前言

在 Java 開發(fā)領(lǐng)域，Spring 框架以其強(qiáng)大的功能和高度的靈活性被廣泛應(yīng)用。其中，循環(huán)依賴問題是 Spring 在 Bean 管理過程中必須妥善處理的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。Spring 采用了獨(dú)特的三級(jí)緩存機(jī)制來有效應(yīng)對(duì)這一難題。

什么是Spring的循環(huán)依賴

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循環(huán)依賴，簡(jiǎn)單來說，就是兩個(gè)或多個(gè) Bean 之間相互持有對(duì)方的引用，形成一個(gè)閉環(huán)。例如，Bean A 依賴于 Bean B，而 Bean B 又依賴于 Bean A，這就構(gòu)成了一個(gè)典型的循環(huán)依賴場(chǎng)景。在 Spring 容器初始化這些 Bean 時(shí)，如果不能妥善處理循環(huán)依賴，將會(huì)導(dǎo)致程序陷入無限循環(huán)，無法完成 Bean 的創(chuàng)建與初始化，進(jìn)而使應(yīng)用程序無法正常啟動(dòng)。

注意：

• Spring解決循環(huán)依賴是有一定限制的：

首先就是要求互相依賴的Bean必須要是單例的Bean。

另外就是依賴注入的方式不能都是構(gòu)造函數(shù)注入的方式。

為什么只支持單例

Spring循環(huán)依賴的解決方案主要是通過對(duì)象的提前暴露來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一個(gè)對(duì)象在創(chuàng)建過程中需要引用到另一個(gè)正在創(chuàng)建的對(duì)象時(shí)，Spring會(huì)先提前暴露一個(gè)尚未完全初始化的對(duì)象實(shí)例，以解決循環(huán)依賴的問題。這個(gè)尚未完全初始化的對(duì)象實(shí)例就是半成品對(duì)象。

在 Spring 容器中，單例對(duì)象的創(chuàng)建和初始化只會(huì)發(fā)生一次，并且在容器啟動(dòng)時(shí)就完成了。這意味著，在容器運(yùn)行期間，單例對(duì)象的依賴關(guān)系不會(huì)發(fā)生變化。因此，可以通過提前暴露半成品對(duì)象的方式來解決循環(huán)依賴的問題。

相比之下，原型對(duì)象的創(chuàng)建和初始化可以發(fā)生多次，并且可能在容器運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)地發(fā)生變化。因此，對(duì)于原型對(duì)象，提前暴露半成品對(duì)象并不能解決循環(huán)依賴的問題，因?yàn)樵诤罄m(xù)的創(chuàng)建過程中，可能會(huì)涉及到不同的原型對(duì)象實(shí)例，無法像單例對(duì)象那樣緩存并復(fù)用半成品對(duì)象。

因此，Spring只支持通過單例對(duì)象的提前暴露來解決循環(huán)依賴問題。

為什么不支持構(gòu)造函數(shù)注入

Spring無法解決構(gòu)造函數(shù)的循環(huán)依賴，是因?yàn)樵趯?duì)象實(shí)例化過程中，構(gòu)造函數(shù)是最先被調(diào)用的，而此時(shí)對(duì)象還未完成實(shí)例化，無法注入一個(gè)尚未完全創(chuàng)建的對(duì)象，因此Spring容器無法在構(gòu)造函數(shù)注入中實(shí)現(xiàn)循環(huán)依賴的解決。

什么是Spring的三級(jí)緩存

在Spring的BeanFactory體系中，BeanFactory是Spring IoC容器的基礎(chǔ)接口，其DefaultSingletonBeanRegistry類實(shí)現(xiàn)了BeanFactory接口，并且維護(hù)了三級(jí)緩存：

public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry {
  //一級(jí)緩存，保存完成的Bean對(duì)象
  private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);
  //三級(jí)緩存，保存單例Bean的創(chuàng)建工廠
  private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16);
  //二級(jí)緩存，存儲(chǔ)"半成品"的Bean對(duì)象
  private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(16);
}

• singletonObjects是一級(jí)緩存，存儲(chǔ)的是完整創(chuàng)建好的單例bean對(duì)象。在創(chuàng)建一個(gè)單例bean時(shí)，會(huì)先從singletonObjects中嘗試獲取該bean的實(shí)例，如果能夠獲取到，則直接返回該實(shí)例，否則繼續(xù)創(chuàng)建該bean。
• earlySingletonObjects是二級(jí)緩存，存儲(chǔ)的是尚未完全創(chuàng)建好的單例bean對(duì)象。在創(chuàng)建單例bean時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)該bean存在循環(huán)依賴，則會(huì)先創(chuàng)建該bean的半成品對(duì)象，并將半成品對(duì)象存儲(chǔ)到earlySingletonObjects中。當(dāng)循環(huán)依賴的bean創(chuàng)建完成后，Spring會(huì)將完整的bean實(shí)例對(duì)象存儲(chǔ)到singletonObjects中，并將earlySingletonObjects中存儲(chǔ)的代理對(duì)象替換為完整的bean實(shí)例對(duì)象。這樣可以保證單例bean的創(chuàng)建過程不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)依賴問題。
• singletonFactories是三級(jí)緩存，存儲(chǔ)的是單例bean的創(chuàng)建工廠。當(dāng)一個(gè)單例bean被創(chuàng)建時(shí)，Spring會(huì)先將該bean的創(chuàng)建工廠存儲(chǔ)到singletonFactories中，然后再執(zhí)行創(chuàng)建工廠的getObject()方法，生成該bean的實(shí)例對(duì)象。在該bean被其他bean引用時(shí)，Spring會(huì)從singletonFactories中獲取該bean的創(chuàng)建工廠，并將這個(gè)早期引用放入二級(jí)緩存earlySingletonObjects中，同時(shí)從三級(jí)緩存中移除BeanA的工廠對(duì)象。

以下是DefaultSingletonBeanRegistry#getSingleton方法，代碼中，包括一級(jí)緩存、二級(jí)緩存、三級(jí)緩存的處理邏輯，該方法是獲取bean的單例實(shí)例對(duì)象的核心方法：

@Nullable
protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
    // 首先從一級(jí)緩存中獲取bean實(shí)例對(duì)象，如果已經(jīng)存在，則直接返回
    Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
    if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
        // 如果一級(jí)緩存中不存在bean實(shí)例對(duì)象，而且當(dāng)前bean正在創(chuàng)建中，則從二級(jí)緩存中獲取bean實(shí)例對(duì)象
        singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
        if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
            // 如果二級(jí)緩存中也不存在bean實(shí)例對(duì)象，并且允許提前引用，則需要在鎖定一級(jí)緩存之前，
            // 先鎖定二級(jí)緩存，然后再進(jìn)行一系列處理
            synchronized (this.singletonObjects) {
                // 進(jìn)行一系列安全檢查后，再次從一級(jí)緩存和二級(jí)緩存中獲取bean實(shí)例對(duì)象
                singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
                if (singletonObject == null) {
                    singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
                    if (singletonObject == null) {
                        // 如果二級(jí)緩存中也不存在bean實(shí)例對(duì)象，則從三級(jí)緩存中獲取bean的ObjectFactory，并創(chuàng)建bean實(shí)例對(duì)象
                        ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
                        if (singletonFactory != null) {
                            singletonObject = singletonFactory.getObject();
                            // 將創(chuàng)建好的bean實(shí)例對(duì)象存儲(chǔ)到二級(jí)緩存中
                            this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
                            // 從三級(jí)緩存中移除bean的ObjectFactory
                            this.singletonFactories.remove(beanName);
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    return singletonObject;
}

二級(jí)緩存

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其實(shí)，使用二級(jí)緩存也能解決循環(huán)依賴的問題，一級(jí)緩存用于存儲(chǔ)已經(jīng)完全初始化好的 Bean 實(shí)例，這些 Bean 可以直接被應(yīng)用程序使用。二級(jí)緩存則存儲(chǔ)那些已經(jīng)實(shí)例化，但尚未完成屬性注入和其他初始化操作的 Bean，即 半成品Bean。

當(dāng) Spring 容器創(chuàng)建一個(gè) Bean 時(shí)，首先會(huì)嘗試從一級(jí)緩存中獲取該 Bean。如果一級(jí)緩存中不存在，再去二級(jí)緩存中查找。若在二級(jí)緩存中找到，則返回這個(gè) 半成品Bean，等待后續(xù)完成剩余的初始化步驟。

但是如果完全依靠二級(jí)緩存解決循環(huán)依賴，意味著當(dāng)我們依賴了一個(gè)代理類的時(shí)候，就需要在Bean實(shí)例化之后完成AOP代理。而在Spring的設(shè)計(jì)中，為了解耦Bean的初始化和代理，是通過AnnotationAwareAspectJAutoProxyCreator這個(gè)后置處理器來在Bean生命周期的最后一步來完成AOP代理的。

因?yàn)樵?/span>Spring的初始化過程中，他是不知道哪些Bean可能有循環(huán)依賴的，那么，這時(shí)候Spring面臨兩個(gè)選擇：

• 不管有沒有循環(huán)依賴，都提前把代理對(duì)象創(chuàng)建出來，并將代理對(duì)象緩存起來，出現(xiàn)循環(huán)依賴時(shí)，其他對(duì)象直接就可以取到代理對(duì)象并注入。
• 不提前創(chuàng)建代理對(duì)象，在出現(xiàn)循環(huán)依賴時(shí)，再生成代理對(duì)象。這樣在沒有循環(huán)依賴的情況下，Bean就可以按著Spring設(shè)計(jì)原則的步驟來創(chuàng)建。

二級(jí)緩存看上去比較簡(jiǎn)單，但是他也意味著Spring需要在所有的bean的創(chuàng)建過程中就要先生成代理對(duì)象再初始化，那么這就和Spring的aop的設(shè)計(jì)原則是相悖的。

• AOP 代理問題：當(dāng) Bean 涉及 AOP 代理時(shí)，二級(jí)緩存的局限性就凸顯出來了。在 Spring 中，AOP 通過代理機(jī)制為 Bean 添加額外的功能，如事務(wù)管理、日志記錄等。在循環(huán)依賴場(chǎng)景下，如果使用二級(jí)緩存，可能會(huì)出現(xiàn)獲取到的 Bean 不是代理對(duì)象的情況。因?yàn)槎?jí)緩存中的 Bean 在被放入時(shí)，可能還未經(jīng)過 AOP 代理處理。當(dāng)其他 Bean 依賴這個(gè)未代理的 Bean 時(shí)，后續(xù)在使用該 Bean 的代理功能時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致 AOP 功能無法正常發(fā)揮。
• 破壞設(shè)計(jì)原則：Spring 的設(shè)計(jì)理念強(qiáng)調(diào)將 Bean 的創(chuàng)建和初始化過程進(jìn)行解耦，以提高代碼的可維護(hù)性和擴(kuò)展性。二級(jí)緩存機(jī)制在某些情況下可能會(huì)破壞這一設(shè)計(jì)原則。由于需要在 Bean 未完全初始化時(shí)就將其放入二級(jí)緩存，可能會(huì)導(dǎo)致在后續(xù)的初始化過程中，需要對(duì)這些 半成品Bean 進(jìn)行額外的特殊處理，增加了代碼的復(fù)雜性和耦合度，不符合 Spring 設(shè)計(jì)的初衷。

而Spring為了不破壞AOP的代理設(shè)計(jì)原則，則引入第三級(jí)緩存，在三級(jí)緩存中保存對(duì)象工廠，因?yàn)橥ㄟ^對(duì)象工廠我們可以在想要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象的時(shí)候直接獲取對(duì)象。有了它，在后續(xù)發(fā)生循環(huán)依賴時(shí)，如果依賴的Bean被AOP代理，那么通過這個(gè)工廠獲取到的就是代理后的對(duì)象，如果沒有被AOP代理，那么這個(gè)工廠獲取到的就是實(shí)例化的真實(shí)對(duì)象。

總結(jié)

Spring 選擇使用三級(jí)緩存而不是二級(jí)緩存來解決循環(huán)依賴問題，是基于對(duì) AOP 代理支持和遵循自身設(shè)計(jì)原則的綜合考量。三級(jí)緩存機(jī)制通過巧妙地分離 Bean 的實(shí)例化、初始化以及代理對(duì)象的創(chuàng)建過程，在復(fù)雜的循環(huán)依賴場(chǎng)景下，能夠確保 Bean 的正確創(chuàng)建和初始化，同時(shí)保證 AOP 功能的正常運(yùn)行。