Spring高手之路4——深度解析Spring内置作用域及其在实践中的应用

1. Spring的内置作用域

我们来看看Spring内置的作用域类型。在5.x版本中，Spring内置了六种作用域：

• singleton：在IOC容器中，对应的Bean只有一个实例，所有对它的引用都指向同一个对象。这种作用域非常适合对于无状态的Bean，比如工具类或服务类。
• prototype：每次请求都会创建一个新的Bean实例，适合对于需要维护状态的Bean。
• request：在Web应用中，为每个HTTP请求创建一个Bean实例。适合在一个请求中需要维护状态的场景，如跟踪用户行为信息。
• session：在Web应用中，为每个HTTP会话创建一个Bean实例。适合需要在多个请求之间维护状态的场景，如用户会话。
• application：在整个Web应用期间，创建一个Bean实例。适合存储全局的配置数据等。
• websocket：在每个WebSocket会话中创建一个Bean实例。适合WebSocket通信场景。

我们需要重点学习两种作用域：singleton和prototype。在大多数情况下singleton和prototype这两种作用域已经足够满足需求。

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2. singleton作用域

2.1 singleton作用域的定义和用途

  Singleton是Spring的默认作用域。在这个作用域中，Spring容器只会创建一个实例，所有对该bean的请求都将返回这个唯一的实例。

例如，我们定义一个名为Plaything的类，并将其作为一个bean：

@Component
public class Plaything {
    
    

    public Plaything() {
    
    
        System.out.println("Plaything constructor run ...");
    }
}

  在这个例子中，Plaything是一个singleton作用域的bean。无论我们在应用中的哪个地方请求这个bean，Spring都会返回同一个Plaything实例。

下面的例子展示了如何创建一个单实例的Bean：

package com.example.demo.bean;

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class Kid {
    
    

    private Plaything plaything;

    @Autowired
    public void setPlaything(Plaything plaything) {
    
    
        this.plaything = plaything;
    }

    public Plaything getPlaything() {
    
    
        return plaything;
    }
}

package com.example.demo.bean;

import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class Plaything {
    
    

    public Plaything() {
    
    
        System.out.println("Plaything constructor run ...");
    }
}

  这里可以在Plaything类加上@Scope(BeanDefinition.SCOPE_SINGLETON)，但是因为是默认作用域是Singleton，所以没必要加。

package com.example.demo.configuration;

import com.example.demo.bean.Kid;
import com.example.demo.bean.Plaything;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

@Configuration
public class BeanScopeConfiguration {
    
    

    @Bean
    public Kid kid1(Plaything plaything1) {
    
    
        Kid kid = new Kid();
        kid.setPlaything(plaything1);
        return kid;
    }

    @Bean
    public Kid kid2(Plaything plaything2) {
    
    
        Kid kid = new Kid();
        kid.setPlaything(plaything2);
        return kid;
    }
}

package com.example.demo.application;

import com.example.demo.bean.Kid;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.ComponentScan;


@SpringBootApplication
@ComponentScan("com.example")
public class DemoApplication {
    
    

    public static void main(String[] args) {
    
    
        ApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(DemoApplication.class);
        context.getBeansOfType(Kid.class).forEach((name, kid) -> {
    
    
            System.out.println(name + " : " + kid.getPlaything());
        });
    }

}

  在Spring IoC容器的工作中，扫描过程只会创建bean的定义，真正的bean实例是在需要注入或者通过getBean方法获取时才会创建。这个过程被称为bean的初始化。

  这里运行 ctx.getBeansOfType(Kid.class).forEach((name, kid) -> System.out.println(name + " : " + kid.getPlaything())); 时，Spring IoC容器会查找所有的Kid类型的bean定义，然后为每一个找到的bean定义创建实例（如果这个bean定义还没有对应的实例），并注入相应的依赖。

运行结果：

  三个 Kid 的 Plaything bean是相同的，说明默认情况下 Plaything 是一个单例bean，整个Spring应用中只有一个 Plaything bean被创建。

为什么会有3个kid？

1. Kid: 这个是通过在Kid类上标注的@Component注解自动创建的。Spring在扫描时发现这个注解，就会自动在IOC容器中注册这个bean。这个Bean的名字默认是将类名的首字母小写kid。

2. kid1: 在 BeanScopeConfiguration 中定义，通过kid1(Plaything plaything1)方法创建，并且注入了plaything1。

3. kid2: 在 BeanScopeConfiguration 中定义，通过kid2(Plaything plaything2)方法创建，并且注入了plaything2。

2.2 singleton作用域线程安全问题

需要注意的是，虽然singleton Bean只会有一个实例，但Spring并不会解决其线程安全问题，开发者需要根据实际场景自行处理。

我们通过一个代码示例来说明在多线程环境中出现singleton Bean的线程安全问题。

首先，我们创建一个名为Counter的singleton Bean，这个Bean有一个count变量，提供increment方法来增加count的值：

package com.example.demo.bean;

import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class Counter {
    
    

    private int count = 0;

    public int increment() {
    
    
        return ++count;
    }
}

然后，我们创建一个名为CounterService的singleton Bean，这个Bean依赖于Counter，在increaseCount方法中，我们调用counter.increment方法：

package com.example.demo.service;

import com.example.demo.bean.Counter;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class CounterService {
    
    
	@Autowired
    private final Counter counter;

    public void increaseCount() {
    
    
        counter.increment();
    }
}

  我们在多线程环境中调用counterService.increaseCount方法时，就可能出现线程安全问题。因为counter.increment方法并非线程安全，多个线程同时调用此方法可能会导致count值出现预期外的结果。

  要解决这个问题，我们需要使counter.increment方法线程安全。

  这里可以使用原子变量，在Counter类中，我们可以使用AtomicInteger来代替int类型的count，因为AtomicInteger类中的方法是线程安全的，且其性能通常优于synchronized关键字。

package com.example.demo.bean;

import org.springframework.stereotype.Component;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

@Component
public class Counter {
    
    
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public int increment() {
    
    
        return count.incrementAndGet();
    }
}

  尽管优化后已经使Counter类线程安全，但在设计Bean时，我们应该尽可能地减少可变状态。这是因为可变状态使得并发编程变得复杂，而无状态的Bean通常更容易理解和测试。

  什么是无状态的Bean呢？ 如果一个Bean不持有任何状态信息，也就是说，同样的输入总是会得到同样的输出，那么这个Bean就是无状态的。反之，则是有状态的Bean。

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3. prototype作用域

3.1 prototype作用域的定义和用途

在prototype作用域中，Spring容器会为每个请求创建一个新的bean实例。

例如，我们定义一个名为Plaything的类，并将其作用域设置为prototype：

package com.example.demo.bean;

import org.springframework.beans.factory.config.BeanDefinition;
import org.springframework.context.annotation.Scope;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
@Scope(BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE)
public class Plaything {
    
    

    public Plaything() {
    
    
        System.out.println("Plaything constructor run ...");
    }
}

在这个例子中，Plaything是一个prototype作用域的bean。每次我们请求这个bean，Spring都会创建一个新的Plaything实例。

我们只需要修改上面的Plaything类，其他的类不用动。

打印结果：

这个@Scope(BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE)可以写成@Scope("prototype")，按照规范，还是利用已有的常量比较好。

3.2 prototype作用域在开发中的例子

  以我个人来说，我在excel多线程上传的时候用到过这个，当时是EasyExcel框架，我给一部分关键代码展示一下如何在Spring中使用prototype作用域来处理多线程环境下的任务（实际业务会更复杂），大家可以对比，如果用prototype作用域和使用new对象的形式在实际开发中有什么区别。

使用prototype作用域的例子

@Resource
private ApplicationContext context;

@PostMapping("/user/upload")
public ResultModel upload(@RequestParam("multipartFile") MultipartFile multipartFile) {
    
    
	......
	ExecutorService es = new ThreadPoolExceutor(10, 16, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(2000), new ThreadPoolExecutor.CallerRunPolicy());
	......
	EasyExcel.read(multipartFile.getInputStream(), UserDataUploadVO.class, 
		new PageReadListener<UserDataUploadVO>(dataList ->{
    
    
		......
		// 多线程处理上传excel数据，重点只看这一句话
			Future<?> future = es.submit(context.getBean(AsyncUploadHandler.class, user, dataList, errorCount));
		......
		})).sheet().doRead();
	......
}

  有人可能会问这里为什么使用context.getBean，而不是@Resource或@Autowired注解，@Resource或@Autowired注解只会在注入时创建一个新的实例，这里并不会反复注入。ApplicationContext.getBean()方法是在每次调用时解析的，所以它会在每次调用时创建一个新的AsyncUploadHandler实例。

AsyncUploadHandler.java

@Component
@Scope(BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE)
public class AsyncUploadHandler implements Runnable {
    
    

	private User user;
	
	private List<UserDataUploadVO> dataList;
	
	private AtomicInteger errorCount;
	
	@Resource
	private RedisService redisService;
	
	......
	
	@Resource
	private CompanyManagementMapper companyManagementMapper;

	public AsyncUploadHandler(user, List<UserDataUploadVO> dataList, AtomicInteger errorCount) {
    
    
		this.user = user;
		this.dataList = dataList;
		this.errorCount = errorCount;
	}

	@Override
	public void run() {
    
    
		......
	}
	
	......
}

  AsyncUploadHandler类是一个prototype作用域的bean，它被用来处理上传的Excel数据。由于并发上传的每个任务可能需要处理不同的数据，并且可能需要在不同的用户上下文中执行，因此每个任务都需要有自己的AsyncUploadHandler bean。这就是为什么需要将AsyncUploadHandler定义为prototype作用域的原因。

  由于AsyncUploadHandler是由Spring管理的，我们可以直接使用@Resource注解来注入其他的bean，例如RedisService和CompanyManagementMapper。

  如果用单例作用域的AsyncUploadHandler bean行不行？

  如果AsyncUploadHandler 对象被定义为一个单例作用域的Spring Bean，那么所有的线程都会共享同一个AsyncUploadHandler 对象。这可能会导致线程安全问题，因为多个线程同时修改同一个对象的状态可能会导致数据不一致，这里我们需要的是每个用户的数据都要上传校验处理等逻辑（用户数据在dataList里面），如果是单例AsyncUploadHandler，AsyncUploadHandler对象里面的dataList属性会因其他线程的影响而导致被修改。

  把AsyncUploadHandler交给Spring容器管理，里面依赖的容器对象可以直接用@Resource注解注入。如果采用new出来的对象，那么这些对象只能从外面注入好了再传入进去。

不使用prototype作用域改用new对象的例子

@PostMapping("/user/upload")
public ResultModel upload(@RequestParam("multipartFile") MultipartFile multipartFile) {
    
    
	......
	ExecutorService es = new ThreadPoolExceutor(10, 16, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(2000), new ThreadPoolExecutor.CallerRunPolicy());
	......
	EasyExcel.read(multipartFile.getInputStream(), UserDataUploadVO.class, 
		new PageReadListener<UserDataUploadVO>(dataList ->{
    
    
		......
		// 多线程处理上传excel数据
			Future<?> future = es.submit(new AsyncUploadHandler(user, dataList, errorCount, redisService, companyManagementMapper));
		......
		})).sheet().doRead();
	......
}

AsyncUploadHandler.java

public class AsyncUploadHandler implements Runnable {
    
    

	private User user;
	
	private List<UserDataUploadVO> dataList;
	
	private AtomicInteger errorCount;
	
	private RedisService redisService;
	
	private CompanyManagementMapper companyManagementMapper;
	
	......

	public AsyncUploadHandler(user, List<UserDataUploadVO> dataList, AtomicInteger errorCount, 
						RedisService redisService, CompanyManagementMapper companyManagementMapper) {
    
    
		this.user = user;
		this.dataList = dataList;
		this.errorCount = errorCount;
		this.redisService = redisService;
		this.companyManagementMapper = companyManagementMapper;
	}

	@Override
	public void run() {
    
    
		......
	}
	
	......
}

  如果直接新建AsyncUploadHandler对象，则需要手动传入所有的依赖，这会使代码变得更复杂更难以管理，而且还需要手动管理AsyncUploadHandler的生命周期。

3.3 prototype作用域在bean之间相互依赖时存在的问题

  在后续写文章时，评论区有提问：“如果Bean A依赖Bean B，那如果在配置类中先定义Bean B再定义Bean A，会不会有问题？还是说Spring会自动处理这种依赖关系？”

这个问题我发现在原型作用域这个点还需要再补充讲解一下：

  这种情况在没有相互依赖的情况下不会有问题，Spring会在先解析配置类和@Bean方法，获得所有Bean的依赖信息，之后Spring根据依赖关系决定Bean的实例化顺序，而不管配置类中定义的顺序。

  如果A依赖B，B依赖A形成循环依赖，对于单例Bean，Spring通过三级缓存机制来解决。对于原型Bean 的循环依赖无法解决，会抛出BeanCurrentlyInCreationException异常，原因是原型Bean每次都会创建新实例，Spring无法管理其完整生命周期。

  注意：Spring解析配置类和@Bean方法是在BeanDefinitionReader进行的，这是 refresh 过程的一个步骤。

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4. request作用域（了解）

  request作用域：Bean在一个HTTP请求内有效。当请求开始时，Spring容器会为每个新的HTTP请求创建一个新的Bean实例，这个Bean在当前HTTP请求内是有效的，请求结束后，Bean就会被销毁。如果在同一个请求中多次获取该Bean，就会得到同一个实例，但是在不同的请求中获取的实例将会不同。

@Component
@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_REQUEST, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class RequestScopedBean {
    
    
    // 在一次Http请求内共享的数据
    private String requestData;

    public void setRequestData(String requestData) {
    
    
        this.requestData = requestData;
    }

    public String getRequestData() {
    
    
        return this.requestData;
    }
}

上述Bean在一个HTTP请求的生命周期内是一个单例，每个新的HTTP请求都会创建一个新的Bean实例。

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5. session作用域（了解）

  session作用域：Bean是在同一个HTTP会话（Session）中是单例的。也就是说，从用户登录开始，到用户退出登录（或者Session超时）结束，这个过程中，不管用户进行了多少次HTTP请求，只要是在同一个会话中，都会使用同一个Bean实例。

@Component
@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_SESSION, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class SessionScopedBean {
    
    
    // 在一个Http会话内共享的数据
    private String sessionData;

    public void setSessionData(String sessionData) {
    
    
        this.sessionData = sessionData;
    }

    public String getSessionData() {
    
    
        return this.sessionData;
    }
}

  这样的设计对于存储和管理会话级别的数据非常有用，例如用户的登录信息、购物车信息等。因为它们是在同一个会话中保持一致的，所以使用session作用域的Bean可以很好地解决这个问题。

  但是实际开发中没人这么干，会话id都会存在数据库，根据会话id就能在各种表中获取数据，避免频繁查库也是把关键信息序列化后存在Redis。

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6. application作用域（了解）

  application作用域：在整个Web应用的生命周期内，Spring容器只会创建一个Bean实例。这个Bean在Web应用的生命周期内都是有效的，当Web应用停止后，Bean就会被销毁。

@Component
@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_APPLICATION, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class ApplicationScopedBean {
    
    
    // 在整个Web应用的生命周期内共享的数据
    private String applicationData;

    public void setApplicationData(String applicationData) {
    
    
        this.applicationData = applicationData;
    }

    public String getApplicationData() {
    
    
        return this.applicationData;
    }
}

  如果在一个application作用域的Bean上调用setter方法，那么这个变更将对所有用户和会话可见。后续对这个Bean的所有调用（包括getter和setter）都将影响到同一个Bean实例，后面的调用会覆盖前面的状态。

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7. websocket作用域（了解）

  websocket作用域：Bean 在每一个新的 WebSocket 会话中都会被创建一次，就像 session 作用域的 Bean 在每一个 HTTP 会话中都会被创建一次一样。这个Bean在整个WebSocket会话内都是有效的，当WebSocket会话结束后，Bean就会被销毁。

@Component
@Scope(value = "websocket", proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class WebSocketScopedBean {
    
    
    // 在一个WebSocket会话内共享的数据
    private String socketData;

    public void setSocketData(String socketData) {
    
    
        this.socketData = socketData;
    }

    public String getSocketData() {
    
    
        return this.socketData;
    }
}

上述Bean在一个WebSocket会话的生命周期内是一个单例，每个新的WebSocket会话都会创建一个新的Bean实例。

这个作用域需要Spring Websocket模块支持，并且应用需要配置为使用websocket。

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