的差异性
3. 循环依赖时的处理流程
4. 源码验证

1. 三级缓存解决的问题场景

循环依赖指的是在对象之间存在相互依赖关系，形成一个闭环，导致无法准确地完成对象的创建和初始化；当两个或多个对象彼此之间相互引用，而这种相互引用形成一个循环时，就可能出现循环依赖问题。

在早期的 Spring 版本中是可以自动解决的循环依赖的问题的，

public class A {
	@Autowired
    private B b;
}

public class B {
	@Autowired
    private A a;
}

但要注意，Spring 解决循环依赖是有前提条件的，

🍂第一，要求互相依赖的 Bean 必须要是单例的 Bean。

这是因为对于原型范围的 Bean（prototype scope），每次请求都会创建一个新的 Bean 实例，这样每次尝试解析循环依赖时，都会产生新的 Bean 实例，导致无限循环，由于没有全局的、持续的单例实例的缓存来引用，因此循环依赖无法得到解决。

🍂第二，依赖注入的方式不能都是构造函数注入的方式。

当使用构造函数注入时，一个 Bean 的实例在构造函数被完全调用之前是不会被创建的；如果 Bean A 的构造函数依赖于 Bean B，而 Bean B 的构造函数又依赖于 Bean A，那么就会产生一个死锁的情况，因为两者都不能在对方初始化之前完成初始化。

public class C {
    private D d;
    @Autowired
    public C(D d) {
        this.dService = dService;
    }
}

public class D {
    private C c;
    @Autowired
    public D(C c) {
        this.c = c;
    }
}

Spring 源码中关于三级缓存的定义如下：

// 一级缓存
private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);
// 二级缓存
private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16);
// 三级缓存
private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16);

所以说，所谓的“三级缓存”就是是指三个 Map 数据结构，分别用于存储不同状态的 Bean。

2. 三级缓存的差异性

🎯一级缓存：

一级缓存保存的是已经完全初始化和实例化的 Bean 对象，在程序中使用的 Bean 通常就是从这个缓存中获取的；这个缓存的目的是确保 Bean 只初始化一次（是单例的），避免多次实例化相同的Bean对象，提高性能。

🎯二级缓存：

二级缓存用来解决 Bean 创建过程中的循环依赖问题，它存储的是尚未完成属性注入和初始化的“半成品”Bean 对象；当 Spring容器发现两个或多个 Bean 之间存在循环依赖时，也就是当一个 Bean 创建过程中需要引用另一个正在创建的 Bean，Spring 将创建需要的这些未完全初始化的对象提前暴露在二级缓存中，以便其他 Bean 进行引用，确保它们之间的依赖能够被满足。

🎯三级缓存：

三级缓存中存储的是 ObjectFactory<?> 类型的代理工厂对象，主要用于处理存在 AOP 时的循环依赖问题；每个 Bean 都对应一个 ObjectFactory 对象，通过调用该对象的 getObject 方法，可以获取到早期暴露出去的 Bean；在该 Bean 要被其他 Bean 引用时，Spring 就会用工厂对象创建出该 Bean 的实例对象，最终当该 Bean 完成构造的所有步骤后就会将该 Bean 放入到一级缓存中。

3. 循环依赖时的处理流程

当 Spring 发生循环依赖时（以最开始介绍的场景为例，A B 两个 Bean 相互依赖），以下是完善的执行流程：

遍历待创建的所有 beanName：在容器启动时，Spring 会遍历所有需要创建的 Bean 名称，在第一次遍历到 A 时，就开始获取 Bean A；如果 Bean A 的实例不在一级、二级缓存中（缓存中没有值），Spring 会开始正常的 Bean 创建流程。
Bean A 的创建：Bean A 的创建过程开始，然后 Spring 会检查是否 A 是单例（Singleton），同时 A 是否已经创建完成；如果 A 是单例且尚未创建完成，将 A 的 BeanFactory 存入三级缓存。
处理依赖注入：A 开始处理 @Autowired 注解，尝试注入 B 属性；Spring 会在一级、二级缓存中来查找 Bean B，如果找不到，则开始正常创建 Bean B 的流程。
Bean B 的创建：Bean B 的创建过程类似于 A，首先判断B是否是单例，且是否已创建完成，如果否，B 的BeanFactory 也会被存入三级缓存。
B 注入 A 属性：B 开始注入 A 属性，尝试从一级、二级缓存中查找 A；如果在缓存中找不到 A，B 会尝试从三级缓存获取 A 的 BeanFactory，并通过 BeanFactory的getObject()方法获取 A 的属性，此时，A 被存入二级缓存，同时清除三级缓存；因此，B 能够成功注入 A 属性，B 接着执行初始化，处于实例化和初始化都已完成的完全状态。
B 存入一级缓存：B执行addSingleton()，将完全状态的 B 存入一级缓存，并清空二级，三级缓存。
A 继续注入 B 属性：A 继续注入 B 属性，调用beanFactory.getBean()方法获取 B，由于第六步已经将 B 存入一级缓存，A 可以直接获取 B，成功注入 B 属性， A 接着执行初始化，得到一个完全状态的 A。
A 存入一级缓存：A 执行addSingleton()，将完全状态的 A 存入一级缓存，并清空二级缓存。

此时，A 和 B 都被实例化和初始化完成，解决了循环依赖的问题；这个流程确保了每个Bean在需要时都能够获取到已完全初始化的依赖项。

🚀常见疑问解答

问题一：为什么在 Bean B 被注入 Bean A 之前，需要将 Bean A 存入二级缓存?

主要原因是，如果存在其他循环依赖需要用到 A，从二级缓存中直接取出早期的 Bean A 对象会更加高效。

问题二：为什么创建完 Bean 后要清空二、三级缓存?

清空是为了节省存储空间，一旦 Bean 完全初始化并存储在一级缓存中，其在二、三级缓存中的记录就不再需要了。

问题三：三级缓存为什么不能解决构造器引起的循环依赖?

这是因为构造器引起的循环依赖发生在 Bean 的实例化阶段，这个阶段比二、三级缓存处理的阶段还要早，无法创建出早期的半成品对象。

问题四：如果不使用三级缓存，只使用二级缓存，能否解决循环依赖？

肯定是不能的，二级缓存存储的 Bean 可能是两种类型，一种是实例化阶段创建出来的对象，另一种是实例化阶段创建出来的对象的代理对象；是否需要代理对象取决于你的配置需要，如是否添加了事务注解或自定义 AOP 切面；如果放弃使用三级缓存，即没有 ObjectFactory，那么就需要将早期的 Bean 放入二级缓存；但问题是，应该将未被代理的 Bean 还是代理的 Bean 放入二级缓存，这只能在属性注入阶段，处理注解时才能分辨。

如果直接往二级缓存添加没有被代理的 Bean，那么此时注入给其它对象的 Bean 可能跟最后完全生成的 Bean 是不一样的，因为最后生成使用的是可能代理对象，此时注入的是原始对象，这这种情况是不允许发生的。
如果直接往二级缓存添加一个代理 Bean，在不确定是否要使用代理对象的情况下，就有提前暴露代理对象的可能；正常的代理的对象都是初始化后期调用生成的，是基于后置处理器的，若提早的代理就违背了 Bean 定义的生命周期。

Spring 在一个三级缓存放置一个工厂，如果产生循环依赖，这个工厂的作用就是判断这个对象是否需要代理，如果否则直接返回，如果是则返回代理对像。

4. 源码验证

在项目中双击 Shift，全局查找文件：AbstractAutowireCapableBeanFactory，找到 550 行左右的 doCreateBean 方法，重点看一下 580 行到 600 行这20行代码就行，包含了三级缓存、属性注入、初始化，精华都在这20行，下面在源码中给出了关键注释。

protected Object doCreateBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable Object[] args)
        throws BeanCreationException {

    // Instantiate the bean.
    BeanWrapper instanceWrapper = null;
    if (mbd.isSingleton()) {
        instanceWrapper = this.factoryBeanInstanceCache.remove(beanName);
    }
    // 通过BeanDefinition实例化对象
    if (instanceWrapper == null) {
        instanceWrapper = createBeanInstance(beanName, mbd, args);
    }
    Object bean = instanceWrapper.getWrappedInstance();
    Class<?> beanType = instanceWrapper.getWrappedClass();
    if (beanType != NullBean.class) {
        mbd.resolvedTargetType = beanType;
    }

    // Allow post-processors to modify the merged bean definition.
    synchronized (mbd.postProcessingLock) {
        if (!mbd.postProcessed) {
            try {
                applyMergedBeanDefinitionPostProcessors(mbd, beanType, beanName);
            }
            catch (Throwable ex) {
                throw new BeanCreationException(mbd.getResourceDescription(), beanName,
                        "Post-processing of merged bean definition failed", ex);
            }
            mbd.postProcessed = true;
        }
    }

    // Eagerly cache singletons to be able to resolve circular references
    // even when triggered by lifecycle interfaces like BeanFactoryAware.
    // 对象是否单例、是否未创建完成
    boolean earlySingletonExposure = (mbd.isSingleton() && this.allowCircularReferences &&
            isSingletonCurrentlyInCreation(beanName));
    if (earlySingletonExposure) {
        if (logger.isTraceEnabled()) {
            logger.trace("Eagerly caching bean '" + beanName +
                    "' to allow for resolving potential circular references");
        }
        // 将对象的工厂加入到三级缓存
        addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));
    }

    // Initialize the bean instance.
    Object exposedObject = bean;
    try {
        // 属性注入 (在这里解析@Autowired注解时，触发循环依赖）
        populateBean(beanName, mbd, instanceWrapper);
        // 初始化
        exposedObject = initializeBean(beanName, exposedObject, mbd);
    }
    catch (Throwable ex) {
        if (ex instanceof BeanCreationException && beanName.equals(((BeanCreationException) ex).getBeanName())) {
            throw (BeanCreationException) ex;
        }
        else {
            throw new BeanCreationException(
                    mbd.getResourceDescription(), beanName, "Initialization of bean failed", ex);
        }
    }

    if (earlySingletonExposure) {
        // 从缓存中获取 Bean
        Object earlySingletonReference = getSingleton(beanName, false);
        if (earlySingletonReference != null) {
            if (exposedObject == bean) {
                exposedObject = earlySingletonReference;
            }
            else if (!this.allowRawInjectionDespiteWrapping && hasDependentBean(beanName)) {
                String[] dependentBeans = getDependentBeans(beanName);
                Set<String> actualDependentBeans = new LinkedHashSet<>(dependentBeans.length);
                for (String dependentBean : dependentBeans) {
                    if (!removeSingletonIfCreatedForTypeCheckOnly(dependentBean)) {
                        actualDependentBeans.add(dependentBean);
                    }
                }
                if (!actualDependentBeans.isEmpty()) {
                    throw new BeanCurrentlyInCreationException(beanName,
                            "Bean with name '" + beanName + "' has been injected into other beans [" +
                            StringUtils.collectionToCommaDelimitedString(actualDependentBeans) +
                            "] in its raw version as part of a circular reference, but has eventually been " +
                            "wrapped. This means that said other beans do not use the final version of the " +
                            "bean. This is often the result of over-eager type matching - consider using " +
                            "'getBeanNamesForType' with the 'allowEagerInit' flag turned off, for example.");
                }
            }
        }
    }

    // Register bean as disposable.
    try {
        registerDisposableBeanIfNecessary(beanName, bean, mbd);
    }
    catch (BeanDefinitionValidationException ex) {
        throw new BeanCreationException(
                mbd.getResourceDescription(), beanName, "Invalid destruction signature", ex);
    }

    return exposedObject;
}

从缓存中获取 Bean 的源码

protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
    // Quick check for existing instance without full singleton lock
    Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
    // 从一级缓存中获取
    // 如果一级缓存里没有，且 Bean 正在创建中
    // 就从二级缓存里获取
    if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
        singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
        // 二级缓存没有，就从三级缓存获取一个工厂
        if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
            synchronized (this.singletonObjects) {
                // Consistent creation of early reference within full sin
                singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
                if (singletonObject == null) {
                    singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
                    if (singletonObject == null) {
                        ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
                        if (singletonFactory != null) {
                            // 能获取到工厂则创建 Bean
                            singletonObject = singletonFactory.getObject();
                            // 把实例存入二级缓存
                            this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
                            // 把工厂从三级缓存移除
                            this.singletonFactories.remove(beanName);
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    return singletonObject;
}