前言
本系列全部基於 Spring 5.2.2.BUILD-SNAPSHOT 版本。因為 Spring 整個體系太過於龐大，所以只會進行關鍵部分的源碼解析。
本篇文章主要介紹 Spring IoC 是怎麼解決循環依賴的問題的。
正文
什麼是循環依賴
循環依賴就是循環引用，就是兩個或多個 bean 相互之間的持有對方，比如A引用B，B引用A，像下面偽代碼所示：
public class A {
private B b;
// 省略get和set方法...
}
public class B {
private A a;
// 省略get和set方法...
}
Spring 如何解決循環依賴
Spring IoC 容器對循環依賴的處理有三種情況：
- 構造器循環依賴：此依賴 Spring 無法處理，直接拋出
BeanCurrentlylnCreationException異常。 - 單例作用域下的
setter循環依賴：此依賴 Spring 通過三級緩存來解決。 - 非單例的循環依賴：此依賴 Spring 無法處理，直接拋出
BeanCurrentlylnCreationException異常。
構造器循環依賴
還是假設上面的A和B類是構造器循環依賴，如下所示：
public class A {
private B b;
public A(B b) {
this.b = b;
}
// 省略get和set方法...
}
public class B {
private A a;
public B(A a) {
this.a = a;
}
// 省略get和set方法...
}
然後我們在 XML 中配置了構造器自動注入，如下：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">
<bean id="a" class="com.leisurexi.ioc.circular.reference.A" autowire="constructor" />
<bean id="b" class="com.leisurexi.ioc.circular.reference.B" autowire="constructor" />
</beans>
那麼我們在獲取 A 時，首先會進入 doGetBean() 方法（該方法在Spring IoC bean 的加載中分析過），會進行到如下代碼塊：
protected <T> T doGetBean(final String name, @Nullable final Class<T> requiredType, @Nullable final Object[] args, boolean typeCheckOnly) throws BeansException {
// 省略其它代碼...
// 如果 bean 的作用域是單例
if (mbd.isSingleton()) {
// 創建和註冊單例 bean
sharedInstance = getSingleton(beanName, () -> {
try {
// 創建 bean 實例
return createBean(beanName, mbd, args);
}
catch (BeansException ex) {
destroySingleton(beanName);
throw ex;
}
});
// 獲取bean實例
bean = getObjectForBeanInstance(sharedInstance, name, beanName, mbd);
}
// 省略其它代碼...
}
上面方法中的 getSingleton() 方法會判斷是否是第一次創建該 bean，如果是第一次會先去創建 bean，也就是調用 ObjectFacoty 的 getObject() 方法，即調用 createBean() 方法創建 bean 前，會先將當前正要創建的 bean 記錄在緩存 singletonsCurrentlyInCreation 中。
在創建A時發現依賴 B，便先去創建 B；B在創建時發現依賴A，此時A因為是通過構造函數創建，所以沒創建完，便又去創建A，發現A存在於 singletonsCurrentlyInCreation，即正在創建中，便拋出 BeanCurrentlylnCreationException 異常。
public Object getSingleton(String beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) {
Assert.notNull(beanName, "Bean name must not be null");
// 加鎖
synchronized (this.singletonObjects) {
Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
// 一級緩存中不存在當前 bean，也就是當前 bean 第一次創建
if (singletonObject == null) {
// 如果當前正在銷毀 singletons，拋出異常
if (this.singletonsCurrentlyInDestruction) {
throw new BeanCreationNotAllowedException(beanName, "Singleton bean creation not allowed while singletons of this factory are in destruction (Do not request a bean from a BeanFactory in a destroy method implementation!)");
}
// 創建單例 bean 之前的回調
beforeSingletonCreation(beanName);
boolean newSingleton = false;
boolean recordSuppressedExceptions = (this.suppressedExceptions == null);
if (recordSuppressedExceptions) {
this.suppressedExceptions = new LinkedHashSet<>();
}
try {
// 獲取 bean 實例
singletonObject = singletonFactory.getObject();
newSingleton = true;
}
// 省略異常處理...
finally {
if (recordSuppressedExceptions) {
this.suppressedExceptions = null;
}
// 創建單例 bean 之後的回調
afterSingletonCreation(beanName);
}
if (newSingleton) {
// 將 singletonObject 放入一級緩存，並從二級和三級緩存中移除
addSingleton(beanName, singletonObject);
}
}
// 返回 bean 實例
return singletonObject;
}
}
// 單例 bean 創建前的回調方法，默認實現是將 beanName 加入到當前正在創建 bean 的緩存中，
// 這樣便可以對循環依賴進行檢測
protected void beforeSingletonCreation(String beanName) {
if (!this.inCreationCheckExclusions.contains(beanName) && !this.singletonsCurrentlyInCreation.add(beanName)) {
throw new BeanCurrentlyInCreationException(beanName);
}
}
// 單例 bean 創建后的回調方法，默認實現是將 beanName 從當前正在創建 bean 的緩存中移除
protected void afterSingletonCreation(String beanName) {
if (!this.inCreationCheckExclusions.contains(beanName) && !this.singletonsCurrentlyInCreation.remove(beanName)) {
throw new IllegalStateException("Singleton '" + beanName + "' isn't currently in creation");
}
}
protected void addSingleton(String beanName, Object singletonObject) {
synchronized (this.singletonObjects) {
// 這邊bean已經初始化完成了，放入一級緩存
this.singletonObjects.put(beanName, singletonObject);
// 移除三級緩存
this.singletonFactories.remove(beanName);
// 移除二級緩存
this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
// 將 beanName 添加到已註冊 bean 緩存中
this.registeredSingletons.add(beanName);
}
}
setter循環依賴
還是假設上面的A和B類是 field 屬性依賴注入循環依賴，如下所示：
public class A {
private B b;
// 省略get和set方法...
}
public class B {
private A a;
// 省略get和set方法...
}
然後我們在 XML 中配置了按照類型自動注入，如下：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">
<bean id="a" class="com.leisurexi.ioc.circular.reference.A" autowire="byType" />
<bean id="b" class="com.leisurexi.ioc.circular.reference.B" autowire="byType" />
</beans>
Spring 在解決單例循環依賴時引入了三級緩存，如下所示：
// 一級緩存，存儲已經初始化完成的bean
private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);
// 二級緩存，存儲已經實例化完成的bean
private final Map<String, Object> earlySingletonObjects = new HashMap<>(16);
// 三級緩存，存儲創建bean實例的ObjectFactory
private final Map<String, ObjectFactory<?>> singletonFactories = new HashMap<>(16);
// 按先後順序記錄已經註冊的單例bean
private final Set<String> registeredSingletons = new LinkedHashSet<>(256);
首先在創建A時，會進入到 doCreateBean() 方法（前面的流程可以查看Spring IoC bean 的創建一文），如下：
protected Object doCreateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd, final @Nullable Object[] args) throws BeanCreationException {
// 獲取bean的實例
BeanWrapper instanceWrapper = null;
if (instanceWrapper == null) {
// 通過構造函數反射創建bean的實例，但是屬性並未賦值
instanceWrapper = createBeanInstance(beanName, mbd, args);
}
// 獲取bean的實例
final Object bean = instanceWrapper.getWrappedInstance();
// 省略其它代碼...
// bean的作用域是單例 && 允許循環引用 && 當前bean正在創建中
boolean earlySingletonExposure = (mbd.isSingleton() && this.allowCircularReferences && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName));
// 如果允許bean提前曝光
if (earlySingletonExposure) {
// 將beanName和ObjectFactory形成的key-value對放入singletonFactories緩存中
addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));
}
// 省略其它代碼...
}
在調用 addSingletonFactory() 方法前A的實例已經創建出來了，只是還未進行屬性賦值和初始化階段，接下來將它放入了三級緩存中，如下：
protected void addSingletonFactory(String beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) {
Assert.notNull(singletonFactory, "Singleton factory must not be null");
// 加鎖
synchronized (this.singletonObjects) {
// 如果一級緩存中不包含當前bean
if (!this.singletonObjects.containsKey(beanName)) {
// 將ObjectFactory放入三級緩存
this.singletonFactories.put(beanName, singletonFactory);
// 從二級緩存中移除
this.earlySingletonObjects.remove(beanName);
// 將beanName加入到已經註冊過的單例bean緩存中
this.registeredSingletons.add(beanName);
}
}
}
接下來A進行屬性賦值階段（會在後續文章中單獨分析這個階段），發現依賴B，便去獲取B，發現B還沒有被創建，所以走創建流程；在B進入屬性賦值階段時發現依賴A，就去調用 getBean() 方法獲取A，此時會進入 getSingleton() 方法（該方法的調用流程在Spring IoC bean 的加載一文中分析過），如下：
public Object getSingleton(String beanName) {
// allowEarlyReference設置為true表示允許早期依賴
return getSingleton(beanName, true);
}
protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
// 先從一級緩存中，檢查單例緩存是否存在
Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
// 如果為空，並且當前bean正在創建中，鎖定全局變量進行處理
if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
synchronized (this.singletonObjects) {
// 從二級緩存中獲取
singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
// 二級緩存為空 && bean允許提前曝光
if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
// 從三級緩存中獲取bean對應的ObjectFactory
ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
if (singletonFactory != null) {
// 調用預先設定的getObject()，獲取bean實例
singletonObject = singletonFactory.getObject();
// 放入到二級緩存中，並從三級緩存中刪除
// 這時bean已經實例化完但還未初始化完
// 在該bean未初始化完時如果有別的bean引用該bean，可以直接從二級緩存中取出返回
this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
this.singletonFactories.remove(beanName);
}
}
}
}
return singletonObject;
}
嘗試一級緩存 singletonObjects (肯定沒有，因為A還沒初始化完全)，嘗試二級緩存 earlySingletonObjects（也沒有），嘗試三級緩存 singletonFactories，由於A通過 ObjectFactory 將自己提前曝光了，所以B能夠通過 ObjectFactory.getObject() 拿到A對象（雖然A還沒有初始化完全，但是總比沒有好呀）。B拿到A后順利創建並初始化完成，調用上面分析過的 addSingleton() 方法將自己放入一級緩存中。此時返回A中，A也能順利拿到完全初始化的B進行後續的階段，最後也將自己放入一級緩存中，並從二級和三級緩存中移除。
過程圖如下所示：
非單例循環依賴
對於非單例的 bean，Spring 容器無法完成依賴注入，因為 Spring 容器不進行緩存，因此無法提前暴露一個創建中的 bean。
總結
本文主要介紹了 Spring 對三種循環依賴的處理，其實還有一種字段循環依賴，比如 @Autowired 註解標註的字段，但它和 setter 循環依賴的解決方法一樣，這裏就沒有多說。
最後，我模仿 Spring 寫了一個精簡版，代碼會持續更新。地址：https://github.com/leisurexi/tiny-spring。
參考
- 《Spring 源碼深度解析》—— 郝佳
- https://juejin.im/post/5c98a7b4f265da60ee12e9b2
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