spring探秘之循环依赖的解决（一）：理论基石

1. 什么是循环依赖？

spring 在依赖注入时，可能会出现相互注入的情况：

@Service
public class Service1 {
    @Autowired
    private Service2 service2;
 
}
 
@Service
public class Service2 {
    @Autowired
    private Service1 service1;
 
}
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如以上代码，在Service1 中通过@Autowird注入了Service2，在Service2 中通过@Autowird注入了Service1，这种相互注入的情况，就叫做循环依赖。

2. 循环依赖会有什么问题

实际上，这种A持有B对象，B也持有A对象的情况，java代码是完全支持的：

/**
 * 准备service1
 */
public class Service1 {
    private Service2 service2;
 
    public void setService2(Service2 service2) {
        this.service2 = service2;
    }
 
    public Service2 getService2() {
        return this.service2;
    }
}
 
/**
 * 准备service2
 */
public class Service2 {
    private Service1 service1;
 
    public void setService1(Service1 service1) {
        this.service1 = service1;
    }
 
    public Service1 getService1() {
        return this.service1;
    }
}
 
/**
 * 主方法中调用
 */
public class Main {
    public void main(String[] args) {
        // 准备两个对象
        Service1 service1 = new Service1();
        Service2 service2 = new Service2();
        // 相互设置
        service1.setService2(service2);
        service2.setService1(service1);
    }
}
复制代码

那么，在spring中，两个类相互注入对方实例的情况，会有什么问题呢？我们来看spring bean的创建过程（注意：这里我们仅分析bean的scope为singleton的情况，也就是scope为单例的情况）：

这个过程中有几点需要说明下：

1. 创建对象：这个其实就是使用jdk提供的反射机制创建java对象，以第1节提到的Service1为例，可简单理解为Service1 service = new Service1()；
2. 注入依赖对象：还是以第1节提到的Service1为例，Service1中通过@Autowired自动注入Service2，这一步就是给Service2赋值的过程，可简单理解为service1.setService2(service2)；
3. singletonObjects：经过上面两步后，一个java对象就变成了一个spring bean，然后保存到singletonObjects了，这是个map，key是bean的名称，value是bean，它只保存spring bean，不会只在java实例。

实际上，java对象变成spring bean，不仅仅只是依赖注入，还有初始化、执行beanPorcessor方法等，由于本文是分析spring bean的循环依赖的，因此我们重点关注与循环依赖相关的步骤。

2.1 循环依赖产生的问题

了解了spring bean的产生过程之后，接下来我们就来分析下循环依赖产生的问题，在正式分析前，我们先来明确两个概念：

• java对象：实际上，java中一切对象都可以称之为java对象，为了说明方便，以下提到的java对象仅指实例化完成、但未进行spring bean的生命周期对象；
• spring bean：是一个java对象，并且进行了完整的spring bean的生命周期对象；

spring bean的创建过程如下：

对上图说明如下：

1. 在service1对象创建完成后，spring发现service1需要注入service2，然后就去singletonObjects中查找service2，此时是找不到service2，然后就开始了service2的创建过程；
2. 在service2对象创建完成后，spring发现service2需要注入service1，然后就去singletonObjects中查找service1，此时是找不到service1，因为第一步中service1并没有创建成功 ，然后就开始了service1的创建过程；
3. 流程跳回到1，再次开始了service1的创建、属性注入过程。

到这里，我们惊喜地发现，循环出现了！

2.2 引入earlySingletonObjects解决循环依赖

我们分析下，循环出现的原因在于，在service2获取service1时，由于singletonObjects中此时并不存在service1，因此会再走service1的创建过程，重新创建service1，因此，我们有个大胆的想法：如果在service1实例化后就把它保存起来，后面再再找service1时，就返回这个未进行依赖注入的service1，像下面这样：

上图中，引入了earlySingletonObjects，这也是个map，同singletonObjects一样，key是bean的名称，value 是一个未完成依赖注入的对象。

对上图说明如下：

1. 在service1对象创建完成后，先将service1放入earlySingletonObjects，然后进行依赖注入；
2. 对service1进行依赖注入时，spring发现service1需要注入service2，然后先去earlySingletonObjects查找service2，未找到；再去singletonObjects中查找service2，还是未找到，于是就开始了service2的创建过程；
3. 在service2对象创建完成后，先将service2放入earlySingletonObjects，然后进行依赖注入；
4. 对service2进行依赖注入时，spring发现service2需要注入service1，然后就去earlySingletonObjects查找service1，找到了，就将service1注入到service2中，此时service2就是一个spring bean了，将其保存到singletonObjects中；
5. 经过第4步后，我们得到了service2，然后将其注入到service1中，此时service1也成了一个spring bean，将其保存到singletonObjects中。

经过以上步骤，我们发现，循环依赖得到了解决。

2.2 aop下的循环依赖

经过上面的分析，我们发现只要额外引入一个earlySingletonObjects后，循环依赖就能得到解决。但是，循环依赖真的得到了解决吗？spring除了ioc外，还有另一个重大功能：aop，我们来看看aop情况下出现循环依赖会怎样。

1. aop对象的创建过程

在正式介绍aop下的循环依赖前，我们先来明确两个个概念：

• 原始对象：区别于代理对象，指未进行过aop的对象，可以是java对象，也可以是未进行aop的spring bean；
• 代理对象：进行过aop的对象，可以是java对象仅进行过aop得到的对象(仅进行过aop，未进行依赖注入，也未进行初始化)，也可以是进行过aop的spring bean.

我们先来看看aop是如何创建对象的：

相比于2.1中的流程，aop多了"生成代理对象"的操作，并且最终保存到singletonObjects中的对象也是代理对象。

原始对象与代理对象之间是什么关系呢？用代码示意下，大致如下：

public class ProxyObj extends Obj {
 
    // 原始对象
    private Obj obj;
 
    ...
}
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实际上，两者之间的关系并没有这么简单，但为了说明问题，这里对两者关系做了简化，小伙伴们只需要明白，代理对象持有原始对象的引用即可。

关于原始对象如何变成代理对象的，可以参考spring aop 之 AnnotationAwareAspectJAutoProxyCreator 分析（下）。

对以上创建过程，用java代码模拟如下：

/**
 * 准备一个类
 */
public class Obj1 {
 
}
 
/**
 * 准备一个类，内部有一个属性 Obj1
 */
public class Obj2 {
 
    private Obj1 obj1;
 
    // 省略其他方法
    ...
 
}
 
/**
 * 准备Obj2的代理类，内部持有obj2的对象
 */
public class ProxyObj2 extends Obj2 {
 
    private Obj2 obj2;
 
    public ProxyObj2(Obj2 obj2) {
        this.obj2 = obj2;
    }
 
    // 省略其他方法
    ...
 
}
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接着，就是模拟“创建-->属性注入-->生成代理对象-->保存到容器中”的 流程了：

public static main(String[] args) {
     // 准备一个容器，这里保存的是完成上述生命周期的对象
     // 1. 如果元素是原始对象，则该对象已经完成了属性注入 
     // 2. 如果元素是代理对象，则该对象持有的原有对象已经完成了属性注入 
     Collection<?> collection = new ArrayList();
 
     // 开始 Obj2 的创建流程
     // 1. 创建 Obj2 对象
     Obj2 obj2 = new Obj2();
 
     // 2. 往 Obj2 中注入 obj1，但此时并没有obj1，因此先要创建obj1，再将其注入到Obj2中
     Obj1 obj1 = new Obj1();
     obj2.setObj1(obj1);
 
     // 3. 生成Obj2的代理对象，代理对象中持有 Obj2的原始对象
     ProxyObj2 proxyObj2 = new ProxyObj2(obj2);
 
     // 4. proxyObj2已经走完了完整的生命周期，因此将代理对象添加到容器时
     collection.add(proxyObj2); 
 
}
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上述代码中，

• 以new Obj2()模拟对象的创建
• 以obj2.setObj1(xxx)模拟依赖注入
• 以new ProxyObj2(xxx)模拟代理对象的生成
• 以collection.add(xxx)模拟对象添加到容器中的过程

模拟的流程如下：

1. 创建obj2对象
2. 往 Obj2 中注入 obj1，但此时并没有obj1，因此先要创建obj1，再将其注入到Obj2中
3. 生成Obj2的代理对象proxyObj2，proxyObj2中持有 Obj2的原始对象
4. proxyObj2已经走完了完整的生命周期，因此将代理对象添加到容器时

仔细分析上面的步骤，就会发现，上面的第2步与第3步完全调换顺序也没问题，代码模拟如下：

public static main(String[] args) {
     // 准备一个容器，这里保存的是完成上述生命周期的对象
     // 1. 如果元素是原始对象，则该对象已经完成了属性注入 
     // 2. 如果元素是代理对象，则该对象持有的原有对象已经完成了属性注入 
     Collection<?> collection = new ArrayList();
 
     // 开始 Obj2 的创建流程
     // 1. 创建 Obj2 对象
     Obj2 obj2 = new Obj2();
 
     // 2. 生成Obj2的代理对象，代理对象中持有 Obj2的原始对象
     ProxyObj2 proxyObj2 = new ProxyObj2(obj2);
 
     // 3. 往 obj2 中注入 obj1，但此时并没有obj1，因此先要创建obj1，再将其注入到Obj2中
     Obj1 obj1 = new Obj1();
     // 这里是注入到原始对象中
     obj2.setObj1(obj1);
 
     // 4. proxyObj2已经走完了完整的生命周期，因此将代理对象添加到容器时
     collection.add(proxyObj2); 
 
}
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上述代码的流程如下：

1. 创建obj2对象
2. 生成Obj2的代理对象，代理对象中持有 Obj2的原始对象
3. 往 Obj2 中注入 obj1，但此时并没有obj1，因此先要创建obj1，再将其注入到Obj2
4. proxyObj2已经走完了完整的生命周期，因此将代理对象添加到容器时

从代码上看，proxyObj2(代理对象)中持有ob2(原始对象)，生成代理对象后，继续对原始对象进行属性注入，依然能影响代理对象，最终代理对象持有的原始对象也完成了依赖注入，整个过程用图形示意如下：

这里我们再次申明，从java对象到spring bean的步骤有好多，这里我们仅关注与循环依赖相关的步骤，如果想了解spring bean详细的初始化过程，可查看 spring启动流程之启动流程概览。

到这里，我们探索到代理对象的生命周期可以有两种：

• 创建-->属性注入-->生成代理对象-->将代理对象保存到容器中
• 创建(原始对象)-->生成代理对象(提前进行aop)-->对原始对象进行属性注入-->将代理对象保存到容器中

这两种都能达到最终目的，即保存到容器中的是代理对象，且代理对象对应的原始对象完成了依赖注入。请牢记这两个创建流程，这是后面解决aop下循环依赖问题的核心，说白了，aop下的循环依赖问题之所以能解决，就是因为对象可以提前进行aop操作。

2. 为什么用earlySingletonObjects无法解决循环依赖？

前面我们主要说明了代理对象的创建过程，接下来我们来看看在aop下，使用earlySingletonObjects来解决循环依赖有什么问题：

我们来分析上图的流程：

1. 在service1对象创建完成后，先将service1放入earlySingletonObjects，然后进行依赖注入；
2. 对service1进行依赖注入时，spring发现service1需要注入service2，然后先去earlySingletonObjects查找service2，未找到；再去singletonObjects中查找service2，还是未找到，于是就开始了service2的创建过程；
3. 在service2对象创建完成后，先将service2放入earlySingletonObjects，然后进行依赖注入；
4. 对service2进行依赖注入时，spring发现service2需要注入service1，然后就去earlySingletonObjects查找service1，找到了，就将service1注入到service2中，然后再进行aop，此时service2是一个代理对象，将其保存到singletonObjects中；
5. 经过第4步后，我们得到了service2的代理对象，然后将其注入到service1中，接着再对service1进行aop，此时service1也成了一个spring bean，将其保存到singletonObjects中。

上述步骤有什么问题呢？仔细看第4步，就会发现，注入到service2的service1并不是代理对象！纵观全局，最终得到的service1与service2都是代理对象，注入到service2的service1应该也是代理对象才对。因此，在aop下，循环依赖的问题又出现了！

2.3 spring 的解决方案

前面我们提到，在aop下，引入earlySingletonObjects并不能解决循环依赖的问题，那spring是怎么解决的呢？spring再次引入了一个map来解决这个问题，这也是人们常说的spring三级缓存，对这三个map说明如下：

• 一级缓存singletonObjects：类型为ConcurrentHashMap，位于DefaultSingletonBeanRegistry类中，key为beanName，value是完整的spring bean，即完成属性注入、初始化的bean，如果bean需要aop，存储的就是代理对象；
• 二级缓存earlySingletonObjects：类型为HashMap，位于DefaultSingletonBeanRegistry类中，key为beanName，value是实例化完成，但未进行依赖注入的bean，如果bean需要aop，这里存储的就是代理对象，只不过代理对象所持有的原始对象并未进行依赖注入；
• 三级缓存singletonFactories：类型为HashMap，位于DefaultSingletonBeanRegistry类中，key为beanName，value存储的是一个lambda表达式：() -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean)， getEarlyBeanReference中的bean是刚创建完成的java bean，没有进行spring依赖注入，也没进行aop(关于这个lambda表达式，后面会继续分析)。

为了说明方便，下面对singletonObjects、earlySingletonObjects和singletonFactories分别称为一级缓存、二级缓存和三级缓存。

spring解决aop下的循环依赖流程如下：

这个图看着比较复杂，其实分开来看就比较简单了，上述操作中，1~8是获取service1的流程，5.1~5.8是获取service2的流程，5.5.1是再次获取service1的流程，只不过在处理service1的初始化过程中，会触发service2的初始化过程，而service2的初始化时，又会依赖到service1，因此才看着像是连在一起，比较复杂。

对上图的过程，这里说明如下（建议：如果觉得流程比较复杂，可以先看1~8的操作，再看5.1~5.8的操作，最后两者联合起来看，这样会清晰很多）：

• 1. service1：获取service1，从一级缓存中获取，此时是获取不到的；
• 1. service1：创建service1的实例；
• 1. service1：获取需要注入的属性与方法（在原始对象上进行获取）；
• 1. service1：如果开启了支持循环依赖的配置，就将service1放到三级缓存中（是否支持循环依赖，是可以配置的）；
• 1. service1：对service1进行依赖注入，需要service2，然后就开始了service2的获取流程；
• 5.1 service2：获取service2，从一级缓存中获取，此时是获取不到的；
• 5.2 service2：创建service2的实例；
• 5.3 service2：获取需要注入的属性与方法（在原始对象上进行获取）；
• 5.4 service2：如果开启了支持循环依赖的配置，就将service2放到三级缓存中（是否支持循环依赖，是可以配置的）；
• 5.5 service2：对service2进行依赖注入，需要service1，然后就开始了service1的获取流程；
• 5.5.1 service1: 获取service1，从一级缓存中获取，获取不到；此时发现service1正在创建中，于是继续从二、三级缓存中获取，最终从三级缓存中获取到了，将其放入二级缓存。从三级缓存获取的过程中，会判断service1是否需要进行aop，然后开始aop操作，因此放入二级缓存中的是service1代理代理，提前进行aop是解决循环依赖的关键；
• 5.6 service2：得到了service1后（这里的service1是代理对象），将其注入到service2中，接着对service2进行aop，得到service2的代理对象；
• 5.7 service2：如果支持循环依赖，先从一、二级缓存中再次获取service2，都未获取到，就使用当前service2（当前service2是代理对象)；
• 5.8 service2：将service2的代理对象放入一级缓存中，删除二、三级缓存，至此，service2初始化完成，注入的service1是代理对象，一级缓存中的service2也是代理对象；
• 1. service1：回到service1的生命周期，拿到service2（这里的service2是代理对象）后，将其注入到service1，service1的依赖注入完成，进行初始化，这里会判断service1是否需要进行aop，虽然service1是需要进行aop的，但由于在5.5.1已经进行过aop了，因此，这里直接返回（到这一步，service1还是原始对象）；
• 1. service1：如果支持循环依赖，先从一级缓存中获取service1，获取不到；再从二缓存中获取service1，可以获取到（从5.5.1可知，二级缓存里是service1代理对象），返回；
• 1. service1：将二级缓存中获取的对象注册到一级缓存中，删除二、三级缓存，至此，service1初始化完成，注入的service2是代理对象，一级缓存中的service1也是代理对象。

以上流程，虽然步骤较多，但service1与service2的获取步骤是相同的，只要弄清了其中之一的获取流程，另一个bean的获取流程就很雷同了。

在上述流程中，还有两个数据结构需要说明下：

• singletonsCurrentlyInCreation：类型为SetFromMap，位于DefaultSingletonBeanRegistry，创建方式为 Collections.newSetFromMap(new ConcurrentHashMap<>(16))，表明这是个由ConcurrentHashMap实现的set，存储的是正在创建中的对象，判断当前对象是否在创建中就是通过查找当前对象是否在这个set中做到的；
• earlyProxyReferences：类型为ConcurrentHashMap，位于AbstractAutoProxyCreator，存储的是提前进行aop的对象，如果一个对象提前进行了aop，在后面再次aop时，会通过判断对象是否在earlyProxyReferences中而确定要不要进行aop，以此来保证每个对象只进行一次aop。

至此，spring一共提供了5个数据结构来辅助解决循环依赖问题，总结如下：

以上就是spring 解决循环依赖的完整流程了。

3. 代码模拟

在正式分析源码前，我们首先模拟循环下依赖解决的过程，代码如下：

/**
 * 准备一个类，内部有一个属性 Obj2
 */
public class Obj1 {
    // 需要注入 obj2
    private Obj2 obj2;
 
    // 省略其他方法
    ...
}
 
/**
 * 准备一个类，内部有一个属性 Obj1
 */
public class Obj2 {
    // 需要注入 ob1
    private Obj1 obj1;
 
    // 省略其他方法
    ...
 
}
 
/**
 * 准备Obj2的代理类，内部持有obj2的对象
 */
public class ProxyObj2 extends Obj2 {
    // obj2代理类内部持有obj2的原始对象
    private Obj2 obj2;
 
    public ProxyObj2(Obj2 obj2) {
        this.obj2 = obj2;
    }
 
    // 省略其他方法
    ...
 
}
 
/**
 * 准备Obj1的代理类，内部持有obj1的对象
 */
public class ProxyObj1 extends Obj1 {
    // obj2代理类内部持有obj1的原始对象
    private Obj1 obj1;
 
    public ProxyObj1(Obj1 obj1) {
        this.obj1 = obj1;
    }
 
    // 省略其他方法
    ...
 
}
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• 首先准备了两个类：Obj1 与 Obj2， 其中Obj1有个属性为Obj2，Obj2中有个属性为Obj1；
• 接着准备了Obj1 与 Obj2的代理类ProxyObj1、ProxyObj2，并且ProxyObj1、ProxyObj2分别有一个属性：Obj1 、 Obj2；
• 我们依旧以new ObjX()模拟对象的创建；
• 我们依旧以objX.setObjX(xxx)模拟依赖注入；
• 我们依旧以new ProxyObjX(xxx)模拟代理对象的生成；
• 我们依旧以collection.add(xxx)模拟对象添加到容器中的过程；

我们模拟最终得到的结果为：

• 最终放入容器的对象分别是proxyObj1，proxyObj2
• 注入到obj1中的是proxyObj2，注入到obj2中的是proxyObj2

准备工作已经完成了，接下来我们就开始进行模拟了。

3.1 模拟1

要求：

• Obj1与Obj2必须严格按照“创建-->属性注入-->生成代理对象-->保存到容器中”的流程创建
• 两个对象的创建流程可以交替进行

目标：

• 最终放入容器的对象分别是proxyObj1，proxyObj2
• 注入到obj1中的是proxyObj2，注入到obj2中的是proxyObj2

代码如下：

public static main(String[] args) {
     // 准备一个容器，这里保存的是完成上述生命周期的对象
     // 1. 如果元素是原始对象，则该对象已经完成了属性注入 
     // 2. 如果元素是代理对象，则该对象持有的原有对象已经完成了属性注入 
     Collection<?> collection = new ArrayList();
 
     // 1. 创建 Obj1 对象
     Obj1 obj1 = new Obj1();
 
     // 接下来需要将obj2的代理对象注入到obj1中，但此时容器中并没有obj2的代理对象，于是切换到obj2的创建流程
     // 一. 创建 Obj2 对象
     Obj2 obj2 = new Obj2();
 
     // 到这里，obj2需要注入obj1的代理对象，但此时容器中并没有obj2的代理对象，于是又要切到obj1的创建流程
 
}
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在执行以上流程中 ，发现创建 Obj2 对象后，流程就进行不下去了：

• obj1需要注入obj2的代理对象，但找不到，于是切换到obj2的创建流程；
• obj2需要注入obj1的代理对象，但找不到，于是切换到obj1的创建流程；
• obj1需要注入obj2的代理对象，但找不到，于是切换到obj2的创建流程；
• ...

如此循环往复。

模拟结果：未达到预期目标，本次模拟宣告失败。

3.1 模拟2

要求：

• Obj1与Obj2必须以下两种流程之一创建：
  • “创建-->属性注入-->生成代理对象-->保存到容器中”的流程创建
  • “创建(原始对象)-->生成代理对象-->对原始对象进行属性注入-->将代理对象保存到容器中”的流程创建
• 两个对象的创建流程可以交替进行

目标：

• 最终放入容器的对象分别是proxyObj1，proxyObj2
• 注入到obj1中的是proxyObj2，注入到obj2中的是proxyObj2

示例代码如下：

 public static main(String[] args) {
      // 准备一个容器，这里保存的是完成上述生命周期的对象
      // 1. 如果元素是原始对象，则该对象已经完成了属性注入 
      // 2. 如果元素是代理对象，则该对象持有的原有对象已经完成了属性注入 
      Collection<?> collection = new ArrayList();
 
      // 1. 创建 Obj1 对象
      Obj1 obj1 = new Obj1();
 
      // 接下来需要将obj2的代理对象注入到obj1中，但此时容器中并没有obj2的代理对象，于是切换到obj2的创建流程
      // 一. 创建 Obj2 对象
      Obj2 obj2 = new Obj2();
 
      // 2. 对 Obj1 提前代理
      ProxyObj1 proxyObj1 = new ProxyObj1(obj1);
 
      // 二. 将 proxyObj1 注入到 obj2 中
      obj2.setObj1(proxyObj1);
 
      // 三. 生成 obj2的代理对象
      ProxyObj2 proxyObj2 = new ProxyObj2(obj2);
 
      // 四. proxyObj2 已经走完了完整的生命周期，将代理对象添加到容器时
      collection.add(proxyObj2);
 
      // 此时容器中已经有 obj2 的代理对象了，继续obj1的生命周期
      // 3. 将 proxyObj2 注入到 obj1 中
      obj1.setObj2(proxyObj2);
 
      // 4. proxyObj1 已经走完了完整的生命周期，将代理对象添加到容器时
      collection.add(proxyObj1);
 }
复制代码

上面的代码中，obj1的流程用“1，2，3，4”标识，obj2的流程用“一，二，三，四”标识，两者流程如下：

• obj1：“创建(原始对象)-->生成代理对象-->对原始对象进行属性注入-->将代理对象保存到容器中”
• obj2：“创建-->属性注入-->生成代理对象-->保存到容器中”

最终两者都存入了容器中，达到了预期的目标。

3.3 从模拟中得到的结论

对比上面两个模拟代码，发现模拟2之 所以能达到预期目标，主要是因为在注入obj2的obj1属性时，提前生成了obj1的代理对象proxyObj1，使得obj2能完成整个创建流程。这里再次证明，提供进行aop对循环依赖的解决起到至关重要的作用！

限于篇幅，本文就先到这里了，本文主要分析了循环依赖的产生，介绍了spring解决循环依赖的步骤，最后通过两段代码模拟了循环依赖的解决，下一篇文章我们将从spring源码分析spring是如何解决循环依赖的。

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