Spring Boot扩展：Spring 是如何处理循环依赖的？

喜欢ヅ旅行 2023-09-26 22:17 59阅读 0赞

## 01-前言：什么是循环依赖？ ##

首先，我们先明确下依赖的定义。 如果一个 Bean bar 的属性，引用了容器中的另外一个 Bean foo，那么称 foo 为 bar 的依赖，或称 bar 依赖 foo。 如果用代码表示，可以表示为：

@Component("foo")
    public Class Foo {
        @Autowired
        private Bar bar;  // 称 foo 依赖 bar
    }
    
    @Component("bar")
    public Class Bar {
        @Autowired
        private Baz baz;  // bar 依赖 baz
    }
    复制代码

其次，循环引用的概念是指多个 Bean 之间的依赖关系形成了环。 接着上面的例子，如果 baz 依赖 foo 或 bar 都将形成循环依赖。

@Component("baz")
    public class Baz {
        @Autowired
        private Foo foo; // 形成了循环依赖，baz -> (依赖) foo -> bar -> baz ...
    }
    复制代码

## 02-Spring 如何处理循环依赖？ ##

我跟大家一块学习了 Spring 创建 Bean 过程的源码。 我们知道：在 createBeanInstance 阶段，需要解决构造器、工厂方法参数的依赖； 在 populateBean 阶段，需要解决类属性中对其他 Bean 的依赖。 这其实对应了 Spring 中支持的两种依赖注入方式，基于构造器的依赖注入和基于 setter 方法的依赖注入，分别对应前面的两种情况。

接下来，我会通过上节介绍的示例，来分情况讨论产生循环依赖的场景。 为了使讨论过程更清楚、更简洁，我会让 foo 依赖 bar，而 bar 依赖 foo。 在接下来的描述中，我假设 Spring 会先创建 Bar 的对象，再创建 Foo 的对象。 针对不同的依赖情况，可以分为四种场景：

*  第一种场景，Bar 在构造器参数中依赖 Foo，Foo 在构造器参数中依赖 Bar。这种场景下，依赖的注入发生在 Bar 和 Foo 的实例化阶段。
 *  第二种场景，Bar 在构造器参数中依赖 Foo，Foo 通过 setter 函数依赖 Bar。这种场景下，Bar 中注入 Foo 发生在实例化阶段，Foo 中注入 Bar 发生在属性填充阶段。
 *  第三种场景，Bar 通过 setter 函数依赖 Foo，Foo 在构造器参数中依赖 Bar。这种场景下，Bar 中输入 Foo 发生在属性填充阶段，而 Foo 中注入 Bar 发生在实例化阶段。
 *  第四种场景，Bar 通过 setter 函数依赖 Foo，Foo 通过 setter 函数依赖 Bar。 这种场景下，依赖注入均发生在属性填充阶段。

在具体分析上述四种场景之前，先说下结论： Spring 可以解决场景三、四中出现循环依赖的情况，而第一、二种场景，Spring 无法解决，需要重构依赖或者延迟延迟依赖注入的时机（例如使用 @Lazy 等）。 细心的读者可能会问第二种、第三种场景有什么不同呢？ 其实第二、第三种场景本质上是同一种情况，唯一的不同是实例化的先后顺序。 结合这个信息，可以得出，先创建的类以构造器参数方式依赖其他 Bean，则会发生循环依赖异常。 反过来，如果先创建的类以 setter 方式依赖其他 Bean，则不会发生循环依赖异常。

接下来，我会详细分析每一种场景，并指出抛循环依赖异常的时机。 （注：接下来的分析需要对 Spring 创建 Bean 的过程有基本的了解，

首先，所有的单例 Bean 会在容器启动后被创建 ConfigurableListableBeanFactory\#preInstantiateSingletons，即所谓的 “eager registration of singletons” 过程。

第一种场景，会先触发 Bar 类的实例 bar 的创建。在 createBeanInstance 阶段，会通过 ConstructorResolver\#autowireConstructor 来创建实例。 ConstructorResolver\#createArgumentArray 会解析构造器中的参数，并处理对其他 Bean 依赖的引用 ConstructorResolver\#resolveAutowiredArgument。 处理依赖的方式就是通过 DefaultListableBeanFactory\#resolveDependency 来查找符合条件的 Bean，最终还是通过 AbstractBeanFactory\#getBean 来从容器中取。 当通过 getBean("bar") 来触发 Spring 创建 bar 时，在实例化阶段，根据构造器参数来 getBean("foo") 并触发 foo 的创建。 在 foo 的实例化过程与 bar 的是完全一样的，最终 getBean("bar")。这是容器中的 bar 还没有创建好，所以会再次触发创建过程。 在真正创建过程之前，在 DefaultSingletonBeanRegistry\#getSingleton 中会有一次检查，DefaultSingletonBeanRegistry\#beforeSingletonCreation 如果发现要创建的 bean 正在创建过程中，则抛出异常。

org.springframework.beans.factory.BeanCurrentlyInCreationException: Error creating bean with name 'bar': Requested bean is currently in creation: Is there an unresolvable circular reference?
    复制代码

第二种场景，同样先构建 bar 实例。与第一种场景不同之处在于 foo 创建时，它的 createBeanInstance 阶段能够执行完毕。 原因是 foo 只有一个无参构造器（即默认构造器），不需要注入其他依赖。 foo 的 createBeanInstance 阶段执行完毕后，会进入 populateBean 阶段。 在这个阶段中，AutowiredAnnotationBeanPostProcessor\#postProcessProperties 会处理 setter 函数依赖的 Bean。 大致处理过程为：AutowiredAnnotationBeanPostProcessor 识别到 foo 中包含需要注入依赖的 setter 函数，将其映射为 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor$AutowiredMethodElement 对象。 然后调用 AutowiredMethodElement\#inject 方法注入依赖。 在 inject 方法中，会调用 DefaultListableBeanFactory\#resolveDependency 来查找对应的依赖。 到这里为止，后续的过程与第一种场景完全一致了。 从容器中尝试获取 bar，发现不存在，会出发 bar 的再次创建，最终在 DefaultSingletonBeanRegistry\#beforeSingletonCreation 中抛出异常。

第三种场景，同样先构建 bar 实例。由于它只包含一个默认构造器，所以它的 createBeanInstance 阶段会顺利完成，然后进入 populateBean 阶段。 当你仔细回看一下 Spring 创建 Bean 过程的源码，你会发现下面这段代码：

if (earlySingletonExposure) {
        addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));
    }
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这段逻辑发生在 createBeanInstance 之后，尚未进入 populateBean 之前。 这里其实就是 Spring 解决循环依赖机制的核心点之一，这里我暂且不深入介绍，后面会有详细的分析。

继续前面的分析。bar 实例创建进入到 populateBean 阶段后，会检查其自身依赖情况，然后注入对应的依赖 Bean。 这里的处理逻辑依然是 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor\#postProcessProperties 来处理。 当尝试注入 foo 时，会出发 foo 实例的创建过程。foo 通过构造器依赖 bar，因此在其 createBeanInstance 阶段，会通过 ConstructorResolver\#autowireConstructor 完成依赖注入。 此时通过 getBean("bar") 从容器中尝试获取 bar 时，能够“获取到”。 注：这里为什么不会出发 bar 的创建，反而能够直接得到 bar 对象呢？上面的获取到我加了引号，它其实获得的并不是一个完整、可用的 bar。 它获得的是通过 earlySingletonExposure 提前暴露出的对象。 这个过程在后面介绍三级缓存时会详细介绍。

篇幅原因，第四种场景我不在这里继续分析，感兴趣的读者可以自己尝试分析下。 简单提示下，它的过程有点像第三种场景前半段、第二种场景的后半段结合起来。

在上述四种场景下，第一种情况，依赖双方都是通过构造器依赖对方，这种情况下 Spring 是无法处理的。 而且，我认为出现这一情况，属于是设计上的缺陷，应当通过重新设计依赖关系来解决，例如可以将基于构造器的注入修改为基于 setter 的注入，或者通过 @Lazy 将依赖的初始化延迟到使用时。 通过 Foo、Bar 类来举例说明。

@Component
    public class Foo {
        private Bar bar;
        @Autowired
        public Foo(@Lazy Bar bar) {
            this.bar = bar;
        }
    }
    
    @Component
    public class Bar {
        private Foo foo;
        @Autowired
        public Bar(Foo foo) {  // 或者将对 foo 的依赖，注解为 @Lazy 表示使用时才初始化
            this.foo = foo;
        }
    }
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另一种修改方式就是，将第一种情况，修改为第二种情况，即：

@Component
    public class Bar {
        private Foo foo;
        @Autowired
        public void setFoo(Foo foo) {
            this.foo = foo;
        }
    }
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## 03-Spring 中解决循环依赖的三级缓存 ##

Spring 中设计了一个三级缓存用来解决前面介绍的循环依赖问题的处理。三级缓存包括：

*  singletonObjects，为一级缓存，保存了 beanName -> bean instance 的映射关系。存放的是完全可用的单例 Bean 对象。
 *  earlySingletonObjects，为二级缓存，保存了 beanName -> bean instance 的映射关系。 在一级、二级缓存都没有发现目标对象，但三级缓存中存在 ObjectFactory 对象时，调用 ObjectFactory\#getObject 创建实例，放入二级缓存，删除三级缓存中的 ObjectFactory 对象。
 *  singletonFactories，为三级缓存，保存了 beanName -> ObjectFactory 的映射关系。 在 doCreateBean 时，会向这个 map 中添加 `beanName: () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean)` 的映射关系，value 是一个函数式接口 ObjectFactory。

protected void addSingletonFactory(String beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) {
        synchronized (this.singletonObjects) {
            if (!this.singletonObjects.containsKey(beanName)) {
                this.singletonFactories.put(beanName, singletonFactory);
                this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
                this.registeredSingletons.add(beanName);
            }
        }
    }
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大概了解了 Spring 中的三级缓存后，我们再回过头来看一下 AbstractBeanFactory\#getBean 过程。 它的实际工作是在 AbstractBeanFactory\#doGetBean 中完成的。 doGetBean 方法的具体实现可以简化、抽象为：

protected <T> T doGetBean(
    			String name, @Nullable Class<T> requiredType, @Nullable Object[] args, boolean typeCheckOnly)
    			throws BeansException {
        Object sharedInstance = getSingleton(beanName);
        if (sharedInstance != null && args == null) {
            // 缓存中存在
            /**
            * 如果 beanName 是一个 FactoryBean，则获取对应的 Bean
            * 如果 beanName 是一个普通的 Bean，则返回这个 Bean 本身
            */ 
            beanInstance = getObjectForBeanInstance(sharedInstance, name, beanName, null);
        } else {
            // 缓存中不存在
            // 创建对象
            
            if (mbd.isSingleton()) {
                /**
                * 这里的 getSingleton 是 getSingleton(beanName) 的重载版本
                * 它接受一个 beanName 和 一个 ObjectFactory 作为参数
                * 调用 ObjectFactory#getObject 产生一个实例
                * 并通过 addSingleton(beanName, singletonObject); 将实例添加到 singletonObjects 中
                * 这里 createBean 的代码就是前面提到的 Spring 创建 Bean 实例的过程 doCreateBean
                */
                sharedInstance = getSingleton(beanName, () -> {
                    try {
                        return createBean(beanName, mbd, args);
                    }
                });
                /**
                * 同前面分支中的作用一样
                */
                beanInstance = getObjectForBeanInstance(sharedInstance, name, beanName, mbd);
            }
        }
        /**
        * 判断 Bean 类型与 requiredType 类型是否一直，一致则直接返回，不一致则需要进行转换
        */
        return adaptBeanInstance(name, beanInstance, requiredType);
    }
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从上面的源码可以知道，当 DefaultSingletonBeanRegistry\#getSingleton(beanName) 时，会先从多级缓存中取对象（可能是 bean instance，也可能是对应的 ObjectFactory）。 从多级缓存中取对象的源码如下：

protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
        // Quick check for existing instance without full singleton lock
        Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
        /**
        * 判断第一级缓存中是否有完全可以可用的 Bean 实例，若有则返回；
        * 若没有，则根据情况判断
        * isSingletonCurrentlyInCreation(beanName) 检查的是在 `Set<String> singletonsCurrentlyInCreation` 集合中是否包含要获取的 Bean 实例
        * beanName 只在调用 beforeSingletonCreation(String beanName)  时被添加到 singletonsCurrentlyInCreation 集合中
        * beforeSingletonCreation 在创建 bean，即 doCreateBean 之前调用，在创建过程完成以后，调用 afterSingletonCreation 从集合中移除 beanName
        */
        if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) { 
            /**
            * 执行到这个分支，其实说明 Bean 已经在创建过程中了，只不过是尚未完全可用（即一级缓存中没有）
            * 检查二级缓存，是否包含指定的 Bean
            * 
            * 二级缓存里的内容何时被添加或设置进来的呢？
            * 我们可以检查下 earlySingletonObjects.put 方法都在哪里调用。
            * 检查后发现，其实 earlySingletonObjects 就是在当前方法中设置的，我们接着往下看。
            */
            singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
            if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
                /**
                * 这里的 allowEarlyReference 的意思就是指是否允许在二级缓存中创建一个对象，即是否允许暴露未完全可用的对象
                * 如果 allowEarlyReference 为假，则不会操作二级、三级缓存，而仅检查一级缓存中是否有完全可用的 Bean 实例
                * 这也意味着，不允许返回未完全可用状态的 Bean
                * 
                * 当发现二级缓存中没有对象，同时又允许提前引用（即 allowEarlyReference 值为真）
                * 则检查三级缓存中是否有对应的 ObjectFactory 对象，若有，则调用它的 getObject 方法产生对象，然后将其放置到二级缓存中，同时删除三级缓存中的对象工厂实例
                * 若三级缓存中也没有对象工厂实例，则说面 bean 还未创建
                */
                synchronized (this.singletonObjects) {
                    /**
                    * 这里会进行一个 double-check，避免多线程间的线程安全问题
                    */
                    // Consistent creation of early reference within full singleton lock
                    singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
                    if (singletonObject == null) {
                        singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
                        if (singletonObject == null) {
                            ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
                            if (singletonFactory != null) {
                                /**
                                * 三级缓存中存在对象工厂实例，则通过它产生一个 Bean 实例
                                * 加入到二级缓存中，同时删除三级缓存中的对象工厂实例
                                */
                                singletonObject = singletonFactory.getObject();
                                this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
                                this.singletonFactories.remove(beanName);
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return singletonObject;
    }
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注：

*  isSingletonCurrentlyInCreation(beanName) 意味着什么呢？意味着对应的 Bean 在 doCreateBean 过程中，可能在 createBeanInstance \\ populateBean \\ initializeBean 阶段中。
 *  在前面提到，createBeanInstance 后，Bean 会被添加到上述多级缓存中的第三级缓存中，存入对象是 beanName -> objectFactory 映射关系。 当其他的 Bean 依赖当前 Bean 时，而且允许引用提前暴露的 Bean（即未完全可用的 Bean），会检查第二级缓存，如果没有还会检查第三级缓存，并在得到对应 objectFactory 时，获得对象并将其从第三级移动到第二级。

有些读者看到这里可能会有个疑问，那二级缓存中的对象什么时候删除呢？ 我们再来回头看下 doGetBean 中的代码片段：

sharedInstance = getSingleton(beanName, () -> {
        try {
            return createBean(beanName, mbd, args);
        }
    });
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这里的 singleton

public Object getSingleton(String beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) {
        synchronized (this.singletonObjects) {
            Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
            if (singletonObject == null) {
                /**
                * 检查 Bean 是否在创建过程中，避免重复创建，
                * 不能解决的循环依赖也是在这里抛出异常
                */
                beforeSingletonCreation(beanName);
                boolean newSingleton = false;
                try {
                    /**
                    * 这里调用的其实就是  AbstractAutowireCapableBeanFactory#createBean
                    * 然后会执行 doCreateBean（三个阶段）
                    */
                    singletonObject = singletonFactory.getObject();
                    newSingleton = true;
                }
                catch (IllegalStateException ex) {
                    // Has the singleton object implicitly appeared in the meantime ->
                    // if yes, proceed with it since the exception indicates that state.
                    singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
                    if (singletonObject == null) {
                        throw ex;
                    }
                }
                catch (BeanCreationException ex) {
                    throw ex;
                }
                finally {
                    afterSingletonCreation(beanName);
                }
                if (newSingleton) {
                    /**
                    * 这里说明一个 bean 创建过程的三个阶段都执行完毕了
                    */
                    addSingleton(beanName, singletonObject);
                }
            }
            return singletonObject;
        }
    }
    /**
    * 将 Bean 实例添加到第一级缓存
    * 将第二级、第三级缓存中的对象删除
    */
    protected void addSingleton(String beanName, Object singletonObject) {
    		synchronized (this.singletonObjects) {
    			this.singletonObjects.put(beanName, singletonObject);
    			this.singletonFactories.remove(beanName);
    			this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
    			this.registeredSingletons.add(beanName);
    		}
    	}
    复制代码

到这里为止，相信你对 Spring 创建 Bean 的过程以及处理循环依赖的机制能够有个大致的了解。 如果想了解的更深或跟多细节，可以自己单步调试下。 希望今天的内容能够对你有所帮助。如果有写得不对的地方，也请大家多批评指正。