图解 Spring 循环依赖,近两年流行的 Java 面试题!

Spring在Bean的实例化过程中,提供了对循环依赖的解决方案,但是这部分代码非常的生涩难懂,那么Spring到底是如何解决的循环依赖呢?此问题是近两年流行起来的一道Java面试题。
其实笔者本人对这类框架源码题还是持一定的怀疑态度的。
如果笔者作为面试官,可能会问一些诸如“如果注入的属性为null,你会从哪几个方向去排查”这些场景题。
那么既然写了这篇文章,闲话少说,发出来看看Spring是如何解决的循环依赖,以及带大家看清循环依赖的本质是什么。

正文

通常来说,如果问Spring内部如何解决循环依赖,一定是默认的单例Bean中,属性互相引用的场景。
比如几个Bean之间的互相引用:
甚至自己“循环”依赖自己:

先说明前提:原型(Prototype)的场景是不支持循环依赖的,通常会走到AbstractBeanFactory类中下面的判断,抛出异常。

if (isPrototypeCurrentlyInCreation(beanName)) {
  throw new BeanCurrentlyInCreationException(beanName);
}
原因很好理解,创建新的A时,发现要注入原型字段B,又创建新的B发现要注入原型字段A…
这就套娃了, 你猜是先StackOverflow还是OutOfMemory?

Spring怕你不好猜,就先抛出了BeanCurrentlyInCreationException

基于构造器的循环依赖,就更不用说了,官方文档都摊牌了,你想让构造器注入支持循环依赖,是不存在的,不如把代码改了。

那么默认单例的属性注入场景,Spring是如何支持循环依赖的?

Spring解决循环依赖

首先,Spring内部维护了三个Map,也就是我们通常说的三级缓存。
笔者翻阅Spring文档倒是没有找到三级缓存的概念,可能也是本土为了方便理解的词汇。
在Spring的DefaultSingletonBeanRegistry类中,你会赫然发现类上方挂着这三个Map:
1)singletonObjects 它是我们最熟悉的朋友,俗称“单例池”“容器”,缓存创建完成单例Bean的地方。
2)singletonFactories 映射创建Bean的原始工厂
3)earlySingletonObjects 映射Bean的早期引用,也就是说在这个Map里的Bean不是完整的,甚至还不能称之为“Bean”,只是一个Instance.
后两个Map其实是“垫脚石”级别的,只是创建Bean的时候,用来借助了一下,创建完成就清掉了。
所以笔者前文对“三级缓存”这个词有些迷惑,可能是因为注释都是以Cache of开头吧。
为什么成为后两个Map为垫脚石,假设最终放在singletonObjects的Bean是你想要的一杯“凉白开”。
那么Spring准备了两个杯子,即
singletonFactoriesearlySingletonObjects来回“倒腾”几番,把热水晾成“凉白开”放到singletonObjects中。闲话不说,都浓缩在图里。
上面的是一张GIF,如果你没看到可能还没加载出来。三秒一帧,不是你电脑卡。
笔者画了17张图简化表述了Spring的主要步骤,GIF上方即是刚才提到的三级缓存,下方展示是主要的几个方法。
当然了,这个地步你肯定要结合Spring源码来看,要不肯定看不懂。Spring源码地址:https://github.com/spring-projects/spring-framework

如果你只是想大概了解,或者面试,可以先记住笔者上文提到的“三级缓存”,以及下文即将要说的本质。

循环依赖的本质

上文了解完Spring如何处理循环依赖之后,让我们跳出“阅读源码”的思维,假设让你实现一个有以下特点的功能,你会怎么做?
1)将指定的一些类实例为单例
2)类中的字段也都实例为单例
3)支持循环依赖
举个例子,假设有类A:
public class A {
    private B b;
}
类B:
public class B {
    private A a;
}
说白了让你模仿Spring:假装A和B是被@Component修饰,并且类中的字段假装是@Autowired修饰的,处理完放到Map中。
其实非常简单,笔者写了一份粗糙的代码,可供参考:
/**
 * 放置创建好的bean Map
 */
private static Map<String, Object> cacheMap = new HashMap<>(2);

public static void main(String[] args) {
    // 假装扫描出来的对象
    Class[] classes = {A.class, B.class};
    // 假装项目初始化实例化所有bean
    for (Class aClass : classes) {
        getBean(aClass);
    }
    // check
    System.out.println(getBean(B.class).getA() == getBean(A.class));
    System.out.println(getBean(A.class).getB() == getBean(B.class));
}

@SneakyThrows
private static <T> T getBean(Class<T> beanClass) {
    // 本文用类名小写 简单代替bean的命名规则
    String beanName = beanClass.getSimpleName().toLowerCase();
    // 如果已经是一个bean,则直接返回
    if (cacheMap.containsKey(beanName)) {
        return (T) cacheMap.get(beanName);
    }
    // 将对象本身实例化
    Object object = beanClass.getDeclaredConstructor().newInstance();
    // 放入缓存
    cacheMap.put(beanName, object);
    // 把所有字段当成需要注入的bean,创建并注入到当前bean中
    Field[] fields = object.getClass().getDeclaredFields();
    for (Field field : fields) {
        field.setAccessible(true);
        // 获取需要注入字段的class
        Class<?> fieldClass = field.getType();
        String fieldBeanName = fieldClass.getSimpleName().toLowerCase();
        // 如果需要注入的bean,已经在缓存Map中,那么把缓存Map中的值注入到该field即可
        // 如果缓存没有 继续创建
        field.set(object, cacheMap.containsKey(fieldBeanName)
                ? cacheMap.get(fieldBeanName) : getBean(fieldClass));
    }
    // 属性填充完成,返回
    return (T) object;
}
这段代码的效果,其实就是处理了循环依赖,并且处理完成后,cacheMap中放的就是完整的“Bean”了。
这就是“循环依赖”的本质,而不是“Spring如何解决循环依赖”。
之所以要举这个例子,是发现一小部分朋友陷入了“阅读源码的泥潭”,而忘记了问题的本质。
为了看源码而看源码,结果一直看不懂,却忘了本质是什么。
如果真看不懂,不如先写出基础版本,逆推Spring为什么要这么实现,可能效果会更好。
what?问题的本质居然是two sum!
看完笔者刚才的代码有没有似曾相识?没错,和two sum的解题是类似的。
不知道two sum是什么梗的,笔者和你介绍一下:
two sum是刷题网站leetcode序号为1的题,也就是大多人的算法入门的第一题。
常常被人调侃,有算法面的公司,被面试官钦定了,合的来。那就来一道two sum走走过场。
问题内容是:给定一个数组,给定一个数字。返回数组中可以相加得到指定数字的两个索引。

比如:给定nums = [2, 7, 11, 15], target = 9

那么要返回 [0, 1],因为2 + 7 = 9

这道题的优解是,一次遍历+HashMap:
class Solution {
    public int[] twoSum(int[] nums, int target) {
        Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            int complement = target - nums[i];
            if (map.containsKey(complement)) {
                return new int[] { map.get(complement), i };
            }
            map.put(nums[i], i);
        }
        throw new IllegalArgumentException("No two sum solution");
    }
}
先去Map中找需要的数字,没有就将当前的数字保存在Map中,如果找到需要的数字,则一起返回。
和笔者上面的代码是不是一样?
先去缓存里找Bean,没有则实例化当前的Bean放到Map,如果有需要依赖当前Bean的,就能从Map取到。

结尾

如果你是上文笔者提到的“陷入阅读源码的泥潭”的读者,上文应该可以帮助到你。
可能还有盆友有疑问,为什么一道“two-sum”,Spring处理的如此复杂?
这个想想Spring支持多少功能就知道了,各种实例方式…各种注入方式…各种Bean的加载,校验…各种callback,aop处理等等…

Spring可不只有依赖注入,同样Java也不仅是Spring。如果我们陷入了某个“牛角尖”,不妨跳出来看看,可能会更加清晰哦。

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