聊聊Spring循环依赖三级缓存是否可以减少为二级缓存的情况

基于Spring-5.1.5.RELEASE

问题

都知道Spring通过三级缓存来解决循环依赖的问题。但是是不是必须三级缓存才能解决，二级缓存不能解决吗？

要分析是不是可以去掉其中一级缓存，就先过一遍Spring是如何通过三级缓存来解决循环依赖的。

循环依赖

所谓的循环依赖，就是两个或则两个以上的bean互相依赖对方，最终形成闭环。比如“A对象依赖B对象，而B对象也依赖A对象”，或者“A对象依赖B对象，B对象依赖C对象，C对象依赖A对象”；类似以下代码：

public class A {
 private B b;
}
 
public class B {
 private A a;
}

常规情况下，会出现以下情况：

通过构建函数创建A对象（A对象是半成品，还没注入属性和调用init方法）。

A对象需要注入B对象，发现对象池（缓存）里还没有B对象（对象在创建并且注入属性和初始化完成之后，会放入对象缓存里）。

通过构建函数创建B对象（B对象是半成品，还没注入属性和调用init方法）。

B对象需要注入A对象，发现对象池里还没有A对象。

创建A对象，循环以上步骤。

三级缓存

Spring解决循环依赖的核心思想在于提前曝光：

通过构建函数创建A对象（A对象是半成品，还没注入属性和调用init方法）。

A对象需要注入B对象，发现缓存里还没有B对象，将半成品对象A放入半成品缓存。

通过构建函数创建B对象（B对象是半成品，还没注入属性和调用init方法）。

B对象需要注入A对象，从半成品缓存里取到半成品对象A。

B对象继续注入其他属性和初始化，之后将完成品B对象放入完成品缓存。

A对象继续注入属性，从完成品缓存中取到完成品B对象并注入。

A对象继续注入其他属性和初始化，之后将完成品A对象放入完成品缓存。

其中缓存有三级：

/** Cache of singleton objects: bean name to bean instance. */
private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);
 
/** Cache of early singleton objects: bean name to bean instance. */
private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16); 
 
/** Cache of singleton factories: bean name to ObjectFactory. */
private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16);

缓存	说明
singletonObjects	第一级缓存，存放可用的成品Bean。
earlySingletonObjects	第二级缓存，存放半成品的Bean，半成品的Bean是已创建对象，但是未注入属性和初始化。用以解决循环依赖。
singletonFactories	第三级缓存，存的是Bean工厂对象，用来生成半成品的Bean并放入到二级缓存中。用以解决循环依赖。

要了解原理，最好的方法就是阅读源码，从创建Bean的方法AbstractAutowireCapableBeanFactor.doCreateBean入手。

1. 在构造Bean对象之后，将对象提前曝光到缓存中，这时候曝光的对象仅仅是构造完成，还没注入属性和初始化。

public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory
  implements AutowireCapableBeanFactory {
 protected Object doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final @Nullable Object[] args)
   throws BeanCreationException {   
  ……
  // 是否提前曝光
  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");
   }
   addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));
  }
  ……
 } 
}  

2. 提前曝光的对象被放入Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories缓存中，这里并不是直接将Bean放入缓存，而是包装成ObjectFactory对象再放入。

public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry {
 protected void addSingletonFactory(String beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) {
  Assert.notNull(singletonFactory, "Singleton factory must not be null");
  synchronized (this.singletonObjects) {
   // 一级缓存
   if (!this.singletonObjects.containsKey(beanName)) {
    // 三级缓存
    this.singletonFactories.put(beanName, singletonFactory);
    // 二级缓存
    this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
    this.registeredSingletons.add(beanName);
   }
  }
 }
}
public interface ObjectFactory<T> {
 T getObject() throws BeansException;
} 

3. 为什么要包装一层ObjectFactory对象？

如果创建的Bean有对应的代理，那其他对象注入时，注入的应该是对应的代理对象；但是Spring无法提前知道这个对象是不是有循环依赖的情况，而正常情况下（没有循环依赖情况），Spring都是在创建好完成品Bean之后才创建对应的代理。这时候Spring有两个选择：

不管有没有循环依赖，都提前创建好代理对象，并将代理对象放入缓存，出现循环依赖时，其他对象直接就可以取到代理对象并注入。

不提前创建好代理对象，在出现循环依赖被其他对象注入时，才实时生成代理对象。这样在没有循环依赖的情况下，Bean就可以按着Spring设计原则的步骤来创建。

Spring选择了第二种方式，那怎么做到提前曝光对象而又不生成代理呢？

Spring就是在对象外面包一层ObjectFactory，提前曝光的是ObjectFactory对象，在被注入时才在ObjectFactory.getObject方式内实时生成代理对象，并将生成好的代理对象放入到第二级缓存Map<String, Object> earlySingletonObjects。

addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));：

public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory
  implements AutowireCapableBeanFactory {
 
 protected Object getEarlyBeanReference(String beanName, RootBeanDefinition mbd, Object bean) {
  Object exposedObject = bean;
  if (!mbd.isSynthetic() && hasInstantiationAwareBeanPostProcessors()) {
   for (BeanPostProcessor bp : getBeanPostProcessors()) {
    if (bp instanceof SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) {
     SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor ibp = (SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) bp;
     exposedObject = ibp.getEarlyBeanReference(exposedObject, beanName);
    }
   }
  }
  return exposedObject;
 }
}

为了防止对象在后面的初始化（init）时重复代理，在创建代理时，earlyProxyReferences缓存会记录已代理的对象。

public abstract class AbstractAutoProxyCreator extends ProxyProcessorSupport
  implements SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor, BeanFactoryAware {
 private final Map<Object, Object> earlyProxyReferences = new ConcurrentHashMap<>(16);
   
 @Override
 public Object getEarlyBeanReference(Object bean, String beanName) {
  Object cacheKey = getCacheKey(bean.getClass(), beanName);
  this.earlyProxyReferences.put(cacheKey, bean);
  return wrapIfNecessary(bean, beanName, cacheKey);
 }  
}  

4. 注入属性和初始化

提前曝光之后：

通过populateBean方法注入属性，在注入其他Bean对象时，会先去缓存里取，如果缓存没有，就创建该对象并注入。

通过initializeBean方法初始化对象，包含创建代理。

public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory
  implements AutowireCapableBeanFactory {
 protected Object doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final @Nullable Object[] args)
   throws BeanCreationException {
  ……
  // Initialize the bean instance.
  Object exposedObject = bean;
  try {
   populateBean(beanName, mbd, instanceWrapper);
   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);
   }
  }
  ……
 }  
} 
// 获取要注入的对象
public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry {
 protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
  // 一级缓存
  Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
  if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
   synchronized (this.singletonObjects) {
    // 二级缓存
    singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
    if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
     // 三级缓存
     ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
     if (singletonFactory != null) {
      singletonObject = singletonFactory.getObject();
      this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
      this.singletonFactories.remove(beanName);
     }
    }
   }
  }
  return singletonObject;
 }
} 

5. 放入已完成创建的单例缓存

在经历了以下步骤之后，最终通过addSingleton方法将最终生成的可用的Bean放入到单例缓存里。

AbstractBeanFactory.doGetBean ->
DefaultSingletonBeanRegistry.getSingleton ->
AbstractAutowireCapableBeanFactory.createBean ->
AbstractAutowireCapableBeanFactory.doCreateBean ->
DefaultSingletonBeanRegistry.addSingleton
public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry {
 
 /** Cache of singleton objects: bean name to bean instance. */
 private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);
 
 /** Cache of singleton factories: bean name to ObjectFactory. */
 private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16);
 
 /** Cache of early singleton objects: bean name to bean instance. */
 private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16);
 
 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);
  }
 }
} 

二级缓存

上面第三步《为什么要包装一层ObjectFactory对象？》里讲到有两种选择：

不管有没有循环依赖，都提前创建好代理对象，并将代理对象放入缓存，出现循环依赖时，其他对象直接就可以取到代理对象并注入。

不提前创建好代理对象，在出现循环依赖被其他对象注入时，才实时生成代理对象。这样在没有循环依赖的情况下，Bean就可以按着Spring设计原则的步骤来创建。

Sping选择了第二种，如果是第一种，就会有以下不同的处理逻辑：

在提前曝光半成品时，直接执行getEarlyBeanReference创建到代理，并放入到缓存earlySingletonObjects中。

有了上一步，那就不需要通过ObjectFactory来延迟执行getEarlyBeanReference，也就不需要singletonFactories这一级缓存。

这种处理方式可行吗？

这里做个试验，对AbstractAutowireCapableBeanFactory做个小改造，在放入三级缓存之后立刻取出并放入二级缓存，这样三级缓存的作用就完全被忽略掉，就相当于只有二级缓存。

public abstract class AbstractAutowireCapableBeanFactory extends AbstractBeanFactory
  implements AutowireCapableBeanFactory {
 protected Object doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final @Nullable Object[] args)
   throws BeanCreationException {   
  ……
  // 是否提前曝光
  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");
   }
   addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));
   // 立刻从三级缓存取出放入二级缓存
   getSingleton(beanName, true);
  }
  ……
 } 
}  

测试结果是可以的，并且从源码上分析可以得出两种方式性能是一样的，并不会影响到Sping启动速度。那为什么Sping不选择二级缓存方式，而是要额外加一层缓存？

如果要使用二级缓存解决循环依赖，意味着Bean在构造完后就创建代理对象，这样违背了Spring设计原则。

Spring结合AOP跟Bean的生命周期，是在Bean创建完全之后通过AnnotationAwareAspectJAutoProxyCreator这个后置处理器来完成的，在这个后置处理的postProcessAfterInitialization方法中对初始化后的Bean完成AOP代理。

如果出现了循环依赖，那没有办法，只有给Bean先创建代理，但是没有出现循环依赖的情况下，设计之初就是让Bean在生命周期的最后一步完成代理而不是在实例化后就立马完成代理。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持北冥有鱼。如有错误或未考虑完全的地方，望不吝赐教。