spring循环依赖与三级缓存

什么是循环依赖？
循环依赖其实就是循环引用，也就是两个或则两个以上的bean互相持有对方，最终形成闭环。比如A依赖于B，B依赖于C，C又依赖于A。

image.png

可以设想一下这个场景：如果在日常开发中我们用new对象的方式，若构造函数之间发生这种循环依赖的话，程序会在运行时一直循环调用最终导致内存溢出，示例代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println(new A());
    }
}

class A {
    public A() {
        new B();
    }
}

class B {
    public B() {
        new A();
    }
}

运行结果会抛出Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError异常
这是一个典型的循环依赖问题。本文说一下Spring是如果巧妙的解决平时我们会遇到的三大循环依赖问题的~

Spring Bean的循环依赖

谈到Spring Bean的循环依赖，有的小伙伴可能比较陌生，毕竟开发过程中好像对循环依赖这个概念无感知。其实不然，你有这种错觉，权是因为你工作在Spring的襁褓中，从而让你“高枕无忧”~
我十分坚信，小伙伴们在平时业务开发中一定一定写过如下结构的代码：
field属性注入（setter方法注入）循环依赖
这种方式是我们最为常用的依赖注入方式

@Service
class A {
    @Autowired
    private B b;
}

@Service
class B {
    @Autowired
    private A a;
}

这其实就是Spring环境下典型的循环依赖场景。但是很显然，这种循环依赖场景，Spring已经完美的帮我们解决和规避了问题。所以即使平时我们这样循环引用，也能够整成进行我们的coding之旅~

Spring中构造器依赖场演示

在Spring环境中，因为我们的Bean的实例化、初始化都是交给了容器，因此它的循环依赖主要表现为下面三种场景。为了方便演示，我准备了如下两个类：

@Service
public class A {
    public A(B b) {
    }
}
@Service
public class B {
    public B(A a) {
    }
}

结果：项目启动失败抛出异常BeanCurrentlyInCreationException

构造器注入构成的循环依赖，此种循环依赖方式是无法解决的，只能抛出BeanCurrentlyInCreationException异常表示循环依赖。这也是构造器注入的最大劣势。

根本原因：Spring解决循环依赖依靠的是Bean的“中间态”这个概念，而这个中间态指的是已经实例化，但还没初始化的状态。而构造器是完成实例化的，所以构造器的循环依赖无法解决

对Bean的创建最为核心三个方法解释如下：

  • createBeanInstance：例化，其实也就是调用对象的构造方法实例化对象
  • populateBean：填充属性，这一步主要是对bean的依赖属性进行注入(@Autowired)
  • initializeBean：回到一些形如initMethod、InitializingBean等方法

从对单例Bean的初始化可以看出，循环依赖主要发生在第二步（populateBean），也就是field属性注入的处理。

Spring容器的三级缓存

在Spring容器的整个声明周期中，单例Bean有且仅有一个对象。这很容易让人想到可以用缓存来加速访问。
从源码中也可以看出Spring大量运用了Cache的手段，在循环依赖问题的解决过程中甚至不惜使用了“三级缓存”，这也便是它设计的精妙之处~

三级缓存其实它更像是Spring容器工厂的内的术语，采用三级缓存模式来解决循环依赖问题，这三级缓存分别指：

public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry {
    ...
    // 从上至下 分表代表这“三级缓存”
    private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256); //一级缓存
    private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16); // 二级缓存
    private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16); // 三级缓存
    ...
    
    /** Names of beans that are currently in creation. */
    // 这个缓存也十分重要：它表示bean创建过程中都会在里面呆着~
    // 它在Bean开始创建时放值，创建完成时会将其移出~
    private final Set<String> singletonsCurrentlyInCreation = Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap<>(16));

    /** Names of beans that have already been created at least once. */
    // 当这个Bean被创建完成后，会标记为这个 注意：这里是set集合 不会重复
    // 至少被创建了一次的  都会放进这里~~~~
    private final Set<String> alreadyCreated = Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap<>(256));

注：AbstractBeanFactory继承自DefaultSingletonBeanRegistry~

singletonObjects：用于存放完全初始化好的 bean，从该缓存中取出的 bean 可以直接使用
earlySingletonObjects：提前曝光的单例对象的cache，存放原始的 bean 对象（尚未填充属性），用于解决循环依赖
singletonFactories：单例对象工厂的cache，存放 bean 工厂对象，用于解决循环依赖

public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry {
    ...
    @Override
    @Nullable
    public Object getSingleton(String beanName) {
        return getSingleton(beanName, true);
    }
    @Nullable
    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;
    }
    ...
    public boolean isSingletonCurrentlyInCreation(String beanName) {
        return this.singletonsCurrentlyInCreation.contains(beanName);
    }
    protected boolean isActuallyInCreation(String beanName) {
        return isSingletonCurrentlyInCreation(beanName);
    }
    ...
}

先从一级缓存singletonObjects中去获取。（如果获取到就直接return）
如果获取不到或者对象正在创建中（isSingletonCurrentlyInCreation()），那就再从二级缓存earlySingletonObjects中获取。（如果获取到就直接return）
如果还是获取不到，且允许singletonFactories（allowEarlyReference=true）通过getObject()获取。就从三级缓存singletonFactory.getObject()获取。（如果获取到了就从singletonFactories中移除，并且放进earlySingletonObjects。其实也就是从三级缓存移动（是剪切、不是复制哦~）到了二级缓存）
加入singletonFactories三级缓存的前提是执行了构造器，所以构造器的循环依赖没法解决

getSingleton()从缓存里获取单例对象步骤分析可知，Spring解决循环依赖的诀窍：就在于singletonFactories这个三级缓存。这个Cache里面都是ObjectFactory，它是解决问题的关键。

为什么要用三级缓存而不是二级缓存

image.png

可以看到三级缓存各自保存的对象，这里重点关注二级缓存earlySingletonObjects和三级缓存singletonFactory，一级缓存可以进行忽略。前面我们讲过先实例化的bean会通过ObjectFactory半成品提前暴露在三级缓存中
所以如果没有AOP的话确实可以两级缓存就可以解决循环依赖的问题，如果加上AOP，两级缓存是无法解决的，不可能每次执行singleFactory.getObject()方法都给我产生一个新的代理对象，所以还要借助另外一个缓存来保存产生的代理对象

静态代理

静态代理的特点是, 为每一个业务增强都提供一个代理类, 由代理类来创建代理对象. 下面我们通过静态代理来实现对转账业务进行身份验证.

(1) 转账业务

public interface IAccountService {
    //主业务逻辑: 转账
    void transfer();
}
public class AccountServiceImpl implements IAccountService {
    @Override
    public void transfer() {
        System.out.println("调用dao层,完成转账主业务.");
    }
}

(2) 代理类

public class AccountProxy implements IAccountService {
    //目标对象
    private IAccountService target;

    public AccountProxy(IAccountService target) {
        this.target = target;
    }

    /**
     * 代理方法,实现对目标方法的功能增强
     */
    @Override
    public void transfer() {
        before();
        target.transfer();
    }

    /**
     * 前置增强
     */
    private void before() {
        System.out.println("对转账人身份进行验证.");
    }
}

(3) 测试

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建目标对象
        IAccountService target = new AccountServiceImpl();
        //创建代理对象
        AccountProxy proxy = new AccountProxy(target);
        proxy.transfer();
    }
}

结果: 
对转账人身份进行验证.
调用dao层,完成转账主业务.

动态代理

静态代理会为每一个业务增强都提供一个代理类, 由代理类来创建代理对象, 而动态代理并不存在代理类, 代理对象直接由代理生成工具动态生成.

JDK动态代理

JDK动态代理是使用 java.lang.reflect 包下的代理类来实现. JDK动态代理动态代理必须要有接口.

(1) 转账业务

public interface IAccountService {
    //主业务逻辑: 转账
    void transfer();
}
public class AccountServiceImpl implements IAccountService {
    @Override
    public void transfer() {
        System.out.println("调用dao层,完成转账主业务.");
    }
}

(2) 增强

因为这里没有配置切入点, 称为切面会有点奇怪, 所以称为增强.

public class AccountAdvice implements InvocationHandler {
    //目标对象
    private IAccountService target;

    public AccountAdvice(IAccountService target) {
        this.target = target;
    }

    /**
     * 代理方法, 每次调用目标方法时都会进到这里
     */
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        before();
        return method.invoke(target, args);
    }

    /**
     * 前置增强
     */
    private void before() {
        System.out.println("对转账人身份进行验证.");
    }
}

(3) 测试

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建目标对象
        IAccountService target = new AccountServiceImpl();
        //创建代理对象
        IAccountService proxy = (IAccountService) Proxy.newProxyInstance(target.getClass().getClassLoader(),
                target.getClass().getInterfaces(),
                new AccountAdvice(target)
        );
        proxy.transfer();
    }
}
结果: 
对转账人身份进行验证.
调用dao层,完成转账主业务.

CGLIB动态代理

JDK动态代理必须要有接口, 但如果要代理一个没有接口的类该怎么办呢? 这时我们可以使用CGLIB动态代理. CGLIB动态代理的原理是生成目标类的子类, 这个子类对象就是代理对象, 代理对象是被增强过的.

注意: 不管有没有接口都可以使用CGLIB动态代理, 而不是只有在无接口的情况下才能使用.

(1) 转账业务

public class AccountService {
    public void transfer() {
        System.out.println("调用dao层,完成转账主业务.");
    }
}

(2) 增强

因为这里没有配置切入点, 称为切面会有点奇怪, 所以称为增强.

public class AccountAdvice implements MethodInterceptor {
    /**
     * 代理方法, 每次调用目标方法时都会进到这里
     */
    @Override
    public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
        before();
        return methodProxy.invokeSuper(obj, args);
        //        return method.invoke(obj, args);  这种也行
    }

    /**
     * 前置增强
     */
    private void before() {
        System.out.println("对转账人身份进行验证.");
    }
}

(3) 测试

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建目标对象
        AccountService target = new AccountService();
        //
        //创建代理对象
        AccountService proxy = (AccountService) Enhancer.create(target.getClass(),
                new AccountAdvice());
        proxy.transfer();
    }
}
结果: 
对转账人身份进行验证.
调用dao层,完成转账主业务.

参考地址：https://www.cnblogs.com/semi-sub/p/13548479.html
参考地址：https://blog.csdn.net/f641385712/article/details/92801300
参考地址：https://blog.csdn.net/litianxiang_kaola/article/details/85335700

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