Spring三级缓存解决循环依赖问题

1. 三级缓存解决的问题场景

循环依赖指的是在对象之间存在相互依赖关系，形成一个闭环，导致无法准确地完成对象的创建和初始化；当两个或多个对象彼此之间相互引用，而这种相互引用形成一个循环时，就可能出现循环依赖问题。

在早期的 Spring 版本中是可以自动解决的循环依赖的问题的，

public class A {@Autowiredprivate B b;
}public class B {@Autowiredprivate A a;
}

但要注意，Spring 解决循环依赖是有前提条件的，

🍂第一，要求互相依赖的 Bean 必须要是单例的 Bean。

• 这是因为对于原型范围的 Bean（prototype scope），每次请求都会创建一个新的 Bean 实例，这样每次尝试解析循环依赖时，都会产生新的 Bean 实例，导致无限循环，由于没有全局的、持续的单例实例的缓存来引用，因此循环依赖无法得到解决。

🍂第二，依赖注入的方式不能都是构造函数注入的方式。

• 当使用构造函数注入时，一个 Bean 的实例在构造函数被完全调用之前是不会被创建的；如果 Bean A 的构造函数依赖于 Bean B，而 Bean B 的构造函数又依赖于 Bean A，那么就会产生一个死锁的情况，因为两者都不能在对方初始化之前完成初始化。

public class C {private D d;@Autowiredpublic C(D d) {this.dService = dService;}
}public class D {private C c;@Autowiredpublic D(C c) {this.c = c;}
}

Spring 源码中关于三级缓存的定义如下：

// 一级缓存
private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);
// 二级缓存
private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16);
// 三级缓存
private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16);

所以说，所谓的“三级缓存”就是是指三个 Map 数据结构，分别用于存储不同状态的 Bean。

2. 三级缓存的差异性

🎯一级缓存：

一级缓存保存的是已经完全初始化和实例化的 Bean 对象，在程序中使用的 Bean 通常就是从这个缓存中获取的；这个缓存的目的是确保 Bean 只初始化一次（是单例的），避免多次实例化相同的Bean对象，提高性能。

🎯二级缓存：

二级缓存用来解决 Bean 创建过程中的循环依赖问题，它存储的是尚未完成属性注入和初始化的“半成品”Bean 对象；当 Spring容器发现两个或多个 Bean 之间存在循环依赖时，也就是当一个 Bean 创建过程中需要引用另一个正在创建的 Bean，Spring 将创建需要的这些未完全初始化的对象提前暴露在二级缓存中，以便其他 Bean 进行引用，确保它们之间的依赖能够被满足。

🎯三级缓存：

三级缓存中存储的是 ObjectFactory<?> 类型的代理工厂对象，主要用于处理存在 AOP 时的循环依赖问题；每个 Bean 都对应一个 ObjectFactory 对象，通过调用该对象的 getObject 方法，可以获取到早期暴露出去的 Bean；在该 Bean 要被其他 Bean 引用时，Spring 就会用工厂对象创建出该 Bean 的实例对象，最终当该 Bean 完成构造的所有步骤后就会将该 Bean 放入到一级缓存中。

3. 循环依赖时的处理流程

当 Spring 发生循环依赖时（以最开始介绍的场景为例，A B 两个 Bean 相互依赖），以下是完善的执行流程：

1. 遍历待创建的所有 beanName：在容器启动时，Spring 会遍历所有需要创建的 Bean 名称，在第一次遍历到 A 时，就开始获取 Bean A；如果 Bean A 的实例不在一级、二级缓存中（缓存中没有值），Spring 会开始正常的 Bean 创建流程。
2. Bean A 的创建：Bean A 的创建过程开始，然后 Spring 会检查是否 A 是单例（Singleton），同时 A 是否已经创建完成；如果 A 是单例且尚未创建完成，将 A 的 BeanFactory 存入三级缓存。
3. 处理依赖注入：A 开始处理 @Autowired 注解，尝试注入 B 属性；Spring 会在一级、二级缓存中来查找 Bean B，如果找不到，则开始正常创建 Bean B 的流程。
4. Bean B 的创建：Bean B 的创建过程类似于 A，首先判断B是否是单例，且是否已创建完成，如果否，B 的BeanFactory 也会被存入三级缓存。
5. B 注入 A 属性：B 开始注入 A 属性，尝试从一级、二级缓存中查找 A；如果在缓存中找不到 A，B 会尝试从三级缓存获取 A 的 BeanFactory，并通过 BeanFactory的getObject()方法获取 A 的属性，此时，A 被存入二级缓存，同时清除三级缓存；因此，B 能够成功注入 A 属性，B 接着执行初始化，处于实例化和初始化都已完成的完全状态。
6. B 存入一级缓存：B执行addSingleton()，将完全状态的 B 存入一级缓存，并清空二级，三级缓存。
7. A 继续注入 B 属性：A 继续注入 B 属性，调用beanFactory.getBean()方法获取 B，由于第六步已经将 B 存入一级缓存，A 可以直接获取 B，成功注入 B 属性， A 接着执行初始化，得到一个完全状态的 A。
8. A 存入一级缓存：A 执行addSingleton()，将完全状态的 A 存入一级缓存，并清空二级缓存。

此时，A 和 B 都被实例化和初始化完成，解决了循环依赖的问题；这个流程确保了每个Bean在需要时都能够获取到已完全初始化的依赖项。

🚀常见疑问解答

问题一：为什么在 Bean B 被注入 Bean A 之前，需要将 Bean A 存入二级缓存?

• 主要原因是，如果存在其他循环依赖需要用到 A，从二级缓存中直接取出早期的 Bean A 对象会更加高效。

问题二：为什么创建完 Bean 后要清空二、三级缓存?

• 清空是为了节省存储空间，一旦 Bean 完全初始化并存储在一级缓存中，其在二、三级缓存中的记录就不再需要了。

问题三：三级缓存为什么不能解决构造器引起的循环依赖?

• 这是因为构造器引起的循环依赖发生在 Bean 的实例化阶段，这个阶段比二、三级缓存处理的阶段还要早，无法创建出早期的半成品对象。

问题四：如果不使用三级缓存，只使用二级缓存，能否解决循环依赖？

肯定是不能的，二级缓存存储的 Bean 可能是两种类型，一种是实例化阶段创建出来的对象，另一种是实例化阶段创建出来的对象的代理对象；是否需要代理对象取决于你的配置需要，如是否添加了事务注解或自定义 AOP 切面；如果放弃使用三级缓存，即没有 ObjectFactory，那么就需要将早期的 Bean 放入二级缓存；但问题是，应该将未被代理的 Bean 还是代理的 Bean 放入二级缓存，这只能在属性注入阶段，处理注解时才能分辨。

• 如果直接往二级缓存添加没有被代理的 Bean，那么此时注入给其它对象的 Bean 可能跟最后完全生成的 Bean 是不一样的，因为最后生成使用的是可能代理对象，此时注入的是原始对象，这这种情况是不允许发生的。
• 如果直接往二级缓存添加一个代理 Bean，在不确定是否要使用代理对象的情况下，就有提前暴露代理对象的可能；正常的代理的对象都是初始化后期调用生成的，是基于后置处理器的，若提早的代理就违背了 Bean 定义的生命周期。

Spring 在一个三级缓存放置一个工厂，如果产生循环依赖 ，这个工厂的作用就是判断这个对象是否需要代理，如果否则直接返回，如果是则返回代理对像。

4. 源码验证

在项目中双击 Shift，全局查找文件：AbstractAutowireCapableBeanFactory，找到 550 行左右的 doCreateBean 方法，重点看一下 580 行到 600 行这20行代码就行，包含了三级缓存、属性注入、初始化，精华都在这20行，下面在源码中给出了关键注释。

protected Object doCreateBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable Object[] args)throws BeanCreationException {// Instantiate the bean.BeanWrapper instanceWrapper = null;if (mbd.isSingleton()) {instanceWrapper = this.factoryBeanInstanceCache.remove(beanName);}// 通过BeanDefinition实例化对象if (instanceWrapper == null) {instanceWrapper = createBeanInstance(beanName, mbd, args);}Object bean = instanceWrapper.getWrappedInstance();Class<?> beanType = instanceWrapper.getWrappedClass();if (beanType != NullBean.class) {mbd.resolvedTargetType = beanType;}// Allow post-processors to modify the merged bean definition.synchronized (mbd.postProcessingLock) {if (!mbd.postProcessed) {try {applyMergedBeanDefinitionPostProcessors(mbd, beanType, beanName);}catch (Throwable ex) {throw new BeanCreationException(mbd.getResourceDescription(), beanName,"Post-processing of merged bean definition failed", ex);}mbd.postProcessed = true;}}// Eagerly cache singletons to be able to resolve circular references// even when triggered by lifecycle interfaces like BeanFactoryAware.// 对象是否单例、是否未创建完成boolean earlySingletonExposure = (mbd.isSingleton() && this.allowCircularReferences &&isSingletonCurrentlyInCreation(beanName));if (earlySingletonExposure) {if (logger.isTraceEnabled()) {logger.trace("Eagerly caching bean '" + beanName +"' to allow for resolving potential circular references");}// 将对象的工厂加入到三级缓存addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));}// Initialize the bean instance.Object exposedObject = bean;try {// 属性注入 (在这里解析@Autowired注解时，触发循环依赖）populateBean(beanName, mbd, instanceWrapper);// 初始化exposedObject = initializeBean(beanName, exposedObject, mbd);}catch (Throwable ex) {if (ex instanceof BeanCreationException && beanName.equals(((BeanCreationException) ex).getBeanName())) {throw (BeanCreationException) ex;}else {throw new BeanCreationException(mbd.getResourceDescription(), beanName, "Initialization of bean failed", ex);}}if (earlySingletonExposure) {// 从缓存中获取 BeanObject earlySingletonReference = getSingleton(beanName, false);if (earlySingletonReference != null) {if (exposedObject == bean) {exposedObject = earlySingletonReference;}else if (!this.allowRawInjectionDespiteWrapping && hasDependentBean(beanName)) {String[] dependentBeans = getDependentBeans(beanName);Set<String> actualDependentBeans = new LinkedHashSet<>(dependentBeans.length);for (String dependentBean : dependentBeans) {if (!removeSingletonIfCreatedForTypeCheckOnly(dependentBean)) {actualDependentBeans.add(dependentBean);}}if (!actualDependentBeans.isEmpty()) {throw new BeanCurrentlyInCreationException(beanName,"Bean with name '" + beanName + "' has been injected into other beans [" +StringUtils.collectionToCommaDelimitedString(actualDependentBeans) +"] in its raw version as part of a circular reference, but has eventually been " +"wrapped. This means that said other beans do not use the final version of the " +"bean. This is often the result of over-eager type matching - consider using " +"'getBeanNamesForType' with the 'allowEagerInit' flag turned off, for example.");}}}}// Register bean as disposable.try {registerDisposableBeanIfNecessary(beanName, bean, mbd);}catch (BeanDefinitionValidationException ex) {throw new BeanCreationException(mbd.getResourceDescription(), beanName, "Invalid destruction signature", ex);}return exposedObject;
}

从缓存中获取 Bean 的源码

protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {// Quick check for existing instance without full singleton lockObject singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);// 从一级缓存中获取// 如果一级缓存里没有，且 Bean 正在创建中// 就从二级缓存里获取if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);// 二级缓存没有，就从三级缓存获取一个工厂if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {synchronized (this.singletonObjects) {// Consistent creation of early reference within full sinsingletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);if (singletonObject == null) {singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);if (singletonObject == null) {ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);if (singletonFactory != null) {// 能获取到工厂则创建 BeansingletonObject = singletonFactory.getObject();// 把实例存入二级缓存this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);// 把工厂从三级缓存移除this.singletonFactories.remove(beanName);}}}}}}return singletonObject;
}

总之，Spring 的三级缓存机制是一个巧妙的设计，它解决了在 Bean 初始化过程中可能出现的循环依赖问题；对于 Spring 的用户来说，这意味着更加稳定和可靠的 Bean 管理和依赖注入机制。