基于Spring-5.1.5.RELEASE
问题

都知道Spring通过三级缓存来解决循环依赖的问题。但是是不是必须三级缓存才能解决,二级缓存不能解决吗?
要分析是不是可以去掉其中一级缓存,就先过一遍Spring是如何通过三级缓存来解决循环依赖的。

循环依赖

所谓的循环依赖,就是两个或则两个以上的bean互相依赖对方,最终形成闭环
。比如“A对象依赖B对象,而B对象也依赖A对象”,或者“A对象依赖B对象,B对象依赖C对象,C对象依赖A对象”;类似以下代码:
public class A { private B b; } public class B { private A a; }
常规情况下,会出现以下情况:

* 通过构建函数创建A对象(A对象是半成品,还没注入属性和调用init方法)。
* A对象需要注入B对象,发现对象池(缓存)里还没有B对象(对象在创建并且注入属性和初始化完成之后,会放入对象缓存里)。
* 通过构建函数创建B对象(B对象是半成品,还没注入属性和调用init方法)。
* B对象需要注入A对象,发现对象池里还没有A对象。
* 创建A对象,循环以上步骤。
三级缓存

Spring解决循环依赖的核心思想在于提前曝光:

* 通过构建函数创建A对象(A对象是半成品,还没注入属性和调用init方法)。
* A对象需要注入B对象,发现缓存里还没有B对象,将半成品对象A放入半成品缓存。
* 通过构建函数创建B对象(B对象是半成品,还没注入属性和调用init方法)。
* B对象需要注入A对象,从半成品缓存里取到半成品对象A。
* B对象继续注入其他属性和初始化,之后将完成品B对象放入完成品缓存。
* A对象继续注入属性,从完成品缓存中取到完成品B对象并注入。
* A对象继续注入其他属性和初始化,之后将完成品A对象放入完成品缓存。
其中缓存有三级:
/** Cache of singleton objects: bean name to bean instance. */ private final
Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256); /** Cache
of early singleton objects: bean name to bean instance. */ private final
Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16); /** Cache of
singleton factories: bean name to ObjectFactory. */ private final Map<String,
ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16);
缓存说明
singletonObjects第一级缓存,存放可用的成品Bean。
earlySingletonObjects第二级缓存,存放半成品的Bean,半成品的Bean是已创建对象,但是未注入属性和初始化。用以解决循环依赖。
singletonFactories第三级缓存,存的是Bean工厂对象,用来生成半成品的Bean并放入到二级缓存中。用以解决循环依赖。
要了解原理,最好的方法就是阅读源码,从创建Bean的方法AbstractAutowireCapableBeanFactor.doCreateBean入手。

1. 在构造Bean对象之后,将对象提前曝光到缓存中,这时候曝光的对象仅仅是构造完成,还没注入属性和初始化。
public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends
AbstractBeanFactory implements AutowireCapableBeanFactory { protected Object
doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final
@Nullable Object[] args) throws BeanCreationException { …… // 是否提前曝光 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"); }
addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd,
bean)); } …… } }
2. 提前曝光的对象被放入Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories缓存中,这里并不是直接将Bean
放入缓存,而是包装成ObjectFactory对象再放入。
public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry
implements SingletonBeanRegistry { protected void addSingletonFactory(String
beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) { Assert.notNull(singletonFactory,
"Singleton factory must not be null"); synchronized (this.singletonObjects) {
// 一级缓存 if (!this.singletonObjects.containsKey(beanName)) { // 三级缓存
this.singletonFactories.put(beanName, singletonFactory); // 二级缓存
this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
this.registeredSingletons.add(beanName); } } } } public interface
ObjectFactory<T> { T getObject() throws BeansException; }
3. 为什么要包装一层ObjectFactory对象?

如果创建的Bean有对应的代理,那其他对象注入时,注入的应该是对应的代理对象;但是Spring无法提前知道这个对象是不是有循环依赖的情况,而正常情况下(没有
循环依赖情况),Spring都是在创建好完成品Bean之后才创建对应的代理。这时候Spring有两个选择:

* 不管有没有循环依赖,都提前创建好代理对象,并将代理对象放入缓存,出现循环依赖时,其他对象直接就可以取到代理对象并注入。
* 不提前创建好代理对象,在出现循环依赖被其他对象注入时,才实时生成代理对象。这样在没有循环依赖的情况下,Bean就可以按着Spring设计原则
的步骤来创建。
Spring选择了第二种方式,那怎么做到提前曝光对象而又不生成代理呢?
Spring就是在对象外面包一层ObjectFactory,提前曝光的是ObjectFactory对象,在被注入时才在
ObjectFactory.getObject方式内实时生成代理对象,并将生成好的代理对象放入到第二级缓存Map<String, Object>
earlySingletonObjects。
addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd,
bean));:
public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends
AbstractBeanFactory implements AutowireCapableBeanFactory { protected Object
getEarlyBeanReference(String beanName, RootBeanDefinition mbd, Object bean) {
Object exposedObject = bean; if (!mbd.isSynthetic() &&
hasInstantiationAwareBeanPostProcessors()) { for (BeanPostProcessor bp :
getBeanPostProcessors()) { if (bp instanceof
SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) {
SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor ibp =
(SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) bp; exposedObject =
ibp.getEarlyBeanReference(exposedObject, beanName); } } } return exposedObject;
} }
为了防止对象在后面的初始化(init)时重复代理,在创建代理时,earlyProxyReferences缓存会记录已代理的对象。
public abstract class AbstractAutoProxyCreator extends ProxyProcessorSupport
implements SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor, BeanFactoryAware { private
final Map<Object, Object> earlyProxyReferences = new ConcurrentHashMap<>(16);
@Override public Object getEarlyBeanReference(Object bean, String beanName) {
Object cacheKey = getCacheKey(bean.getClass(), beanName);
this.earlyProxyReferences.put(cacheKey, bean); return wrapIfNecessary(bean,
beanName, cacheKey); } }
4. 注入属性和初始化

提前曝光之后:

* 通过populateBean方法注入属性,在注入其他Bean对象时,会先去缓存里取,如果缓存没有,就创建该对象并注入。
* 通过initializeBean方法初始化对象,包含创建代理。 public abstract class
AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory implements
AutowireCapableBeanFactory { protected Object doCreateBean(final String
beanName, final RootBeanDefinition mbd, final @Nullable Object[] args) throws
BeanCreationException { …… // Initialize the bean instance. Object
exposedObject = bean; try { populateBean(beanName, mbd, instanceWrapper);
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); }
} …… } } // 获取要注入的对象 public class DefaultSingletonBeanRegistry extends
SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry { protected Object
getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) { // 一级缓存 Object
singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName); if (singletonObject ==
null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) { synchronized
(this.singletonObjects) { // 二级缓存 singletonObject =
this.earlySingletonObjects.get(beanName); if (singletonObject == null &&
allowEarlyReference) { // 三级缓存 ObjectFactory<?> singletonFactory =
this.singletonFactories.get(beanName); if (singletonFactory != null) {
singletonObject = singletonFactory.getObject();
this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
this.singletonFactories.remove(beanName); } } } } return singletonObject; } }
5. 放入已完成创建的单例缓存

在经历了以下步骤之后,最终通过addSingleton方法将最终生成的可用的Bean放入到单例缓存里。

* AbstractBeanFactory.doGetBean ->
* DefaultSingletonBeanRegistry.getSingleton ->
* AbstractAutowireCapableBeanFactory.createBean ->
* AbstractAutowireCapableBeanFactory.doCreateBean ->
* DefaultSingletonBeanRegistry.addSingleton public class
DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements
SingletonBeanRegistry { /** Cache of singleton objects: bean name to bean
instance. */ private final Map<String, Object> singletonObjects = new
ConcurrentHashMap<>(256); /** Cache of singleton factories: bean name to
ObjectFactory. */ private final Map<String, ObjectFactory<?>>
singletonFactories = new HashMap<>(16); /** Cache of early singleton objects:
bean name to bean instance. */ private final Map<String, Object>
earlySingletonObjects = new HashMap<>(16); protected void addSingleton(String
beanName, Object singletonObject) { synchronized (this.singletonObjects) {
this.singletonObjects.put(beanName, singletonObject);
this.singletonFactories.remove(beanName);
this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
this.registeredSingletons.add(beanName); } } }
二级缓存

上面第三步《为什么要包装一层ObjectFactory对象?》里讲到有两种选择:

* 不管有没有循环依赖,都提前创建好代理对象,并将代理对象放入缓存,出现循环依赖时,其他对象直接就可以取到代理对象并注入。
* 不提前创建好代理对象,在出现循环依赖被其他对象注入时,才实时生成代理对象。这样在没有循环依赖的情况下,Bean就可以按着Spring设计原则
的步骤来创建。
Sping选择了第二种,如果是第一种,就会有以下不同的处理逻辑:

* 在提前曝光半成品时,直接执行getEarlyBeanReference创建到代理,并放入到缓存earlySingletonObjects中。
* 有了上一步,那就不需要通过ObjectFactory来延迟执行getEarlyBeanReference,也就不需要singletonFactories
这一级缓存。
这种处理方式可行吗?
这里做个试验,对AbstractAutowireCapableBeanFactory做个小改造,在放入三级缓存之后立刻取出并放入二级缓存,这样三级缓存
的作用就完全被忽略掉,就相当于只有二级缓存。

public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends
AbstractBeanFactory implements AutowireCapableBeanFactory { protected Object
doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final
@Nullable Object[] args) throws BeanCreationException { …… // 是否提前曝光 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"); }
addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd,
bean)); // 立刻从三级缓存取出放入二级缓存 getSingleton(beanName, true); } …… } }
测试结果是可以的,并且从源码上分析可以得出两种方式性能是一样的,并不会影响到Sping启动速度。那为什么Sping不选择二级缓存方式,而是要额外加一层缓存?
如果要使用二级缓存解决循环依赖,意味着Bean在构造完后就创建代理对象,这样违背了Spring设计原则。Spring结合AOP跟Bean的生命周期,是在
Bean创建完全之后通过AnnotationAwareAspectJAutoProxyCreator这个后置处理器来完成的,在这个后置处理的
postProcessAfterInitialization方法中对初始化后的Bean完成AOP代理。如果出现了循环依赖
,那没有办法,只有给Bean先创建代理,但是没有出现循环依赖的情况下,设计之初就是让Bean在生命周期的最后一步完成代理而不是在实例化后就立马完成代理。

技术
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