一文告诉你Spring是如何利用“三级缓存“巧妙解决Bean的循环依赖问题的【享学Spring】(上)

简介: 一文告诉你Spring是如何利用“三级缓存“巧妙解决Bean的循环依赖问题的【享学Spring】(上)

前言


循环依赖:就是N个类循环(嵌套)引用

通俗的讲就是N个Bean互相引用对方,最终形成闭环。用一副经典的图示可以表示成这样(A、B、C都代表对象,虚线代表引用关系):

image.png


注意:其实可以N=1,也就是极限情况的循环依赖:自己依赖自己


另需注意:这里指的循环引用不是方法之间的循环调用,而是对象的相互依赖关系。(方法之间循环调用若有出口也是能够正常work的)


可以设想一下这个场景:如果在日常开发中我们用new对象的方式,若构造函数之间发生这种循环依赖的话,程序会在运行时一直循环调用最终导致内存溢出,示例代码如下:


public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println(new A());
    }
}
class A {
    public A() {
        new B();
    }
}
class B {
    public B() {
        new A();
    }
}


运行报错:

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError


这是一个典型的循环依赖问题。本文说一下Spring是如果巧妙的解决平时我们会遇到的三大循环依赖问题的~


Spring Bean的循环依赖


谈到Spring Bean的循环依赖,有的小伙伴可能比较陌生,毕竟开发过程中好像对循环依赖这个概念无感知。其实不然,你有这种错觉,权是因为你工作在Spring的襁褓中,从而让你“高枕无忧”~

我十分坚信,小伙伴们在平时业务开发中一定一定写过如下结构的代码:


@Service
public class AServiceImpl implements AService {
    @Autowired
    private BService bService;
    ...
}
@Service
public class BServiceImpl implements BService {
    @Autowired
    private AService aService;
    ...
}


这其实就是Spring环境下典型的循环依赖场景。但是很显然,这种循环依赖场景,Spring已经完美的帮我们解决和规避了问题。所以即使平时我们这样循环引用,也能够整成进行我们的coding之旅~


Spring中三大循环依赖场景演示

在Spring环境中,因为我们的Bean的实例化、初始化都是交给了容器,因此它的循环依赖主要表现为下面三种场景。为了方便演示,我准备了如下两个类:


image.png

1、构造器注入循环依赖


@Service
public class A {
    public A(B b) {
    }
}
@Service
public class B {
    public B(A a) {
    }
}


结果:项目启动失败抛出异常BeanCurrentlyInCreationException


Caused by: org.springframework.beans.factory.BeanCurrentlyInCreationException: Error creating bean with name 'a': Requested bean is currently in creation: Is there an unresolvable circular reference?
  at org.springframework.beans.factory.support.DefaultSingletonBeanRegistry.beforeSingletonCreation(DefaultSingletonBeanRegistry.java:339)
  at org.springframework.beans.factory.support.DefaultSingletonBeanRegistry.getSingleton(DefaultSingletonBeanRegistry.java:215)
  at org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory.doGetBean(AbstractBeanFactory.java:318)
  at org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory.getBean(AbstractBeanFactory.java:199)


构造器注入构成的循环依赖,此种循环依赖方式是无法解决的,只能抛出BeanCurrentlyInCreationException异常表示循环依赖。这也是构造器注入的最大劣势(它有很多独特的优势,请小伙伴自行发掘)


根本原因:Spring解决循环依赖依靠的是Bean的“中间态”这个概念,而这个中间态指的是已经实例化,但还没初始化的状态。而构造器是完成实例化的东东,所以构造器的循环依赖无法解决~~~


2、field属性注入(setter方法注入)循环依赖

这种方式是我们最最最最为常用的依赖注入方式(所以猜都能猜到它肯定不会有问题啦):


@Service
public class A {
    @Autowired
    private B b;
}
@Service
public class B {
    @Autowired
    private A a;
}


结果:项目启动成功,能够正常work


备注:setter方法注入方式因为原理和字段注入方式类似,此处不多加演示


2、prototype field属性注入循环依赖


prototype在平时使用情况较少,但是也并不是不会使用到,因此此种方式也需要引起重视。

@Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE)
@Service
public class A {
    @Autowired
    private B b;
}
@Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE)
@Service
public class B {
    @Autowired
    private A a;
}


结果:需要注意的是本例中启动时是不会报错的(因为非单例Bean默认不会初始化,而是使用时才会初始化),所以很简单咱们只需要手动getBean()或者在一个单例Bean内@Autowired一下它即可


// 在单例Bean内注入
    @Autowired
    private A a;


这样子启动就报错:


org.springframework.beans.factory.UnsatisfiedDependencyException: Error creating bean with name 'mytest.TestSpringBean': Unsatisfied dependency expressed through field 'a'; nested exception is org.springframework.beans.factory.UnsatisfiedDependencyException: Error creating bean with name 'a': Unsatisfied dependency expressed through field 'b'; nested exception is org.springframework.beans.factory.UnsatisfiedDependencyException: Error creating bean with name 'b': Unsatisfied dependency expressed through field 'a'; nested exception is org.springframework.beans.factory.BeanCurrentlyInCreationException: Error creating bean with name 'a': Requested bean is currently in creation: Is there an unresolvable circular reference?
  at org.springframework.beans.factory.annotation.AutowiredAnnotationBeanPostProcessor$AutowiredFieldElement.inject(AutowiredAnnotationBeanPostProcessor.java:596)
  at org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata.inject(InjectionMetadata.java:90)
  at org.springframework.beans.factory.annotation.AutowiredAnnotationBeanPostProcessor.postProcessProperties(AutowiredAnnotationBeanPostProcessor.java:374)


如何解决???可能有的小伙伴看到网上有说使用@Lazy注解解决:


    @Lazy
    @Autowired
    private A a;


此处负责任的告诉你这样是解决不了问题的(可能会掩盖问题),@Lazy只是延迟初始化而已,当你真正使用到它(初始化)的时候,依旧会报如上异常。


对于Spring循环依赖的情况总结如下:


不能解决的情况:

1. 构造器注入循环依赖

2. prototype field属性注入循环依赖

能解决的情况:

1. field属性注入(setter方法注入)循环依赖


Spring解决循环依赖的原理分析


在这之前需要明白java中所谓的引用传递和值传递的区别。


说明:看到这句话可能有小伙伴就想喷我了。java中明明都是传递啊,这是我初学java时背了100遍的面试题,怎么可能有错???

这就是我做这个申明的必要性:伙计,你的说法是正确的,java中只有值传递。但是本文借用引用传递来辅助讲解,希望小伙伴明白我想表达的意思~


Spring的循环依赖的理论依据基于Java的引用传递,当获得对象的引用时,对象的属性是可以延后设置的。(但是构造器必须是在获取引用之前,毕竟你的引用是靠构造器给你生成的,儿子能先于爹出生?哈哈)


Spring创建Bean的流程

首先需要了解是Spring它创建Bean的流程,我把它的大致调用栈绘图如下:


image.png


对Bean的创建最为核心三个方法解释如下:


  • createBeanInstance:例化,其实也就是调用对象的构造方法实例化对象
  • populateBean:填充属性,这一步主要是对bean的依赖属性进行注入(@Autowired)
  • initializeBean:回到一些形如initMethod、InitializingBean等方法


从对单例Bean的初始化可以看出,循环依赖主要发生在第二步(populateBean),也就是field属性注入的处理。


Spring容器的'三级缓存'


在Spring容器的整个声明周期中,单例Bean有且仅有一个对象。这很容易让人想到可以用缓存来加速访问。

从源码中也可以看出Spring大量运用了Cache的手段,在循环依赖问题的解决过程中甚至不惜使用了“三级缓存”,这也便是它设计的精妙之处~


三级缓存其实它更像是Spring容器工厂的内的术语,采用三级缓存模式来解决循环依赖问题,这三级缓存分别指:


public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry {
  ...
  // 从上至下 分表代表这“三级缓存”
  private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256); //一级缓存
  private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16); // 二级缓存
  private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16); // 三级缓存
  ...
  /** Names of beans that are currently in creation. */
  // 这个缓存也十分重要:它表示bean创建过程中都会在里面呆着~
  // 它在Bean开始创建时放值,创建完成时会将其移出~
  private final Set<String> singletonsCurrentlyInCreation = Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap<>(16));
  /** Names of beans that have already been created at least once. */
  // 当这个Bean被创建完成后,会标记为这个 注意:这里是set集合 不会重复
  // 至少被创建了一次的  都会放进这里~~~~
  private final Set<String> alreadyCreated = Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap<>(256));
}


注:AbstractBeanFactory继承自DefaultSingletonBeanRegistry~


  1. singletonObjects:用于存放完全初始化好的 bean,从该缓存中取出的 bean 可以直接使用
  2. earlySingletonObjects:提前曝光的单例对象的cache,存放原始的 bean 对象(尚未填充属性),用于解决循环依赖
  3. singletonFactories:单例对象工厂的cache,存放 bean 工厂对象,用于解决循环依赖


获取单例Bean的源码如下:

public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry {
  ...
  @Override
  @Nullable
  public Object getSingleton(String beanName) {
    return getSingleton(beanName, true);
  }
  @Nullable
  protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
    Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
    if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
      synchronized (this.singletonObjects) {
        singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
        if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
          ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
          if (singletonFactory != null) {
            singletonObject = singletonFactory.getObject();
            this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
            this.singletonFactories.remove(beanName);
          }
        }
      }
    }
    return singletonObject;
  }
  ...
  public boolean isSingletonCurrentlyInCreation(String beanName) {
    return this.singletonsCurrentlyInCreation.contains(beanName);
  }
  protected boolean isActuallyInCreation(String beanName) {
    return isSingletonCurrentlyInCreation(beanName);
  }
  ...
}


  1. 先从一级缓存singletonObjects中去获取。(如果获取到就直接return)
  2. 如果获取不到或者对象正在创建中(isSingletonCurrentlyInCreation()),那就再从二级缓存earlySingletonObjects中获取。(如果获取到就直接return)
  3. 如果还是获取不到,且允许singletonFactories(allowEarlyReference=true)通过getObject()获取。就从三级缓存singletonFactory.getObject()获取。(如果获取到了就从singletonFactories中移除,并且放进earlySingletonObjects。其实也就是从三级缓存移动(是剪切、不是复制哦~)到了二级缓存)

加入singletonFactories三级缓存的前提是执行了构造器,所以构造器的循环依赖没法解决

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