Sping源码：三级缓存

一、概念

1、三级缓存的作用

• 解决循环依赖（即：三级缓存 singletonFactories的功能）
• 实现动态代理 （即：二级缓存 earlySingletonObjects的功能）
• 存储最终对象 （即：一级缓存 singletonObjects的功能）

2、循环依赖的含义

N个类循环(嵌套)引用。

通俗的讲就是N个Bean互相引用对方，最终形成闭环。用一副经典的图示可以表示成这样（A、B、C都代表对象，虚线代表引用关系）：

注意：其实可以N=1，也就是极限情况的循环依赖：自己依赖自己

另需注意：这里指的循环引用不是方法之间的循环调用，而是对象的相互依赖关系。（方法之间循环调用若有出口也是能够正常work的）

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();}
}

这是一个典型的循环依赖问题。Spring通过三级缓存机制巧妙的解决循环依赖问题~

二、代码

1、代码下载

百度网盘链接：https://pan.baidu.com/s/1Cq1kTJJesOfl0eHIU3cMIA?pwd=gyg1

提取码：gyg1

2、文件功能介绍

• CodeStudyApplication类：主启动类
• A类：通过IOC方式注入类B和类C的单例对象，用来测试循环依赖；并且在成员方法test()上添加@Transactional注解，用来测试动态代理
• B类：通过IOC方式注入类A的单例对象，用来测试循环依赖
• C类：通过IOC方式注入类A的单例对象，用来测试循环依赖，类C和类B的主要区别是“当B对象触发A对象的循环依赖后，可以获取A对象的代理对象，然后看C对象如何获取A对象的代理对象”
• application.yml：添加一些mysql信息，大家不用修改，不会报错

3、源码分析

注意： 博主使用的开发工具是IDEA，所以提到的快捷键都是IDEA中的

3.1、找到获取A对象的位置，打断点进行debug操作

当程序启动时，最先运行的是com.atguigu.test.CodeStudyApplication类中的main方法。
根据代码执行顺序，我们按着Ctrl按键后点击SpringApplication类的静态方法run()：

现在进入了SpringApplication类的静态方法run()，然后我们按着Ctrl按键后点击重载的静态方法run()：

继续按着Ctrl按键后点击成员方法run()：

现在进入了一个方法内容较多的run()方法，继续按着Ctrl按键后点击成员方法refreshContext(context);，由于方法体内很多内容并非本节重点，所以不在本节讲解，其中IOC的主要内容都在refreshContext(context)方法体现。

继续按着Ctrl按键后点击成员方法refresh(context);：

继续按着Ctrl + Alt按键后点击applicationContext对象的refresh()方法

下图中refresh方法参数中的applicationContext对象大家应该很熟悉，来看一道常见面试题：“BeanFactory与ApplicationContext的区别？”，哈哈哈，想起来了吧~

上述操作之后，页面中会出现三个实现类供我们选择，我们选择实现类ServletWebServerApplicationContext，该实现类是我们常用的，至于选它的原因不是本节重点，所以不再解释。

继续按着Ctrl按键后点击父类方法super.refresh();：

继续按着Ctrl按键后点击成员方法finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

其中对象构建、注入其他对象、代理、初始化等流程都在该方法中，其他代码不是本节重点，所以不在讲解。

继续按着Ctrl + Alt按键后点击beanFactory.preInstantiateSingletons();方法：

我们把断点打在成员方法getBean(beanName);上

其中遍历的beanNames方法来自于成员集合变量beanDefinitionNames，该集合的值来自于@ComponentScan扫描，以及其他注解操作的结果

3.2、一步步找到在A对象中注入B对象的位置

通过按F9快速运行程序遍历beanNames，找到beanName等于a的情况停下：

点击F7进入方法getBean(beanName);：

点击F7进入方法doGetBean()方法：

点击F8进入下一步，到达getSingleton(beanName);这一行：

点击F7进入以下方法：

再次点击F7进入以下方法：

此时singletonObjects中不存在名字叫做a的对象，所以singletonObject等于null；由于A对象还没有开始创建，所以isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)的结果是false，因此第1个if方法不会执行，所以最终得知singletonObject的结果是null

点击两次F8就可以回到Object sharedInstance = getSingleton(beanName);：

依然在上述doGetBean方法中，我们往下找到if (mbd.isSingleton())这一行，然后在这一行上单击鼠标右键，点击Run toCursor：

然后点击F8往下执行一行代码，此时就到了getSingleton方法处，该方法有2个参数，分别是bean对象名称和一个匿名内部类，此时点击F7进入getSingleton方法；

我们首先看下beforeSingletonCreation(beanName);，进入该方法的方法体看下，其中singletonsCurrentlyInCreation集合记录了正在创建的对象，对象A不在里面，所以会被加入到singletonsCurrentlyInCreation集合中

然后往下可以看到singletonObject = singletonFactory.getObject();这行代码，真正执行的是形参对应的匿名内部类中的实现方法，回顾上一张截图，执行getObject方法其实就是执行createBean方法：

回顾一下上面那张截图，我们找到createBean方法：

点击Ctrl + Alt，在createBean方法上点击鼠标左键，就可以进入该方法：

继续按着Ctrl按键后点击成员方法doCreateBean(beanName, mbdToUse, args);：

在该方法中，往下滚动屏幕，可以看到addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));，先来分析一下addSingletonFactory方法的方法体；现在回头看下addSingletonFactory方法的第2个参数，这是一个匿名内部类，我们后面会用到它，大家用笔记一下，后续我们还会回来的~

然后往下滑可以看到populateBean(beanName, mbd, instanceWrapper);方法：

继续按着Ctrl + Alt按键后点击成员方法postProcessProperties()方法：

在A类中注入对象B使用@Resource注解，所以我们选择CommonAnnotationBeanPostProcessor类

继续按着Ctrl按键后点击成员方法metadata.inject(bean, beanName, pvs);：

继续按着Ctrl按键后点击成员方法element.inject(target, beanName, pvs);：

继续按着Ctrl + Alt按键后点击成员方法getResourceToInject()方法，选择CommonAnnotationBeanPostProcessor类：

上述方法的作用就是在A对象中注入B对象

3.3、一步步找到B对象注入A对象的位置

由于在A类中引入的对象B上没有加@Lazy注解，所以lazyLookup是false，因此走getResource方法，继续按着Ctrl按键后点击成员方法getResource(this, requestingBeanName)：

继续按着Ctrl按键后点击成员方法autowireResource()：

继续按着Ctrl + Alt按键后点击方法resolveBeanByName()：

可以看到代码中调用了getBean方法，非常熟悉吧，又回到最初的起点，继续根据name信息获取Bean工厂中的对象，现在是从对象A中准备注入对象B

后面过程和通过对象A的名称来调用getBean(name)方法一样，我们把过程走一下吧~

• 点击Ctrl：org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory#getBean(java.lang.String, java.lang.Class<T>)
• 点击Ctrl：org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory#doGetBean
• 点击Ctrl：org.springframework.beans.factory.support.DefaultSingletonBeanRegistry#getSingleton(java.lang.String, org.springframework.beans.factory.ObjectFactory<?>)
• 点击Ctrl：org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory#createBean
• 点击Ctrl：org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#doCreateBean
• 点击Ctrl：org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#populateBean
• 点击Ctrl + Alt：org.springframework.beans.factory.config.InstantiationAwareBeanPostProcessor#postProcessProperties，选择CommonAnnotationBeanPostProcessor类
• 点击Ctrl：org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata#inject
• 点击Ctrl：org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata.InjectedElement#inject
• 我们在对象B中注入了对象A，此时执行的field.set(target, getResourceToInject(target, requestingBeanName));就是获取对象A的
• 点击Ctrl + Alt：org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata.InjectedElement#getResourceToInject，选择CommonAnnotationBeanPostProcessor类
• 由于B类中注入的对象A也没加@Lazy注解，所以走getResource(this, requestingBeanName)方法
• 点击Ctrl：org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor#getResource
• 点击Ctrl：org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor#autowireResource
• 点击Ctrl + Alt：org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#resolveBeanByName
• 现在我们来到getBean方法，终极反转了，现在是从对象B中准备注入对象A
  

3.4、往下找到通过三级缓存解决循环依赖的地方

现在是B对象准备注入对象A，继续按着Ctrl按键后点击方法getBean(name, descriptor.getDependencyType())：

继续按着Ctrl按键后点击方法doGetBean(name, requiredType, null, false)：

继续按着Ctrl按键后点击方法getSingleton(beanName)：

继续按着Ctrl按键后点击方法getSingleton(beanName, true)：

然后进入方法体中，由于对象A还没有创建完成，所以一级缓存singletonObjects肯定没有，因此singletonObject对象是null

我们看下isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)方法的方法体，其中singletonsCurrentlyInCreation集合作用在上面已经解释过了，就是记录当前正在被创建的bean对象名称，在处理A对象时调用getSingleton》beforeSingletonCreation方法中已经将a存储到了singletonsCurrentlyInCreation集合中，所以此处isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)方法的结果肯定是true

此时代码继续往下走，由于此时对象A的信息存储在三级缓存singletonFactories中，因此也无法从earlySingletonObjects集合中去除对象A的相关信息，所以singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);的结果也是null

由于上面调用getSingleton()方法时传入的参数allowEarlyReference是true，因此方法会继续向下走

为解决并发创建对象问题，所以需要将一级对象singletonObjects锁起来，在同步代码块中尝试从一级缓存singletonObjects和二级缓存earlySingletonObjects中得到对象A，但是此时对象A存储在三级缓存singletonFactories中，因此依然获取不到

此时准备从三级缓存singletonFactories中获取对象A，由于之前在往对象A进行依赖注入之前往三级缓存中填充过值，所以此时singletonFactory是有值的，来给大家回忆一下填充值的位置

此时singletonFactory的值就是上图框中的匿名内部类，所属的接口是一个函数式接口，此时代码继续往下执行：

当执行singletonFactory.getObject()的时候，其实执行的是匿名内部类中的方法，我们把断点打到org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#getEarlyBeanReference方法中的if判断上

继续按着Ctrl + Alt按键后点击方法bp.getEarlyBeanReference(exposedObject, beanName)：

此时将没有被包装过的对象放到earlyProxyReferences集合中，该集合作用是记录已经执行过代理方法的对象信息，即执行过wrapIfNecessary(bean, beanName, cacheKey)方法的对象信息；由于代理这个动作只能执行一次，下次不能在执行了，所以将已经执行过代理的对象信息记录在earlyProxyReferences集合中，后续在需要执行代理的时候，我们判断下该集合中是否已经包含，进而决定是否还要执行wrapIfNecessary方法，这个我们后续会聊到的，这里不在展开~

大家注意现在情况是往对象B中注入对象A，目前处于一个获取对象A的过程中，由于A类的test()方法上添加了@Transactional注解，所以在执行wrapIfNecessary方法之后将会生成A类的代理对象，既然到这里了，我们跟进去看下

继续按着Ctrl按键后点击方法wrapIfNecessary(bean, beanName, cacheKey)：

当getAdvicesAndAdvisorsForBean方法执行之后，就可以知道代理信息，如下：

继续按着Ctrl按键后点击方法createProxy()：

进入该方法往下就可以找到真正执行代理的地方，即：proxyFactory.getProxy(classLoader)，继续按着Ctrl按键后点击方法proxyFactory.getProxy(classLoader)：

继续按着Ctrl按键后点击方法createAopProxy()：

继续按着Ctrl + Alt按键后点击方法createAopProxy(this)：

可以非常清晰的看到使用CGLib还是JDK动态代理方式

最终一层层返回代理结果，那么getEarlyBeanReference()方法的返回值就是A类的代理对象了，可以非常明显的看到代理对象是CGLib类型的

我们此时依然在B对象中注入A对象的过程中，目前准备获取对象A或者A类的代理对象，上面方法是在执行singletonFactory.getObject()方法，也就是那个匿名内部类中的方法，得到的结果singletonObject是一个A类的CGLib代理对象，此时将代理对象装在二级缓存earlySingletonObjects中

此时就可以完成B类中的对象A注入了

3.5、完成对象B注入对象A

上面已经获取到对象A的代理对象了，我们一部分返回到注入对象A的地方：

• org.springframework.beans.factory.support.DefaultSingletonBeanRegistry#getSingleton(java.lang.String, boolean)
• org.springframework.beans.factory.support.DefaultSingletonBeanRegistry#getSingleton(java.lang.String)
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory#doGetBean
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory#getBean(java.lang.String, java.lang.Class)
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#resolveBeanByName
• org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor#autowireResource
• org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor#getResource
• org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor.ResourceElement#getResourceToInject
• org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata.InjectedElement#inject
  

继续往上，回到对象B完成注入对象A之后，执行初始化代码的地方：

• org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata.InjectedElement#inject
• org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata#inject
• org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor#postProcessProperties
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#populateBean
  

3.6、完成对象B的剩余流程，进而回到对象A注入对象B的地方

初始化流程就是执行一些初始化方法的过程，由于对象B的初始化流程不是本节重点，所以不在讲解，直接略过

• org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#doCreateBean
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#createBean(java.lang.String, org.springframework.beans.factory.support.RootBeanDefinition, java.lang.Object[])
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory#doGetBean
• org.springframework.beans.factory.support.DefaultSingletonBeanRegistry#getSingleton(java.lang.String, org.springframework.beans.factory.ObjectFactory<?>)
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory#doGetBean
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractBeanFactory#getBean(java.lang.String, java.lang.Class)
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#resolveBeanByName
• org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor#autowireResource
• org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor#getResource
• org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor.ResourceElement#getResourceToInject
• org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata.InjectedElement#inject

现在回到l对象A注入对象B的地方

然后一步步回到对象A的初始化方法代码处：

• org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata.InjectedElement#inject
• org.springframework.beans.factory.annotation.InjectionMetadata#inject
• org.springframework.context.annotation.CommonAnnotationBeanPostProcessor#postProcessProperties
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#populateBean
  

3.7、查看对象A不会再次执行代理代码的地方

从上图可见，我们进入initializeBean方法，主要看方法体中基本快结尾的地方，这个里面隐藏着代理类的生成逻辑：

按着Ctrl点击进去：

我们一次又一次的debug进去，终于发现了生成代理对象的地方，大家熟悉earlyProxyReferences吗？

在B对象中注入对象A时，已经将对象A的信息塞在earlyProxyReferences集合中了，具体作用是说明对象A的代理对象已经生成并放在二级缓存earlySingletonObjects中了，所以if判断结果是false，因此wrapIfNecessary(bean, beanName, cacheKey)不会在执行了，这样可以避免该方法执行2次，并且可以避免无法再bean工厂中生成一致的bean对象

如果没有发生循环依赖，那么org.springframework.aop.framework.autoproxy.AbstractAutoProxyCreator#getEarlyBeanReference方法不会执行，因此earlyProxyReferences集合中就不存在键为a的情况了，如果B类中没有注入对象A就可以达到。但是A类和B类产生了循环依赖，所以earlyProxyReferences中存储键为a的情况了

3.8、找到往一级缓存中添加对象A的代理对象的位置

对象A的实例化已经完成，代码继续往下执行，可以看到：

从二级缓存中获得对象A的代理对象：

然后将结果一路返回：

• org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#doCreateBean
• org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#createBean(java.lang.String, org.springframework.beans.factory.support.RootBeanDefinition, java.lang.Object[])
  当匿名内部类中的方法执行完毕后，将回到singletonObject = singletonFactory.getObject();执行完成的状态
  

往下继续看方法addSingleton()方法，目前singleonObject是一个：

往一级缓存中放入对象A的代理对象信息

3.9、往对象C中注入对象A

由于对象A已经在一级缓存中了，所以对象C通过getSingleton方法可以直接获取对象A的代理对象

三、流程分析

在上述示例代码中，对象A中注入对象B、对象C，而对象B和对象C中也会注入对象A，这就造成了循环依赖

• Spring根据@SpringBootApplication注解中@ComponentScan扫描到了A类（被@Component注解修饰）

• Spring先去Bean容器中获取对象A，但是发现对象A不在Spring容器中，那就来创建对象A；首先根据A类的构造函数创建对象A，但是对象A不会被放在三级缓存中
  

• 将匿名内部类放到第3级缓存singletonFactories中，在后面解决循环依赖时可以用到
  

• 在对象A中注入对象B
  

• Spring就去Bean容器中获取对象B，但是发现对象B不在Spring容器中，那就来创建对象B；和创建对象A一样，也是根据A类的构造函数创建对象A，然后准备往对象B中注入对象A
  

• Spring就去Bean容器中获取对象A，我们在上面将包含对象A信息的匿名内部类放到了第3级缓存singletonFactories中，现在我们可以把它取出来，之后调用它的getObject()方法，其实就是执行匿名内部类中的方法
  

• 我们来看下匿名内部类中的方法，图片下半部分是方法开始的地方，然后在往上看就可以；大家看下标号①，我们将生成代理对象后的原始对象存在earlyProxyReferences集合中，后续当对象A完成初始化方法后通过earlyProxyReferences集合进行判断，然后决定是否执行生成代理对象的方法，避免其他对象中注入的代理对象和Bean工厂中存储的代理对象不一致；大家再看下标号②，在A类中有一个test()方法上添加了@Transactional注解，当执行wrapIfNecessary()方法之后就会通过CGlib生成一个代理对象A；而原始对象A将被存储在earlyProxyReferences集合中
  

• 当代理对象A生成完成，相当于singletonFactory.getObject()执行完毕，此时singletonObject的值就是代理对象A，然后将代理对象A放到第2级缓存earlySingletonObjects中，并删除第3级缓存singletonFactories中存储的信息
  

• 上面通过getSingleton()方法获取到了代理对象A，然后交给对象B做注入，最终完成对象B的创建工作，然后将创建完成的对象B返回给对象A做注入，当对象B被注入到对象A之后，那就完成了populateBean()方法
  

• 然后初始化也是对象创建道路上的关键一环，现在来执行initializeBean()方法，生成代理对象的位置在该方法末尾的地方，即执行applyBeanPostProcessorsAfterInitialization()方法的地方，其中方法会执行到这个地方；在解决循环依赖（对象A和B相互依赖）的时候，我们把原始对象A已经放到了earlyProxyReferences集合中，所以此时可以从循环依赖中取到原始对象A，所以if判断的结果是false，因此就不会执行生成代理对象A的过程了，大家是否还记得，我们之前已经把代理对象A放到了第2级缓存earlySingletonObjects中了，我们在后续步骤中会从二级缓存中去除代理对象A，然后放到一级缓存中，往下慢慢看
  

• 此时exposedObject依然是原始对象A，然后往下执行getSingleton()方法来获取代理对象A
  

• 在解决循环依赖的时候，我们将代理对象放到了2级缓存earlySingletonObjects集合中，现在我们取出代理对象赋值给earlySingletonReference
  

• 然后doCreateBean()方法将代理对象A返回，然后createBean()方法在将代理对象A返回，这也标志着红框中匿名内部类中方法的执行结束，而匿名内部类方法的调用位置在getSingleton()方法中，也就是getObject()方法，此时singletonObject的值就是代理对象A
  

• 最后调用addSingleton()方法将代理对象A放入1级缓存中
  
  

• Spring根据@SpringBootApplication注解中@ComponentScan扫描到了C类（被@Component注解修饰）

• C类中注入了对象A，所以需要获取对象A，此时对象A已经放到了1级缓存中，所以可以直接取到代理对象A，从而在对象C中注入代理对象A
  

四、参考文章

• 一文告诉你Spring是如何利用"三级缓存"巧妙解决Bean的循环依赖问题的【享学Spring】