Spring框架系列(8) - Spring IOC实现原理详解之Bean实例化(生命周期,循环依赖等)

上文，我们看了IOC设计要点和设计结构；以及Spring如何实现将资源配置（以xml配置为例）通过加载，解析，生成BeanDefination并注册到IoC容器中的；容器中存放的是Bean的定义即BeanDefinition放到beanDefinitionMap中，本质上是一个ConcurrentHashMap；并且BeanDefinition接口中包含了这个类的Class信息以及是否是单例等。那么如何从BeanDefinition中实例化Bean对象呢，这是本文主要研究的内容？@pdai

• Spring框架系列(8) - Spring IOC实现原理详解之Bean实例化(生命周期,循环依赖等)

  • 引入

  • BeanFactory中getBean的主体思路

    • 初步的思考
    • Spring中getBean的主体思路

  • 重点：Spring如何解决循环依赖问题

    • Spring单例模式下的属性依赖

    • Spring为何不能解决非单例属性之外的循环依赖？

      • Spring为什么不能解决构造器的循环依赖？
      • Spring为什么不能解决prototype作用域循环依赖？
      • Spring为什么不能解决多例的循环依赖？
    • 那么其它循环依赖如何解决？

  • 重点：Spring中Bean的生命周期

    • Spring Bean生命周期流程
    • Spring Bean生命周期案例
  • 参考文章
  • 更多文章

引入

上文，我们看了IOC设计要点和设计结构；以及Spring如何实现将资源配置（以xml配置为例）通过加载，解析，生成BeanDefination并注册到IoC容器中的；容器中存放的是Bean的定义即BeanDefinition放到beanDefinitionMap中，本质上是一个ConcurrentHashMap；并且BeanDefinition接口中包含了这个类的Class信息以及是否是单例等。那么如何从BeanDefinition中实例化Bean对象呢？

本文主要研究如何从IOC容器已有的BeanDefinition信息，实例化出Bean对象；这里还会包括三块重点内容：

• BeanFactory中getBean的主体思路
• Spring如何解决循环依赖问题
• Spring中Bean的生命周期

BeanFactory中getBean的主体思路

上文中我们知道BeanFactory定义了Bean容器的规范，其中包含根据bean的名字, Class类型和参数等来得到bean实例。

// 根据bean的名字和Class类型等来得到bean实例    
Object getBean(String name) throws BeansException;    
Object getBean(String name, Class requiredType) throws BeansException;    
Object getBean(String name, Object... args) throws BeansException;
 T getBean(Class requiredType) throws BeansException;
 T getBean(Class requiredType, Object... args) throws BeansException;

初步的思考

上文我们已经分析了IoC初始化的流程，最终的将Bean的定义即BeanDefinition放到beanDefinitionMap中，本质上是一个ConcurrentHashMap；并且BeanDefinition接口中包含了这个类的Class信息以及是否是单例等；

这样我们初步有了实现Object getBean(String name)这个方法的思路：

• 从beanDefinitionMap通过beanName获得BeanDefinition
• 从BeanDefinition中获得beanClassName

• 通过反射初始化beanClassName的实例instance

  • 构造函数从BeanDefinition的getConstructorArgumentValues()方法获取
  • 属性值从BeanDefinition的getPropertyValues()方法获取
• 返回beanName的实例instance

由于BeanDefinition还有单例的信息，如果是无参构造函数的实例还可以放在一个缓存中，这样下次获取这个单例的实例时只需要从缓存中获取，如果获取不到再通过上述步骤获取。

（PS：如上只是我们初步的思路，而Spring还需要考虑各种设计上的问题，比如beanDefinition中其它定义，循环依赖等；所以我们来看下Spring是如何是如何实现的）

Spring中getBean的主体思路

BeanFactory实现getBean方法在AbstractBeanFactory中，这个方法重载都是调用doGetBean方法进行实现的：

public Object getBean(String name) throws BeansException {
  return doGetBean(name, null, null, false);
}
public  T getBean(String name, Class requiredType) throws BeansException {
  return doGetBean(name, requiredType, null, false);
}
public Object getBean(String name, Object... args) throws BeansException {
  return doGetBean(name, null, args, false);
}
public  T getBean(String name, @Nullable Class requiredType, @Nullable Object... args)
    throws BeansException {
  return doGetBean(name, requiredType, args, false);
}

我们来看下doGetBean方法(这个方法很长，我们主要看它的整体思路和设计要点）：

// 参数typeCheckOnly：bean实例是否包含一个类型检查
protected  T doGetBean(
            String name, @Nullable Class requiredType, @Nullable Object[] args, boolean typeCheckOnly)
            throws BeansException {

  // 解析bean的真正name，如果bean是工厂类，name前缀会加&，需要去掉
  String beanName = transformedBeanName(name);
  Object beanInstance;

  // Eagerly check singleton cache for manually registered singletons.
  Object sharedInstance = getSingleton(beanName);
  if (sharedInstance != null && args == null) {
    // 无参单例从缓存中获取
    beanInstance = getObjectForBeanInstance(sharedInstance, name, beanName, null);
  }

  else {
    // 如果bean实例还在创建中，则直接抛出异常
    if (isPrototypeCurrentlyInCreation(beanName)) {
      throw new BeanCurrentlyInCreationException(beanName);
    }

    // 如果 bean definition 存在于父的bean工厂中，委派给父Bean工厂获取
    BeanFactory parentBeanFactory = getParentBeanFactory();
    if (parentBeanFactory != null && !containsBeanDefinition(beanName)) {
      // Not found -> check parent.
      String nameToLookup = originalBeanName(name);
      if (parentBeanFactory instanceof AbstractBeanFactory) {
        return ((AbstractBeanFactory) parentBeanFactory).doGetBean(
            nameToLookup, requiredType, args, typeCheckOnly);
      }
      else if (args != null) {
        // Delegation to parent with explicit args.
        return (T) parentBeanFactory.getBean(nameToLookup, args);
      }
      else if (requiredType != null) {
        // No args -> delegate to standard getBean method.
        return parentBeanFactory.getBean(nameToLookup, requiredType);
      }
      else {
        return (T) parentBeanFactory.getBean(nameToLookup);
      }
    }

    if (!typeCheckOnly) {
      // 将当前bean实例放入alreadyCreated集合里，标识这个bean准备创建了
      markBeanAsCreated(beanName);
    }

    StartupStep beanCreation = this.applicationStartup.start("spring.beans.instantiate")
        .tag("beanName", name);
    try {
      if (requiredType != null) {
        beanCreation.tag("beanType", requiredType::toString);
      }
      RootBeanDefinition mbd = getMergedLocalBeanDefinition(beanName);
      checkMergedBeanDefinition(mbd, beanName, args);

      // 确保它的依赖也被初始化了.
      String[] dependsOn = mbd.getDependsOn();
      if (dependsOn != null) {
        for (String dep : dependsOn) {
          if (isDependent(beanName, dep)) {
            throw new BeanCreationException(mbd.getResourceDescription(), beanName,
                "Circular depends-on relationship between '" + beanName + "' and '" + dep + "'");
          }
          registerDependentBean(dep, beanName);
          try {
            getBean(dep); // 初始化它依赖的Bean
          }
          catch (NoSuchBeanDefinitionException ex) {
            throw new BeanCreationException(mbd.getResourceDescription(), beanName,
                "'" + beanName + "' depends on missing bean '" + dep + "'", ex);
          }
        }
      }

      // 创建Bean实例：单例
      if (mbd.isSingleton()) {
        sharedInstance = getSingleton(beanName, () -> {
          try {
            // 真正创建bean的方法
            return createBean(beanName, mbd, args);
          }
          catch (BeansException ex) {
            // Explicitly remove instance from singleton cache: It might have been put there
            // eagerly by the creation process, to allow for circular reference resolution.
            // Also remove any beans that received a temporary reference to the bean.
            destroySingleton(beanName);
            throw ex;
          }
        });
        beanInstance = getObjectForBeanInstance(sharedInstance, name, beanName, mbd);
      }
      // 创建Bean实例：原型
      else if (mbd.isPrototype()) {
        // It's a prototype -> create a new instance.
        Object prototypeInstance = null;
        try {
          beforePrototypeCreation(beanName);
          prototypeInstance = createBean(beanName, mbd, args);
        }
        finally {
          afterPrototypeCreation(beanName);
        }
        beanInstance = getObjectForBeanInstance(prototypeInstance, name, beanName, mbd);
      }
      // 创建Bean实例：根据bean的scope创建
      else {
        String scopeName = mbd.getScope();
        if (!StringUtils.hasLength(scopeName)) {
          throw new IllegalStateException("No scope name defined for bean ´" + beanName + "'");
        }
        Scope scope = this.scopes.get(scopeName);
        if (scope == null) {
          throw new IllegalStateException("No Scope registered for scope name '" + scopeName + "'");
        }
        try {
          Object scopedInstance = scope.get(beanName, () -> {
            beforePrototypeCreation(beanName);
            try {
              return createBean(beanName, mbd, args);
            }
            finally {
              afterPrototypeCreation(beanName);
            }
          });
          beanInstance = getObjectForBeanInstance(scopedInstance, name, beanName, mbd);
        }
        catch (IllegalStateException ex) {
          throw new ScopeNotActiveException(beanName, scopeName, ex);
        }
      }
    }
    catch (BeansException ex) {
      beanCreation.tag("exception", ex.getClass().toString());
      beanCreation.tag("message", String.valueOf(ex.getMessage()));
      cleanupAfterBeanCreationFailure(beanName);
      throw ex;
    }
    finally {
      beanCreation.end();
    }
  }

  return adaptBeanInstance(name, beanInstance, requiredType);
}

这段代码很长，主要看我加中文注释的方法即可。

• 解析bean的真正name，如果bean是工厂类，name前缀会加&，需要去掉
• 无参单例先从缓存中尝试获取
• 如果bean实例还在创建中，则直接抛出异常
• 如果bean definition 存在于父的bean工厂中，委派给父Bean工厂获取
• 标记这个beanName的实例正在创建
• 确保它的依赖也被初始化

• 真正创建

  • 单例时
  • 原型时
  • 根据bean的scope创建

重点：Spring如何解决循环依赖问题

首先我们需要说明，Spring只是解决了单例模式下属性依赖的循环问题；Spring为了解决单例的循环依赖问题，使用了三级缓存。

Spring单例模式下的属性依赖

先来看下这三级缓存

/** Cache of singleton objects: bean name --> bean instance */
private final Map singletonObjects = new ConcurrentHashMap(256);
 
/** Cache of early singleton objects: bean name --> bean instance */
private final Map earlySingletonObjects = new HashMap(16);

/** Cache of singleton factories: bean name --> ObjectFactory */
private final Map> singletonFactories = new HashMap>(16);

• 第一层缓存（singletonObjects）：单例对象缓存池，已经实例化并且属性赋值，这里的对象是成熟对象；
• 第二层缓存（earlySingletonObjects）：单例对象缓存池，已经实例化但尚未属性赋值，这里的对象是半成品对象；
• 第三层缓存（singletonFactories）: 单例工厂的缓存

如下是获取单例中

protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
  // Spring首先从singletonObjects（一级缓存）中尝试获取
  Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
  // 若是获取不到而且对象在建立中，则尝试从earlySingletonObjects(二级缓存)中获取
  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) {
            //若是仍是获取不到而且容许从singletonFactories经过getObject获取，则经过singletonFactory.getObject()(三级缓存)获取
              singletonObject = singletonFactory.getObject();
              //若是获取到了则将singletonObject放入到earlySingletonObjects,也就是将三级缓存提高到二级缓存中
              this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
              this.singletonFactories.remove(beanName);
          }
        }
    }
  }
  return (singletonObject != NULL_OBJECT ? singletonObject : null);
}

补充一些方法和参数

• isSingletonCurrentlyInCreation()：判断当前单例bean是否正在建立中，也就是没有初始化完成(好比A的构造器依赖了B对象因此得先去建立B对象， 或则在A的populateBean过程当中依赖了B对象，得先去建立B对象，这时的A就是处于建立中的状态。)
• allowEarlyReference ：是否容许从singletonFactories中经过getObject拿到对象

分析getSingleton()的整个过程，Spring首先从一级缓存singletonObjects中获取。若是获取不到，而且对象正在建立中，就再从二级缓存earlySingletonObjects中获取。若是仍是获取不到且容许singletonFactories经过getObject()获取，就从三级缓存singletonFactory.getObject()(三级缓存)获取，若是获取到了则从三级缓存移动到了二级缓存。

从上面三级缓存的分析，咱们能够知道，Spring解决循环依赖的诀窍就在于singletonFactories这个三级cache。这个cache的类型是ObjectFactory，定义以下：

public interface ObjectFactory {
    T getObject() throws BeansException;
}

在bean建立过程当中，有两处比较重要的匿名内部类实现了该接口。一处是Spring利用其建立bean的时候，另外一处就是:

addSingletonFactory(beanName, new ObjectFactory