聊聊Spring循环依赖三级缓存是否可以减少为二级缓存的情况
作者：自由的♂
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。
以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。如有错误或未考虑完全的地方，望不吝赐教。