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【Java】阿里二面:小伙子说一下循环依赖吧?Spring又是如何解决循环依赖的?

什么是循环依赖?

顾名思义,循环依赖就是A依赖B,B又依赖A,两者之间的依赖关系形成了一个圆环,通常是由于不正确的编码所导致。Spring只能解决属性循环依赖问题,不能解决构造函数循环依赖问题,因为这个问题无解。

接下来我们首先写一个Demo来演示Spring是如何处理属性循环依赖问题的。

Talk is cheap. Show me the code

第一步:定义一个类ComponentA,其有一个私有属性componentB。

package com.tech.ioc;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;
/**
* @author 君战
* **/
@Component
public class ComponentA {
@Autowired
private ComponentB componentB;
public void say(){
componentB.say();
}
}

第二步:定义一个类ComponentB,其依赖ComponentA。并定义一个say方法便于打印数据。

package com.tech.ioc;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;
/**
* @author 君战
* **/
@Component
public class ComponentB {
@Autowired
private ComponentA componentA;
public void say(){
System.out.println("componentA field " + componentA);
System.out.println(this.getClass().getName() + " -----> say()");
}
}

第三步:重点,编写一个类-SimpleContainer,模仿Spring底层处理循环依赖。如果理解这个代码,再去看Spring处理循环依赖的逻辑就会很简单。

package com.tech.ioc;
import java.beans.Introspector;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
/**
* 演示Spring中循环依赖是如何处理的,只是个简版,真实的Spring依赖处理远比这个复杂。
* 但大体思路都相同。另外这个Demo很多情况都未考虑,例如线程安全问题,仅供参考。
* @author 君战
*
* **/
public class SimpleContainer {
/***
* 用于存放完全初始化好的Bean,Bean处于可状态
* 这个Map定义和Spring中一级缓存命名一致
* */
private Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>();
/***
* 用于存放刚创建出来的Bean,其属性还没有处理,因此存放在该缓存中的Bean还不可用。
* 这个Map定义和Spring中三级缓存命名一致
* */
private final Map<String, Object> singletonFactories = new HashMap<>(16);
public static void main(String[] args) {
SimpleContainer container = new SimpleContainer();
ComponentA componentA = container.getBean(ComponentA.class);
componentA.say();
}
public <T> T getBean(Class<T> beanClass) {
String beanName = this.getBeanName(beanClass);
// 首先根据beanName从缓存中获取Bean实例
Object bean = this.getSingleton(beanName);
if (bean == null) {
// 如果未获取到Bean实例,则创建Bean实例
return createBean(beanClass, beanName);
}
return (T) bean;
}
/***
* 从一级缓存和二级缓存中根据beanName来获取Bean实例,可能为空
* */
private Object getSingleton(String beanName) {
// 首先尝试从一级缓存中获取
Object instance = singletonObjects.get(beanName);
if (instance == null) { // Spring 之所以能解决循环依赖问题,也是靠着这个singletonFactories
instance = singletonFactories.get(beanName);
}
return instance;
}
/***
* 创建指定Class的实例,返回完全状态的Bean(属性可用)
*
* */
private <T> T createBean(Class<T> beanClass, String beanName) {
try {
Constructor<T> constructor = beanClass.getDeclaredConstructor();
T instance = constructor.newInstance();
// 先将刚创建好的实例存放到三级缓存中,如果没有这一步,Spring 也无法解决三级缓存
singletonFactories.put(beanName, instance);
Field[] fields = beanClass.getDeclaredFields();
for (Field field : fields) {
Class<?> fieldType = field.getType();
field.setAccessible(true);
// 精髓是这里又调用了getBean方法,例如正在处理ComponentA.componentB属性,
// 执行到这里时就会去实例化ComponentB。因为在getBean方法首先去查缓存,
// 而一级缓存和三级缓存中没有ComponentB实例数据,所以又会调用到当前方法,
// 而在处理ComponentB.componentA属性时,又去调用getBean方法去缓存中查找,
// 因为在前面我们将ComponentA实例放入到了三级缓存,因此可以找到。
// 所以ComponentB的实例化结束,方法出栈,返回到实例化ComponentA的方法栈中,
// 这时ComponentB已经初始化完成,因此ComponentA.componentB属性赋值成功!
field.set(instance, this.getBean(fieldType));
}
// 最后再将初始化好的Bean设置到一级缓存中。
singletonObjects.put(beanName, instance);
return instance;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
throw new IllegalArgumentException();
}
/**
* 将类名小写作为beanName,Spring底层实现和这个差不多,也是使用javaBeans的
* {@linkplain Introspector#decapitalize(String)}
**/
private String getBeanName(Class<?> clazz) {
String clazzName = clazz.getName();
int index = clazzName.lastIndexOf(".");
String className = clazzName.substring(index);
return Introspector.decapitalize(className);
}
}

如果各位同学已经阅读并理解上面的代码,那么接下来我们就进行真实的Spring处理循环依赖问题源码分析,相信再阅读起来就会很容易。

底层源码分析

分析从AbstractBeanFactory的doGetBean方法着手。可以看到在该方法首先调用transformedBeanName(其实就是处理BeanName问题),和我们自己写的getBeanName方法作用是一样的,但Spring考虑的远比这个复杂,因为有FactoryBean、别名问题。

// AbstractBeanFactory#doGetBean
protected <T> T doGetBean(
String name, @Nullable Class<T> requiredType, @Nullable Object[] args, boolean typeCheckOnly)
throws BeansException {
String beanName = transformedBeanName(name);
Object bean;
// !!!重点是这里,首先从缓存中beanName来获取对应的Bean。
Object sharedInstance = getSingleton(beanName);
if (sharedInstance != null && args == null) {
// 执行到这里说明缓存中存在指定beanName的Bean实例,getObjectForBeanInstance是用来处理获取到的Bean是FactoryBean问题
bean = getObjectForBeanInstance(sharedInstance, name, beanName, null);
else {
try {
// 删除与本次分析无关代码....
// 如果是单例Bean,则通过调用createBean方法进行创建
if (mbd.isSingleton()) {
sharedInstance = getSingleton(beanName, () -> {
try {
return createBean(beanName, mbd, args);
} catch (BeansException ex) {
destroySingleton(beanName);
throw ex;
}
});
}
catch (BeansException ex) {
cleanupAfterBeanCreationFailure(beanName);
throw ex;
}
}
return (T) bean;
}

getSingleton方法存在重载方法,这里调用的是重载的getSingleton方法,注意这里传递的boolean参数值为true,因为该值决定了是否允许曝光早期Bean。

// DefaultSingletonBeanRegistry#getSingleton
public Object getSingleton(String beanName) {
return getSingleton(beanName, true);
}
// DefaultSingletonBeanRegistry#getSingleton
protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
// 首先从一级缓存中获取
Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
// 如果一级缓存中未获取到,再从二级缓存中获取
singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
// 如果未从二级缓存中获取到并且allowEarlyReference值为true(前面传的为true)
if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
synchronized (this.singletonObjects) {
//Double Check
singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
if (singletonObject == null) {
singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
if (singletonObject == null) {
// 最后尝试去三级缓存中获取
ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
if (singletonFactory != null) {
singletonObject = singletonFactory.getObject();
// 保存到二级缓存
this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
// 从三级缓存中移除
this.singletonFactories.remove(beanName);
}
}
}
}
}
}
return singletonObject;
}

ok,看完Spring是如何从缓存中获取Bean实例后,那再看看creatBean方法是如何创建Bean的

protected Object createBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable Object[] args)
throws BeanCreationException {
// 删除与本次分析无关的代码...
try {// createBean方法底层是通过调用doCreateBean来完成Bean创建的。
Object beanInstance = doCreateBean(beanName, mbdToUse, args);
if (logger.isTraceEnabled()) {
logger.trace("Finished creating instance of bean '" + beanName + "'");
}
return beanInstance;
} catch (BeanCreationException | ImplicitlyAppearedSingletonException ex) {
throw ex;
} catch (Throwable ex) {
throw new BeanCreationException(
mbdToUse.getResourceDescription(), beanName, "Unexpected exception during bean creation", ex);
}
}
// AbstractAutowireCapableBeanFactory#doCreateBean
protected Object doCreateBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable Object[] args)
throws BeanCreationException {
BeanWrapper instanceWrapper = null;
if (mbd.isSingleton()) {
instanceWrapper = this.factoryBeanInstanceCache.remove(beanName);
}
if (instanceWrapper == null) {
// 创建Bean实例
instanceWrapper = createBeanInstance(beanName, mbd, args);
}
Object bean = instanceWrapper.getWrappedInstance();
// 如果允许当前Bean早期曝光。只要Bean是单例的并且allowCircularReferences 属性为true(默认为true)
boolean earlySingletonExposure = (mbd.isSingleton() && this.allowCircularReferences &&
isSingletonCurrentlyInCreation(beanName));
if (earlySingletonExposure) {
// 这里调用了addSingletonFactory方法将刚创建好的Bean保存到了三级缓存中。
addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));
}
// 删除与本次分析无关的代码.....
Object exposedObject = bean;
try {// Bean属性填充
populateBean(beanName, mbd, instanceWrapper);
// 初始化Bean,熟知的Aware接口、InitializingBean接口.....都是在这里调用
exposedObject = initializeBean(beanName, exposedObject, mbd);
} catch (Throwable ex) {
}
// 删除与本次分析无关的代码.....
return exposedObject;
}

先分析addSingletonFactory方法,因为在该方法中将Bean保存到了三级缓存中。

protected void addSingletonFactory(String beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) {
Assert.notNull(singletonFactory, "Singleton factory must not be null");
synchronized (this.singletonObjects) {
// 如果一级缓存中不存在指定beanName的key
if (!this.singletonObjects.containsKey(beanName)) {
// 将刚创建好的Bean示例保存到三级缓存中
this.singletonFactories.put(beanName, singletonFactory);
// 从二级缓存中移除。
this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
this.registeredSingletons.add(beanName);
}
}
}

处理Bean的依赖注入是由populateBean方法完成的,但整个执行链路太长了,这里就不展开讲了,只说下IoC容器在处理依赖时是如何一步一步调用到getBean方法的,这样就和我们自己写的处理字段注入的逻辑对上了。

protected void populateBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable BeanWrapper bw) {
// 删除与本次分析无关代码...
PropertyDescriptor[] filteredPds = null;
if (hasInstAwareBpps) {
if (pvs == null) {
pvs = mbd.getPropertyValues();
}
// 遍历所有已注册的BeanPostProcessor接口实现类,如果实现类是InstantiationAwareBeanPostProcessor接口类型的,调用其postProcessProperties方法。
for (BeanPostProcessor bp : getBeanPostProcessors()) {
if (bp instanceof InstantiationAwareBeanPostProcessor) {
InstantiationAwareBeanPostProcessor ibp = (InstantiationAwareBeanPostProcessor) bp;
PropertyValues pvsToUse = ibp.postProcessProperties(pvs, bw.getWrappedInstance(), beanName);
// 删除与本次分析无关代码...
pvs = pvsToUse;
}
}
// 删除与本次分析无关代码...
}
}

在Spring 中,@Autowired注解是由AutowiredAnnotationBeanPostProcessor类处理,而@Resource注解是由CommonAnnotationBeanPostProcessor类处理,这两个类都实现了InstantiationAwareBeanPostProcessor接口,都是在覆写的postProcessProperties方法中完成了依赖注入。这里我们就分析@Autowired注解的处理。

// AutowiredAnnotationBeanPostProcessor#postProcessProperties
public PropertyValues postProcessProperties(PropertyValues pvs, Object bean, String beanName) {
// 根据beanName以及bean的class去查找Bean的依赖元数据-InjectionMetadata
InjectionMetadata metadata = findAutowiringMetadata(beanName, bean.getClass(), pvs);
try {// 调用inject方法
metadata.inject(bean, beanName, pvs);
} catch (BeanCreationException ex) {
throw ex;
} catch (Throwable ex) {
throw new BeanCreationException(beanName, "Injection of autowired dependencies failed", ex);
}
return pvs;
}

在InjectionMetadata的inject方法中,获取当前Bean所有需要处理的依赖元素(InjectedElement),这是一个集合,遍历该集合,调用每一个依赖注入元素的inject方法。

// InjectionMetadata#inject
public void inject(Object target, @Nullable String beanName, @Nullable PropertyValues pvs) throws Throwable {
// 获取当前Bean所有的依赖注入元素(可能是方法,也可能是字段)
Collection<InjectedElement> checkedElements = this.checkedElements;
Collection<InjectedElement> elementsToIterate =
(checkedElements != null ? checkedElements : this.injectedElements);
if (!elementsToIterate.isEmpty()) {
// 如果当前Bean的依赖注入项不为空,遍历该依赖注入元素
for (InjectedElement element : elementsToIterate) {
// 调用每一个依赖注入元素的inject方法。
element.inject(target, beanName, pvs);
}
}
}

在AutowiredAnnotationBeanPostProcessor类中定义了两个内部类-AutowiredFieldElement、AutowiredMethodElement继承自InjectedElement,它们分别对应字段注入和方法注入。

【Java】阿里二面:小伙子说一下循环依赖吧?Spring又是如何解决循环依赖的?

以大家常用的字段注入为例,在AutowiredFieldElement的inject方法中,首先判断当前字段是否已经被处理过,如果已经被处理过直接走缓存,否则调用BeanFactory的resolveDependency方法来处理依赖。

// AutowiredAnnotationBeanPostProcessor.AutowiredFieldElement#inject
protected void inject(Object bean, @Nullable String beanName, @Nullable PropertyValues pvs) throws Throwable {
Field field = (Field) this.member;
Object value;
if (this.cached) {// 如果当前字段已经被处理过,直接从缓存中获取
value = resolvedCachedArgument(beanName, this.cachedFieldValue);
} else {
// 构建依赖描述符
DependencyDescriptor desc = new DependencyDescriptor(field, this.required);
desc.setContainingClass(bean.getClass());
Set<String> autowiredBeanNames = new LinkedHashSet<>(1);
Assert.state(beanFactory != null, "No BeanFactory available");
TypeConverter typeConverter = beanFactory.getTypeConverter();
try {// 调用BeanFactory的resolveDependency来解析依赖
value = beanFactory.resolveDependency(desc, beanName, autowiredBeanNames, typeConverter);
} catch (BeansException ex) {
throw new UnsatisfiedDependencyException(null, beanName, new InjectionPoint(field), ex);
}
// 删除与本次分析无关代码....
}
if (value != null) {
// 通过反射来对属性进行赋值
ReflectionUtils.makeAccessible(field);
field.set(bean, value);
}
}
}

在DefaultListableBeanFactory实现的resolveDependency方法,最终还是调用doResolveDependency方法来完成依赖解析的功能。在Spring源码中,如果存在do什么什么方法,那么该方法才是真正干活的方法。

// DefaultListableBeanFactory#resolveDependency
public Object resolveDependency(DependencyDescriptor descriptor, @Nullable String requestingBeanName,
@Nullable Set<String> autowiredBeanNames, @Nullable TypeConverter typeConverter) throws BeansException {
// .....
// 如果在字段(方法)上添加了@Lazy注解,那么在这里将不会真正的去解析依赖
Object result = getAutowireCandidateResolver().getLazyResolutionProxyIfNecessary(
descriptor, requestingBeanName);
if (result == null) {
// 如果添加@Lazy注解,那么则调用doResolveDependency方法来解析依赖
result = doResolveDependency(descriptor, requestingBeanName, autowiredBeanNames, typeConverter);
}
return result;
}
// DefaultListableBeanFactory#doResolveDependency
public Object doResolveDependency(DependencyDescriptor descriptor, @Nullable String beanName,
@Nullable Set<String> autowiredBeanNames, @Nullable TypeConverter typeConverter) throws BeansException {
//.....
try {
// 根据名称以及类型查找合适的依赖
Map<String, Object> matchingBeans = findAutowireCandidates(beanName, type, descriptor);
if (matchingBeans.isEmpty()) {// 如果未找到相关依赖
if (isRequired(descriptor)) { // 如果该依赖是必须的(@Aautowired的required属性),直接抛出异常
raiseNoMatchingBeanFound(type, descriptor.getResolvableType(), descriptor);
}
return null;
}
String autowiredBeanName;
Object instanceCandidate;
// 如果查找到的依赖多于一个,例如某个接口存在多个实现类,并且多个实现类都注册到IoC容器中。
if (matchingBeans.size() > 1) {// 决定使用哪一个实现类,@Primary等方式都是在这里完成
autowiredBeanName = determineAutowireCandidate(matchingBeans, descriptor);
if (autowiredBeanName == null) {
if (isRequired(descriptor) || !indicatesMultipleBeans(type)) {
return descriptor.resolveNotUnique(descriptor.getResolvableType(), matchingBeans);
} else {
return null;
}
}
instanceCandidate = matchingBeans.get(autowiredBeanName);
} else {
// We have exactly one match.
Map.Entry<String, Object> entry = matchingBeans.entrySet().iterator().next();
autowiredBeanName = entry.getKey();
instanceCandidate = entry.getValue();
}
if (autowiredBeanNames != null) {
autowiredBeanNames.add(autowiredBeanName);
}
// 如果查找到的依赖是某个类的Class(通常如此),而不是实例,
//调用描述符的方法来根据类型resolveCandidate方法来获取该类型的实例。
if (instanceCandidate instanceof Class) {
instanceCandidate = descriptor.resolveCandidate(autowiredBeanName, type, this);
}
//...
}

在依赖描述符的resolveCandidate方法中,是通过调用BeanFactory 的getBean方法来完成所依赖Bean实例的获取。

// DependencyDescriptor#resolveCandidate
public Object resolveCandidate(String beanName, Class<?> requiredType, BeanFactory beanFactory)
throws BeansException {
return beanFactory.getBean(beanName);
}

而在getBean方法实现中,依然是通过调用doGetBean方法来完成。这也和我们自己写的依赖处理基本一致,只不过我们自己写的比较简单,而Spring要考虑和处理的场景复杂,因此代码比较繁杂,但大体思路都是一样的。

// AbstractBeanFactory#getBean
public Object getBean(String name) throws BeansException {
return doGetBean(name, null, null, false);
}

重点是前面我们写的处理循环依赖的Demo,如果理解那个代码,再看Spring的循环依赖处理,就会发现很简单。

总结

循环依赖就是指两个Bean之间存在相互引用关系,例如A依赖B,B又依赖A,但Spring只能解决属性循环依赖,不能解决构造函数循环依赖,这种场景也无法解决。

Spring解决循环依赖的关键就是在处理Bean的属性依赖时,先将Bean存到三级缓存中,当存在循环依赖时,从三级缓存中获取到相关Bean,然后从三级缓存中移除,存入到二级缓存中。
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