Spring源码学习：三级缓存的必要性

前言

工作中可能会碰到循坏依赖问题，所以了解其Spring设计原理，对于解决问题更加高效。在之前的文章中讲解了Spring的代码过程。这篇文章讲解Spring中三级缓存的必要性。

概述

Spring在属性注入时有两种方式，一种是实例化对象时同个构造器进行注入，这种情况如果产生循环依赖是没用办法解决的。另一种是实例化之后，来到属性填充流程，通过反射完成属性的注入，这种方式也会产生循环依赖问题，Spring中引用了三级缓存用于解决循环依赖。所以三级缓存只能解决特定场景下的循环依赖，一些场景是没办法解决的，如构造器注入、多例等。

正文

Spring的生命周期

在讲循环依赖之前，需要先了解一些Spring中Bean的生命周期，把其流程熟悉清楚才可以更好理解循环依赖场景。
以上是Spring IOC大概流程图，我们可以看到Bean的生命周期为实例化、属性注入、初始化、销毁等过程。

Spring中循环依赖场景

• 构造器循环依赖：Spring实例化过程中，会计算获取合适的构造函数，如果获取的构造器是一个有参的，此时的入参恰好也有该实例的场景，如实例化A时，构造器需要传入B，这时会先从三级缓存中获取；如果获取不到则会创建B，而创建B的过程中如果恰好使用的构造器是需要传入A的，这时尝试从缓存中获取，由于A还未被创建，所以此时获取不到，再去创建A就形成的闭环，陷入死循环了。如果创建B时，使用的是无参构造器，那么B是可以成功创建出来的，但是在B的属性填充环节又需要用到A，这也会产生循环依赖；构造器循环依赖时，无法解决；

• 原型模式（多例）循环依赖：Spring在每次从获取Bean时，如果是多例则不会尝试从缓存中获取，每次都会创建一个新的Bean对象进行返回，而在创建时其属性中也有引用Bean本身的情况，如A中有属性B，其两者为原型模式。这样在创建A过程时会尝试获取B，由于是多例的，获取B时又会先创建A，这样就形成闭环，产生循环依赖问题；原型模式（多例）循环依赖时，无法解决。

• DependsOn循环依赖：如果使用了DependsOn，则Spring在创建当前Bean之前，会先创建所依赖的Bean。如果依赖的Bean也依赖其本身或依赖的Bean的子孙们也依赖其本身也会产生循环依赖问题，如A依赖B，B依赖A；A依赖B，B依赖C，C依赖A；使用三级缓存可以解决此循环依赖问题。

• 单例属性填充循环依赖：Spring在完成Bean的实例化之后，会调用populateBean方法，该方法中会对Bean属性进行注入，通过反射的方式使用set注入。这里并不是所有属性都会进行注入，只有进行配置的属性才会进行注入，如使用@Autowire会尝试从BeanFactory中进行获取注入。populateBean过程发生的问题跟上述发生的差不多，使用三级缓存可以解决此循环依赖问题。

• 单例代理对象循环依赖：当我们使用@Async注解时，会生成一个新的代理对象。此时如果被代理类中属性类也引用了被代理类，则会出行循环依赖问题；使用三级缓存可以解决此循环依赖问题。

@Service
public class TestService1 {
    
    
 
    @Autowired
    private TestService2 testService2;
 
    public void test1() {
    
    
    }

@Service
public class TestService2 {
    
    
 
    @Autowired
    private TestService1 testService1;
 
    public void test2() {
    
    
    }

Spirng中的三级缓存

	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;
	}

该方法是Spring尝试从缓存中获取实例化后的对象过程，其中可以看到有三个缓存对象。

• singletonObjects：一级缓存，存放成品对象，也就是完成了实例化、属性注入、初始化（如代理对象生成）等过程的完整对象；
• earlySingletonObjects：二级缓存，存入实例化后还未进入属性注入，初始化方法调用的半成品对象；
• singletonFactories：三级缓存，该缓存是存入ObjectFactory，并不是真正的bean对象，当通过beanName从三级缓存中获取了ObjectFactory的实现类之后，通过其getObject()方法获取真正的对象，返回的对象可能是代理后的对象，也可能是原生对象。

getSingleton方法首先会尝试从一级缓存中获取完整的对象，获取到则返回；如果获取不到则从二级缓存中获取，获取到则返回；如果二级缓存中也获取不到对象，则尝试从三级缓存中获取对象，此时获取到的对象是ObjectFactory对象，需要调用其getObject方法获取真正的对象，获取到之后存入二级缓存，移除三级缓存；下次获取可直接从二级缓存中获取。

Spring一级缓存解决循环依赖

当只有一级缓存时，发生了循环依赖。以A类有属性B，B类有属性A为例；

1. 当实例化A之后，将A添加到一级缓存中，后进入属性注入流程；
2. 在发现B需要被注入，此时会去一级缓存中查找B，查询不到则进行创建；
3. 创建B之后，加入到一级缓存中。在进行属性注入时，发现需要A，此时会去一级缓存中查找A；
4. 由于步骤1中一级缓存有A了，所以此时获取到A后进行属性注入，这时的B就是一个完整的对象。
5. A获取到新创建的B之后，进行注入，此时A也是一个完整的对象了。

通过以上步骤，我们可以得出对于单例模式下，一级缓存是可以解决循环依赖的；但是这种方式是将半成品跟成品对象放在一块了，假设我们对SpringIOC进行拓展，实现新的上下文时，如果存在多线程的情况，当获取到一个半成品，调用其方法时，就会报空指针异常了，所以只使用一级缓存是很不友好的，拓展性太差了。

Spring二级缓存解决循环依赖

由于一级缓存的缺点，半成品跟成品Bean都混在一块，导致拓展性差的问题。使用二级缓存就可以解决一级缓存中的问题。

1. 一级缓存存放完整对象、二级缓存存放半成品对象
2. 我们在属性注入时，尝试获取所需的Bean，先从一级缓存中查找，查询不到再从二级缓存中进行查询。

通过二级缓存的方式，拓展性有所提升。但是二级缓存也是有所缺陷。

1. A是一个需要被代理的对象，Spring IOC会先创建原始对象，在属性注入之后的初始化环节中才会对其进行代理。
2. 创建普通的对象A之后，加入二级缓存中；属性注入时需要B，此时会创建B，B创建之后加入二级缓存。
3. B属性注入时，需要用到A，此时会去二级缓存中查找A，找到后进行注入，并加入到一级缓存中，移除二级缓存。
4. A获取到B之后，进行属性注入。注入完成后进入到初始化环节，调用BeanPostProcessor的postProcessAfterInitialization中生成代理对象EnhanceA;

大家是否发现B对象属性A是一个原生对象，并不是代理后的EnhanceA对象，所以这里就有问题了，二级缓存没办法解决代理的问题。

Spring三级缓存解决循环依赖

基于二级缓存的缺陷，这里Spring IOC引入了三级缓存。三级缓存存入的是一个FactoryObject，并不是真正的Bean对象。

public interface FactoryBean<T> {
    
    

	String OBJECT_TYPE_ATTRIBUTE = "factoryBeanObjectType";

	@Nullable
	T getObject() throws Exception;

	@Nullable
	Class<?> getObjectType();

	default boolean isSingleton() {
    
    
		return true;
	}

}

我们可以看到FactoryBean有getObject方法，在三级缓存中获取到FactoryBean类型对象后，通过调用其getObject方法返回真正的Bean对象。

1. 创建A之后，创建一个匿名内部类的FactoryBean存入三级缓存中。

			addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));

	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;
	}

从匿名内部类的代码实现，首先从BeanFactory工厂中获取所有的BeanPostProcessor ，如果SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor 类型的则调用其getEarlyBeanReference方法。而是否会被代理，就看SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor 中是否有加载代理生成的工具类（在Spring IOC的准备工作中创建的）。

2. 创建B之后，加入三级缓存。从一级缓存中查询，查不到从二级缓存中查询，查不到从三级缓存中查询。查询到之后，根据beanName名称获取到FactoryBean对象，并调用getObject方法，最终会得到真正的bean对象。该bean对象可能是代理对象也可能不是，要看具体的配置。从三级缓存中获取到对象之后，将该对象加入到二级缓存中，移除三级缓存，因为每次调用三级缓存可能开销是很大的。

3.B 获取到代理对象A之后进行属性注入，此时B就是一个完整的对象了，将二级缓存、三级缓存中的半成品移除，并将完整的对象加入到一级缓存中。

4、A获取到创建的B进行属性注入后，加入一级缓存中，移除二级、三级缓存。

通过以上步骤我们可以看到就能够解决二级缓存的缺陷了；可能有读者会有疑惑：

为什么不直接创建代理对象之后直接放入二级缓存呢？

如果直接放入二级缓存中也是没有问题的，但是需要考虑到代理的创建过程是及其耗时的，所以这里相当于采用懒加载的方法，当需要用到时再去进行创建，避免容器启动时，大量对象的创建，导致内存泄露等问题。

三级缓存中调用了代理对象，在初始化流程中还会进行代理吗？

在第一次创建代理之后会放入代理缓存中，当下次进行代理时，会尝试从缓存中获取，获取到了直接返回即可；

总结

循环依赖的解决方式有多种，Spring IOC是一个框架，所在在设计时会考虑拓展性，性能等各种问题，所以也是其应用广泛的原因之一吧。