画图带你彻底弄懂三级缓存和循环依赖的问题

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大家好。我们都知道,Spring可以通过三级缓存解决循环依赖的问题,这也是面试中很常见的一个面试题,本文就来着重讨论一下有关循环依赖和三级缓存的问题。

一、什么是循环依赖

大家平时在写业务的时候应该写过这样的代码。

其实这种类型就是循环依赖,就是AService 和BService两个类相互引用。

二、三级缓存可以解决的循环依赖场景

如上面所说,大家平时在写这种代码的时候,项目其实是可以起来的,也就是说其实三级缓存是可以解决这种循环依赖的。

当然除了这种字段注入,set注入也是可以解决的,代码如下。

接下来就来探究三级缓存是如何解决这种循环依赖的?

三、Spring的Bean是如何创建出来的

本文所说的Bean和对象可以理解为同一个意思。

先说如何解决循环依赖之前,先来了解一下一个Bean创建的大致流程。为什么要说Bean的创建过程,因为循环依赖主要是发生在Bean创建的过程中,知道Bean是如何创建的,才能更好的理解三级缓存的作用。

其实Spring Bean的生命周期源码剖析我也在微信公众号 三友的java日记 中发过,并且有简单的提到三级缓存,有兴趣的同学可以在关注公众号之后回复 Bean 即可获取文章链接,里面有Bean创建过程更详细的说明。这里我简单画一张图来说一下。

其实图里的每个阶段还可以分为一些小的阶段,我这里就没画出来了。

来说一下每个阶段干了什么事。

  • BeanDefinition的读取阶段:我们在往Spring容器注入Bean的时候,一般会通过比如xml方式,@Bean注解的方式,@Component注解的方式,其实不论哪一种,容器启动的时候都会去解析这些配置,然后为每个Bean生成一个对应的BeanDefinition,这个BeanDefinition包含了这个Bean的创建的信息,Spring就是根据BeanDefinition去决定如何创建一个符合你要求的Bean
  • Bean的实例化阶段:这个阶段主要是将你配置的Bean根据Class的类型创建一个对象出来
  • Bean的属性赋值阶段:这个阶段主要是用来处理属性的赋值,比如@Autowired注解的生效就是在这个阶段的
  • Bean的初始化阶段:这个阶段主要是回调一些方法,比如你的类实现了InitializingBean接口,那么就会回调afterPropertiesSet方法,同时动态代理其实也是在这个阶段完成的。

其实从这可以看出,一个Spring Bean的生成要分为很多的阶段,只有这些事都处理完了,这个Bean才是完完全全创建好的Bean,也就是我们可以使用的Bean。

四、三级缓存指的是哪三级缓存

这里直接上源码

第一级缓存:singletonObjects

存放已经完完全全创建好的Bean,什么叫完完全全创建好的?就是上面说的是,所有的步骤都处理完了,就是创建好的Bean。一个Bean在产的过程中是需要经历很多的步骤,在这些步骤中可能要处理@Autowired注解,又或是处理@Transcational注解,当需要处理的都处理完之后的Bean,就是完完全全创建好的Bean,这个Bean是可以用来使用的,我们平时在用的Bean其实就是创建好的。

第二级缓存:earlySingletonObjects

早期暴露出去的Bean,其实也就是解决循环依赖的Bean。早期的意思就是没有完完全全创建好,但是由于有循环依赖,就需要把这种Bean提前暴露出去。其实 早期暴露出去的Bean 跟 完完全全创建好的Bean 他们是同一个对象,只不过早期Bean里面的注解可能还没处理,完完全全的Bean已经处理了完了,但是他们指的还是同一个对象,只不过它们是在Bean创建过程中处于的不同状态,如果早期暴露出去的Bean跟完完全全创建好的Bean不是同一个对象是会报错的,项目也就起不来,这个不一样导致报错问题,这里我会结合一个案例再来写一篇文章,这里不用太care,就认为是一样的。

第三级缓存:singletonFactories

存的是每个Bean对应的ObjectFactory对象,通过调用这个对象的getObject方法,就可以获取到早期暴露出去的Bean。

注意:这里有个很重要的细节就是三级缓存只会对单例的Bean生效,像多例的是无法利用到三级缓存的,通过三级缓存所在的类名DefaultSingletonBeanRegistry就可以看出,仅仅是对SingletonBean也就是单例Bean有效果。

五、三级缓存在Bean生成的过程中是如何解决循环依赖的

这里我假设项目启动时先创建了AService的Bean,那么就会根据Spring Bean创建的过程来创建。

在Bean的实例化阶段,就会创建出AService的对象,此时里面的@Autowired注解是没有处理的,创建出AService的对象之后就会构建AService对应的一个ObjectFactory对象放到三级缓存中,通过这个ObjectFactory对象可以获取到AService的早期Bean。

然后AService继续往下走,到了某一个阶段,开始处理@Autowired注解,要注入BService对象,如图

要注入BService对象,肯定要去找BService对象,那么他就会从三级缓存中的第一级缓存开始依次查找有没有BService对应的Bean,肯定都没有啊,因为BService还没创建呢。没有该怎么办呢?其实很好办,没有就去创建一个么,这样不就有了么。于是AService的注入BService的过程就算暂停了,因为现在得去创建BService,创建之后才能注入给AService。

于是乎,BService就开始创建了,当然他也是Spring的Bean,所以也按照Bean的创建方式来创建,先实例化一个BService对象,然后缓存对应的一个ObjectFactory到第三级缓存中,然后就到了需要处理@Autowired注解的时候了,如图。

@Autowired注解需要注入AService对象。注入AService对象,就需要先去拿到AService对象,此时也会一次从三级缓存查有没有AService。

先从第一级查,有没有创建好的AService,肯定没有,因为AService此时正在在创建(因为AService在创建的过程中需要注入BService才去创建BService的,虽然此刻代码正在创建BService,但是AService也是在创建的过程中,只不过暂停了,只要BService创建完,AService会继续往下创建);第一级缓存没有,那么就去第二级看看,也没有,没有早期的AService;然后去第三级缓存看看有没有AService对应的ObjectFactory对象,惊天的发现,竟然有(上面提到过,创建出AService的对象之后,会构建AService对应的一个ObjectFactory对象放到三级缓存中),那么此时就会调用AService对应的ObjectFactory对象的getObject方法,拿到早期的AService对象,然后将早期的AService对象放到二级缓存,为什么需要放到二级缓存,主要是怕还有其他的循环依赖,如果还有的话,直接从二级缓存中就能拿到早期的AService对象。

虽然是早期的AService对象,但是我前面说过,仅仅只是早期的AService对象可能有些Bean创建的步骤还没完成,跟最后完完全全创建好的AService Bean是同一个对象。

于是接下来就把早期的AService对象注入给BService。

此时BService的@Autowired注解注入AService对象就完成了,之后再经过其他阶段的处理之后,BService对象就完完全全的创建完了。

BService对象创建完之后,就会将BService放入第一级缓存,然后清空BService对应的第三级缓存,当然也会去清空第二级缓存,只是没有而已,至于为什么清空,很简单,因为BService已经完全创建好了,如果需要BService那就在第一级缓存中就能查找到,不需要在从第二级或者第三级缓存中找到早期的BService对象。

BService对象就完完全全的创建完之后,那么接下来该干什么呢?此时当然继续创建AService对象了,你不要忘了为什么需要创建BService对象,因为AService对象需要注入一个BService对象,所以才去创建BService的,那么此时既然BService已经创建完了,那么是不是就应该注入给AService对象了?所以就会将BService注入给AService对象,这下就明白了,BService在构建的时候,已经注入了AService,虽然是早期的AService,但的确是AService对象,现在又把BService注入给了AService,那么是不是已经解决了循环依赖的问题了,AService和BService都各自注入了对方,如图。

然后AService就会跟BService一样,继续处理其它阶段的,完全创建好之后,也会清空二三级缓存,放入第一级缓存。

到这里,AService和BService就都创建好了,循环依赖也就解决了。

这下你应该明白了三级缓存的作用,主要是第二级和第三级用来存早期的对象,这样在有循环依赖的对象,就可以注入另一个对象的早期状态,从而达到解决循环依赖的问题,而早期状态的对象,在构建完成之后,也就会成为完完全全可用的对象。

六、三级缓存无法解决的循环依赖场景

1)构造器注入无法解决循环依赖

上面的例子是通过@Autowired注解直接注入依赖的对象,但是如果通过构造器注入循环依赖的对象,是无法解决的,如代码下

构造器注入就是指创建AService对象的时候,就传入BService对象,而不是用@Autowired注解注入BService对象。

运行结果

启动时就会报错,所以通过构造器注入对象就能避免产生循环依赖的问题,因为如果有循环依赖的话,那么就会报错。

至于三级缓存为什么不能解决构造器注入的问题呢?其实很好理解,因为上面说三级缓存解决循环依赖的时候主要讲到,在AService实例化之后,会创建对应的ObjectFactory放到第三级缓存,发生循环依赖的时候,可以通过ObjectFactory拿到早期的AService对象;而构造器注入,是发生在实例化的时候,此时还没有AService对象正在创建,还没完成,压根就还没执行到往第三级添加对应的ObjectFactory的步骤,那么BService在创建的时候,就无法通过三级缓存拿到早期的AService对象,拿不到怎么办,那就去创建AService对象,但是AService不是正在创建么,于是会报错。

2)注入多例的对象无法解决循环依赖**

启动引导类

要获取AService对象,因为多例的Bean在容器启动的时候是不会去创建的,所以得去获取,这样就会创建了。

运行结果

为什么不能解决,上面在说三级缓存的时候已经说过了,三级缓存只能对单例Bean生效,那么多例是不会起作用的,并且在创建Bean的时候有这么一个判断,那就是如果出现循环依赖并且是依赖的是多例的Bean,那么直接抛异常,源码如下

注释其实说的很明白,推测出现了循环依赖,抛异常。

所以上面提到的两种循环依赖的场景,之所以无法通过三级缓存来解决,是因为压根这两种场景就无法使用三级缓存,所以三级缓存肯定解决不掉。\

七、不用三级缓存,用二级缓存能不能解决循环依赖

遇到这种面试题,你就跟面试官说,如果行的话,Spring的作者为什么不这么写呢?

哈哈,开个玩笑,接下来说说到底为什么不行。

这里我先说一下前面没提到的细节,那就是通过ObjectFactory获取的Bean可能是两种类型,第一种就是实例化阶段创建出来的对象,还是一种就是实例化阶段创建出来的对象的代理对象。至于是不是代理对象,取决于你的配置,如果添加了事务注解又或是自定义aop切面,那就需要代理。这里你不用担心,如果这里获取的是代理对象,那么最后完全创建好的对象也是代理对象,ObjectFactory获取的对象和最终完全创建好的还是同一个,不是同一个肯定会报错,所以上面的理论依然符合,这里只是更加的细节化。

有了这个知识点之后,我们就来谈一下为什么要三级缓存。

第一级缓存,也就是缓存完全创建好的Bean的缓存,这个缓存肯定是需要的,因为单例的Bean只能创建一次,那么肯定需要第一级缓存存储这些对象,如果有需要,直接从第一级缓存返回。那么如果只能有二级缓存的话,就只能舍弃第二级或者第三级缓存。

假设舍弃第三级缓存

舍弃第三级缓存,也就是没有ObjectFactory,那么就需要往第二缓存放入早期的Bean,那么是放没有代理的Bean还是被代理的Bean呢?

1)如果直接往二级缓存添加没有被代理的Bean,那么可能注入给其它对象的Bean跟最后最后完全生成的Bean是不一样的,因为最后生成的是代理对象,这肯定是不允许的;

2)那么如果直接往二级缓存添加一个代理Bean呢?

  • 假设没有循环依赖,提前暴露了代理对象,那么如果跟最后创建好的不一样,那么项目启动就会报错,
  • 假设没有循环依赖,使用了ObjectFactory,那么就不会提前暴露了代理对象,到最后生成的对象是什么就是什么,就不会报错,
  • 如果有循环依赖,不论怎样都会提前暴露代理对象,那么如果跟最后创建好的不一样,那么项目启动就会报错

通过上面分析,如果没有循环依赖,使用ObjectFactory,就减少了提前暴露代理对象的可能性,从而减少报错的可能。

假设舍弃第二级缓存

假设舍弃第二级缓存,也就是没有存放早期的Bean的缓存,其实肯定也不行。上面说过,ObjectFactory其实获取的对象可能是代理的对象,那么如果每次都通过ObjectFactory获取代理对象,那么每次都重新创建一个代理对象,这肯定也是不允许的。

从上面分析,知道为什么不能使用二级缓存了吧,第三级缓存就是为了避免过早地创建代理对象,从而避免没有循环依赖过早暴露代理对象产生的问题,而第二级缓存就是防止多次创建代理对象,导致对象不同。

本文完。

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