spring循环依赖之三级缓存的深入理解

问题描述

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？
很多篇文章都说第二级缓存不能去掉，是因为创建代理时要用到，那第三级缓存可以去掉吗？
要分析是不是可以去掉，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，这时候earlySingletonObjects里放的不再是实际对象，而是代理对象，代理对象的target(即实际对象)是半成品。
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。

新建一个demo工程，创建一个包，包名为：org.springframework.beans.factory.support
创建一个类，代码如下：

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。

总结

如果对象A和对象B循环依赖，且都有代理的话，那创建的顺序就是

A半成品加入第三级缓存
A填充属性注入B -> 创建B对象 -> B半成品加入第三级缓存
B填充属性注入A -> 创建A代理对象，从第三级缓存移除A对象，A代理对象加入第二级缓存（此时A还是半成品）
创建B代理对象（此时B是完成品） -> 从第三级缓存移除B对象，B代理对象加入第一级缓存
A半成品注入B完成品
从第二级缓存移除A代理对象，A代理对象加入第一级缓存