Spring Bean的创建过程与三级缓存的关系详解

以下以 Bean A 和 Bean B 互相依赖为例，结合源码和流程图，详细说明 Bean 的创建过程与三级缓存的交互。

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1. Bean 的完整生命周期（简化版）

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2. 三级缓存的作用

缓存名称	存储内容	目的
singletonObjects	完全初始化好的 Bean（成品）	直接对外提供可用的 Bean
earlySingletonObjects	未初始化完成的 Bean（半成品，早期引用）	临时存储，供其他 Bean 提前引用，避免循环依赖卡死
singletonFactories	创建 Bean 的 ObjectFactory（工厂对象）	延迟生成早期引用（支持 AOP 代理等动态扩展）

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3. 详细流程（以 Bean A → Bean B → Bean A 循环依赖为例）

步骤 1：开始创建 Bean A

• 入口：调用 getBean("a")。
• 阶段：实例化（createBeanInstance()）。

  // 反射调用无参构造函数创建原始对象
  A a = new A(); 
  

• 此时状态：
  • a 是原始对象，属性 b 为 null。
  • 未存入任何缓存。

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步骤 2：提前暴露 Bean A 的工厂

• 操作：将 Bean A 的 ObjectFactory 存入 三级缓存（singletonFactories）。

  // AbstractAutowireCapableBeanFactory.doCreateBean()
  addSingletonFactory("a", () -> getEarlyBeanReference("a", mbd, a));
  

• 目的：允许其他 Bean（如 Bean B）在依赖注入时，通过工厂获取 Bean A 的早期引用（可能是代理对象）。

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步骤 3：填充 Bean A 的属性（发现依赖 Bean B）

• 操作：调用 populateBean("a")，检测到 a 依赖 b。
• 触发：调用 getBean("b") 创建 Bean B。

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步骤 4：开始创建 Bean B

• 入口：调用 getBean("b")。
• 阶段：实例化（createBeanInstance()）。

  B b = new B(); // 反射创建原始对象
  

• 此时状态：
  • b 是原始对象，属性 a 为 null。
  • 未存入任何缓存。

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步骤 5：提前暴露 Bean B 的工厂

• 操作：将 Bean B 的 ObjectFactory 存入 三级缓存。

  addSingletonFactory("b", () -> getEarlyBeanReference("b", mbd, b));
  

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步骤 6：填充 Bean B 的属性（发现依赖 Bean A）

• 操作：调用 populateBean("b")，检测到 b 依赖 a。
• 触发：再次调用 getBean("a")。

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步骤 7：再次获取 Bean A（解决循环依赖）

• 检查一级缓存：singletonObjects 中没有 Bean A。
• 检查二级缓存：earlySingletonObjects 中没有 Bean A。
• 检查三级缓存：找到 Bean A 的 ObjectFactory。
• 操作：调用 ObjectFactory.getObject()，实际执行 getEarlyBeanReference()。

  // 生成早期引用（可能是代理对象）
  Object earlyA = getEarlyBeanReference("a", mbd, a);
  

  • 若 Bean A 需要 AOP 代理：此时生成代理对象（如 A$$EnhancerBySpringCGLIB）。
  • 若无需代理：直接返回原始对象 a。
• 升级缓存：将早期引用 earlyA 存入 二级缓存（earlySingletonObjects），并清除三级缓存中的工厂。

  this.earlySingletonObjects.put("a", earlyA);
  this.singletonFactories.remove("a");
  

• 结果：Bean B 获得 Bean A 的早期引用（earlyA），完成属性注入 b.setA(earlyA)。

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步骤 8：完成 Bean B 的初始化

• 初始化：执行 initializeBean("b")（包括 @PostConstruct、AOP 代理等）。
• 存入一级缓存：将完全初始化的 Bean B 存入 singletonObjects。

  registerSingleton("b", b);
  

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步骤 9：回到 Bean A 的属性填充

• 操作：Bean A 获得完全初始化的 Bean B（b），完成属性注入 a.setB(b)。

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步骤 10：完成 Bean A 的初始化

• 初始化：执行 initializeBean("a")。
  • 若 Bean A 需要代理：此时生成代理对象 proxyA（覆盖原始对象 a）。
  • 若无需代理：直接使用原始对象 a。
• 存入一级缓存：将最终 Bean A（可能是代理对象）存入 singletonObjects，并清除二、三级缓存。

  registerSingleton("a", a); // 或 proxyA
  

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4. 三级缓存的交互总结

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5. 关键设计思想

1. 提前暴露半成品：允许未初始化的 Bean 被其他 Bean 引用，打破循环依赖的死锁。
2. 动态代理兼容：通过 ObjectFactory 延迟生成早期引用，确保 AOP 代理逻辑正确执行。
3. 缓存层级隔离：
   • 一级缓存：存放完全可用的 Bean（安全）。
   • 二级缓存：临时存放早期引用（加速依赖查找）。
   • 三级缓存：存放工厂，支持动态扩展（如代理）。

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6. Bean的创建是否都需要经历三级缓存

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1. 必须经历三级缓存的场景

条件：当 Bean 是单例（Singleton）且 存在循环依赖（通过属性注入）时，Spring 会通过三级缓存机制解决依赖问题。此时 Bean 的创建流程如下：

graph LRA[实例化 Bean] --> B[注册 ObjectFactory 到三级缓存]B --> C[填充属性（触发循环依赖）]C --> D[从三级缓存升级到二级缓存]D --> E[完成初始化后存入一级缓存]

示例：Bean A 和 Bean B 互相依赖

• 步骤：
  1. 创建 Bean A 时，实例化后注册 ObjectFactory 到三级缓存。
  2. 注入 Bean B 时触发 B 的创建。
  3. 创建 Bean B 时，实例化后注册 ObjectFactory 到三级缓存。
  4. 注入 Bean A 时，通过三级缓存获取 A 的早期引用（升级到二级缓存）。
  5. Bean B 完成初始化后存入一级缓存。
  6. Bean A 完成初始化后存入一级缓存。

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2. 不经历三级缓存的场景

场景 1：无循环依赖的普通 Bean

条件：Bean 是单例，且 没有循环依赖（如 Bean C 无依赖或依赖已存在的 Bean）。

流程：

关键点：

• 不需要提前暴露早期引用，直接跳过三级缓存。
• 例如：Bean C 依赖的 Bean D 已经在一级缓存中，则直接注入 D，无需触发缓存升级。

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场景 2：构造器注入的循环依赖

条件：Bean 使用 构造器注入 导致循环依赖。

结果：
Spring 无法解决构造器注入的循环依赖，直接抛出 BeanCurrentlyInCreationException。
原因：

• 构造器注入需在实例化阶段完成依赖注入，此时 Bean 尚未创建完成，无法提前暴露到三级缓存。

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场景 3：原型（Prototype）作用域的 Bean

条件：Bean 的作用域为 prototype。

结果：
Spring 不缓存原型 Bean，每次请求都创建新实例，因此：

• 不涉及三级缓存。
• 循环依赖直接报错（原型 Bean 不支持循环依赖）。

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场景 4：无需代理的 Bean

条件：Bean 不需要 AOP 代理，且无循环依赖。

流程：
直接通过反射创建原始对象，完成初始化后存入一级缓存，全程不涉及三级缓存。

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3. 三级缓存的触发条件总结

条件	是否触发三级缓存	示例场景
单例 + 属性注入 + 循环依赖	✔️	Bean A → Bean B → Bean A
单例 + 无循环依赖	❌	普通 Service 类
单例 + 构造器注入循环依赖	❌（直接报错）	构造器注入导致循环依赖
原型作用域 Bean	❌	每次请求新实例
需要代理但无循环依赖	❌	独立 Bean 使用 @Transactional

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4. 源码验证

(1) 三级缓存的注册逻辑

在 AbstractAutowireCapableBeanFactory.doCreateBean() 中，只有满足以下条件时才会注册 ObjectFactory：

// 条件：单例 + 允许循环引用 + Bean 正在创建中
boolean earlySingletonExposure = (mbd.isSingleton() && this.allowCircularReferences && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName));
if (earlySingletonExposure) {addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));
}

(2) 无循环依赖时的跳过逻辑

若 Bean 无循环依赖，则不会触发从三级缓存获取早期引用的代码：

// DefaultSingletonBeanRegistry.getSingleton()
Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
if (singletonObject == null) {// 无循环依赖时，不会进入此分支if (isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {// 从三级缓存获取早期引用的逻辑...}
}

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总结

• 必须经历三级缓存：仅当单例 Bean 存在属性注入的循环依赖时。
• 不经历三级缓存：
  • 无循环依赖的单例 Bean。
  • 构造器注入的循环依赖（直接报错）。
  • 原型作用域 Bean。
  • 不需要代理的普通 Bean。

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7. 常见问题解答

Q1：为什么需要三级缓存？二级缓存不够吗？

• 三级缓存的核心价值：解耦 Bean 的创建 和 代理的生成。
  • 如果只有二级缓存：
    代理逻辑需在实例化后立即执行（违反 Spring 的设计原则，代理应在初始化阶段完成）。
  • 三级缓存通过 ObjectFactory 延迟代理生成，确保代理逻辑在正确的时机执行。

Q2：构造器注入为何无法解决循环依赖？

• 根本原因：构造器注入需在实例化阶段完成依赖注入，而实例化尚未完成时无法提前暴露对象（三级缓存机制无法介入）。

Q3：为什么二级缓存叫 earlySingletonObjects？

• 它存储的是“早期单例对象”（尚未完成初始化），与一级缓存的“完全体单例”区分。

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通过以上流程，可以清晰理解 Spring 如何通过三级缓存协作，在保证单例完整性的前提下，优雅解决循环依赖问题。