曹工说Spring Boot源码（29）-- Spring 解决循环依赖为什么使用三级缓存，而不是二级缓存

写在前面的话

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工程代码地址 思维导图地址

工程结构图：

什么是三级缓存

在获取单例bean的时候，会进入以下方法：

org.springframework.beans.factory.support.DefaultSingletonBeanRegistry#getSingleton(java.lang.String, boolean)
    
protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
                // 1
		Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
		if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
			synchronized (this.singletonObjects) {
                                // 2
				singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
				if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
                                        // 3
					ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
					if (singletonFactory != null) {
                                                // 4
						singletonObject = singletonFactory.getObject();
						this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
						this.singletonFactories.remove(beanName);
					}
				}
			}
		}
		return singletonObject;
	}

这里面涉及到了该类中的三个field。

	/** 1级缓存 Cache of singleton objects: bean name to bean instance. */
	private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);

	/** 2级缓存 Cache of early singleton objects: bean name to bean instance. */
	private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16);

	/** 3级缓存 Cache of singleton factories: bean name to ObjectFactory. */
	private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16);

接着说前面的代码。

• 1处，在最上层的缓存singletonObjects中，获取单例bean，这里面拿到的bean，直接可以使用；如果没取到，则进入2处

• 2处，在2级缓存earlySingletonObjects中，查找bean；

• 3处，如果在2级缓存中，还是没找到，则在3级缓存中查找对应的工厂对象，利用拿到的工厂对象（工厂对象中，有3个field，一个是beanName，一个是RootBeanDefinition，一个是已经创建好的，但还没有注入属性的bean），去获取包装后的bean，或者说，代理后的bean。

  什么是已经创建好的，但没有注入属性的bean？

  比如一个bean，有10个字段，你new了之后，对象已经有了，内存空间已经开辟了，堆里已经分配了该对象的空间了，只是此时的10个field还是null。

ioc容器，普通循环依赖，一级缓存够用吗

说实话，如果简单写写的话，一级缓存都没问题。给大家看一个我以前写的渣渣ioc容器：

曹工说Tomcat4：利用 Digester 手撸一个轻量的 Spring IOC容器

@Data
public class BeanDefinitionRegistry {
    /**
     * map：存储 bean的class-》bean实例
     */
    private Map<Class, Object> beanMapByClass = new ConcurrentHashMap<>();
    
    /**
     * 根据bean 定义获取bean
     * 1、先查bean容器，查到则返回
     * 2、生成bean，放进容器（此时，依赖还没注入，主要是解决循环依赖问题）
     * 3、注入依赖
     *
     * @param beanDefiniton
     * @return
     */
    private Object getBean(MyBeanDefiniton beanDefiniton) {
        Class<?> beanClazz = beanDefiniton.getBeanClazz();
        Object bean = beanMapByClass.get(beanClazz);
        if (bean != null) {
            return bean;
        }
		// 0
        bean = generateBeanInstance(beanClazz);


        // 1 先行暴露，解决循环依赖问题
        beanMapByClass.put(beanClazz, bean);
        beanMapByName.put(beanDefiniton.getBeanName(), bean);

        // 2 查找依赖
        List<Field> dependencysByField = beanDefiniton.getDependencysByField();
        if (dependencysByField == null) {
            return bean;
        }
		
        // 3
        for (Field field : dependencysByField) {
            try {
                autowireField(beanClazz, bean, field);
            } catch (Exception e) {
                throw new RuntimeException(beanClazz.getName() + " 创建失败",e);
            }
        }

        return bean;
    }
}

大家看上面的代码，我只定义了一个field，就是一个map，存放bean的class-》bean。

    /**
     * map：存储 bean的class-》bean实例
     */
    private Map<Class, Object> beanMapByClass = new ConcurrentHashMap<>();

• 0处，生成bean，直接就是new
• 1处，先把这个不完整的bean，放进map
• 2处，获取需要注入的属性集合
• 3处，进行自动注入，就是根据field的Class，去map里查找对应的bean，设置到field里。

上面这个代码，有啥问题没？spring为啥整整三级？

ioc，一级缓存有什么问题

一级缓存的问题在于，就1个map，里面既有完整的已经ready的bean，也有不完整的，尚未设置field的bean。

如果这时候，有其他线程去这个map里获取bean来用怎么办？拿到的bean，不完整，怎么办呢？属性都是null，直接空指针了。

所以，我们就要加一个map，这个map，用来存放那种不完整的bean。这里，还是拿spring举例。我们可以只用下面这两层：

	/** 1级缓存 Cache of singleton objects: bean name to bean instance. */
	private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);

	/** 2级缓存 Cache of early singleton objects: bean name to bean instance. */
	private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16);

因为spring代码里是三级缓存，所以我们对源码做一点修改。

修改spring源码，只使用二级缓存

修改创建bean的代码，不放入第三级缓存，只放入第二级缓存

创建了bean之后，属性注入之前，将创建出来的不完整bean，放到earlySingletonObjects

这个代码，在org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#doCreateBean，我这边只有4.0版本的spring源码工程，不过这套逻辑，算是spring核心逻辑，和5.x版本差别不大。

protected Object doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final Object[] args) {
		BeanWrapper instanceWrapper = null;
		if (mbd.isSingleton()) {
			instanceWrapper = this.factoryBeanInstanceCache.remove(beanName);
		}
		if (instanceWrapper == null) {
            // 1
			instanceWrapper = createBeanInstance(beanName, mbd, args);
		}
		final Object bean = (instanceWrapper != null ? instanceWrapper.getWrappedInstance() : null);
		Class beanType = (instanceWrapper != null ? instanceWrapper.getWrappedClass() : null);
		...
		boolean earlySingletonExposure = (mbd.isSingleton() && this.allowCircularReferences &&
				isSingletonCurrentlyInCreation(beanName));
		if (earlySingletonExposure) {
            // 2
			earlySingletonObjects.put(beanName,bean);
			registeredSingletonObjects.add(beanName);
			// 3
//			addSingletonFactory(beanName, new ObjectFactory() {
//				public Object getObject() throws BeansException {
//					return getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean);
//				}
//			});
		}

• 1处，就是创建对象，就是new
• 2处，这是我加的代码，放入二级缓存
• 3处，本来这就是增加三级缓存的位置，被我注释了。现在，就不会往三级缓存放东西了

修改获取bean的代码，只从第一、第二级缓存获取，不从第三级获取

org.springframework.beans.factory.support.DefaultSingletonBeanRegistry#getSingleton(java.lang.String, boolean)

之前的代码是文章开头那样的，我这里修改为：

	protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
		Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
		if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
			synchronized (this.singletonObjects) {
				singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
				return singletonObject;
			}
		}
		return (singletonObject != NULL_OBJECT ? singletonObject : null);

这样，就是只用两级缓存了。

两级缓存，有啥问题？

ioc循环依赖，一点问题都没有，完全够用了。

我这边一个简单的例子，

public class Chick{
    private Egg egg;

    public Egg getEgg() {
        return egg;
    }

    public void setEgg(Egg egg) {
        this.egg = egg;
    }
}

public class Egg {
    private Chick chick;

    public Chick getChick() {
        return chick;
    }

    public void setChick(Chick chick) {
        this.chick = chick;
    }

    <bean id="chick" class="foo.Chick" lazy-init="true">
        <property name="egg" ref="egg"/>
    </bean>
    <bean id="egg" class="foo.Egg" lazy-init="true">
        <property name="chick" ref="chick"/>
    </bean>

        ClassPathXmlApplicationContext ctx = new ClassPathXmlApplicationContext(
                "context-namespace-test-aop.xml");

        Egg egg = (Egg) ctx.getBean(Egg.class);

结论：

所以，一级缓存都能解决的问题，二级当然更没问题。

但是，如果我这里给上面的Egg类，加个切面（aop的逻辑，意思就是最终会生成Egg的一个动态代理对象），那还有问题没？

    <aop:config>
        <aop:pointcut id="mypointcut" expression="execution(public * foo.Egg.*(..))"/>
        <aop:aspect id="myAspect" ref="performenceAspect">
            <aop:after method="afterIncubate" pointcut-ref="mypointcut"/>
        </aop:aspect>
    </aop:config>

注意这里的切点：

execution(public * foo.Egg.*(..))

就是切Egg类的方法。

加了这个逻辑后，我们继续运行，在 Egg egg = (Egg) ctx.getBean(Egg.class);行，会抛出如下异常：

我涂掉了一部分，因为那是官方对这个异常的推论，因为我们改了代码，所以推论不准确，因此干脆隐去。

这个异常是说：

兄弟啊，bean egg已经被注入到了其他bean：chick中。（因为我们循环依赖了），但是，注入到chick中的，是Egg类型。但是，我们这里最后对egg这个bean，进行了后置处理，生成了代理对象。那其他bean里，用原始的bean，是不是不太对啊？

所以，spring给我们抛错了。

怎么理解呢？ 以io流举例，我们一开始都是用的原始字节流，然后给别人用的也是字节流，但是，最后，我感觉不方便，我自己悄悄弄了个缓存字符流（类比代理对象），我是方便了，但是，别人用的，还是原始的字节流啊。

你bean不是单例吗？不能这么玩吧？

所以，这就是二级缓存，不能解决的问题。

什么问题？aop情形下，注入到其他bean的，不是最终的代理对象。

三级缓存，怎么解决这个问题

要解决这个问题，必须在其他bean（chick），来查找我们（以上面例子为例，我们是egg）的时候，查找到最终形态的egg，即代理后的egg。

怎么做到这点呢？

加个三级缓存，里面不存具体的bean，里面存一个工厂对象。通过工厂对象，是可以拿到最终形态的代理后的egg。

ok，我们将前面修改的代码还原：

protected Object doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final Object[] args) {
		BeanWrapper instanceWrapper = null;
		if (mbd.isSingleton()) {
			instanceWrapper = this.factoryBeanInstanceCache.remove(beanName);
		}
		if (instanceWrapper == null) {
            // 1
			instanceWrapper = createBeanInstance(beanName, mbd, args);
		}
		final Object bean = (instanceWrapper != null ? instanceWrapper.getWrappedInstance() : null);
		Class beanType = (instanceWrapper != null ? instanceWrapper.getWrappedClass() : null);

		boolean earlySingletonExposure = (mbd.isSingleton() && this.allowCircularReferences &&
				isSingletonCurrentlyInCreation(beanName));
		if (earlySingletonExposure) {
            // 2
//			Map<String, Object> earlySingletonObjects = this.getEarlySingletonObjects();
//			earlySingletonObjects.put(beanName,bean);
//
//			Set<String> registeredSingletonObjects = this.getRegisteredSingletonObjects();
//			registeredSingletonObjects.add(beanName);
			
            // 3
			addSingletonFactory(beanName, new ObjectFactory() {
				public Object getObject() throws BeansException {
					return getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean);
				}
			});
		}

• 1处，创建bean，单纯new，不注入

• 2处，revert我们的代码

• 3处，这里new了一个ObjectFactory，然后会存入到如下的第三级缓存。

  	/** 3级缓存 Cache of singleton factories: bean name to ObjectFactory. */
  	private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16);
  

  注意，new一个匿名内部类（假设这个匿名类叫AA）的对象，其中用到的外部类的变量，都会在AA中隐式生成对应的field。

  

  大家看上图，里面的3个字段，和下面代码1处中的，几个字段，是一一对应的。

  			addSingletonFactory(beanName, new ObjectFactory() {
  				public Object getObject() throws BeansException {
                      // 1
  					return getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean);
  				}
  			});
  

ok，现在，egg已经把自己存进去了，存在了第三级缓存，1级和2级都没有，那后续chick在使用getSingleton查找egg的时候，就会进入下面的逻辑了（就是文章开头的那段代码,下面已经把我们的修改还原了）：

protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
//		Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
//		if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
//			synchronized (this.singletonObjects) {
//				singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
//				return singletonObject;
//			}
//		}
//		return (singletonObject != NULL_OBJECT ? singletonObject : null);

		Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
		if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
			synchronized (this.singletonObjects) {
				singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
				if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
					ObjectFactory singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
					if (singletonFactory != null) {
                        // 1
						singletonObject = singletonFactory.getObject();
						this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
						this.singletonFactories.remove(beanName);
					}
				}
			}
		}
		return (singletonObject != NULL_OBJECT ? singletonObject : null);
	}

上面就会进入1处，调用singletonFactory.getObject();。

而前面我们知道，这个factory的逻辑是：

			addSingletonFactory(beanName, new ObjectFactory() {
				public Object getObject() throws BeansException {
                    // 1
					return getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean);
				}
			});

1处就是这个工厂方法的逻辑，这里面，简单说，就会去调用各个beanPostProcessor的getEarlyBeanReference方法。

其中，主要就是aop的主力beanPostProcessor，AbstractAutoProxyCreator#getEarlyBeanReference

其实现如下：

	public Object getEarlyBeanReference(Object bean, String beanName) throws BeansException {
		Object cacheKey = getCacheKey(bean.getClass(), beanName);
		this.earlyProxyReferences.add(cacheKey);
        // 1
		return wrapIfNecessary(bean, beanName, cacheKey);
	}

这里的1处，就会去对egg这个bean，创建代理，此时，返回的对象，就是个代理对象了，那，注入到chick的，自然也是代理后的egg了。

关于SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor

我们上面说的那个getEarlyBeanReference就在这个接口中。

这个接口继承了BeanPostProcessor。

而创建代理对象，目前就是在如下两个方法中去创建：

public interface BeanPostProcessor {
    Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException;
    
	Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException;    
}

这两个方法，都是在实例化之后，创建代理。那我们前面创建代理，是在依赖解析过程中：

public interface SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor extends InstantiationAwareBeanPostProcessor {
    ...
	Object getEarlyBeanReference(Object bean, String beanName) throws BeansException;
}

所以，spring希望我们，在这几处，要返回同样的对象，即：既然你这几处都要返回代理对象，那就不能返回不一样的代理对象。

源码

文章用到的aop循环依赖的demo，自己写一个也可以，很简单：

https://gitee.com/ckl111/spring-boot-first-version-learn/tree/master/all-demo-in-spring-learning/spring-aop-xml-demo-cycle-reference

不错的参考资料

https://blog.csdn.net/f641385712/article/details/92801300

总结

如果有问题，欢迎指出；欢迎加群讨论；有帮助的话，请点个赞吧，谢谢