一文搞懂 Spring 的三级缓存模型

为什么需要三级缓存？

众所周知，Spring框架为了解决循环依赖的问题，引入了一个三级缓存的机制。这个机制主要涉及到singleton类型的bean的创建过程。当两个或多个bean相互依赖时，仅靠一级缓存无法解决bean的创建和依赖注入问题，因此Spring通过引入三级缓存机制，确保即使在循环依赖的情况下也能正确处理bean的创建和初始化流程。三级缓存的引入增加了Spring容器解决循环依赖问题的能力，同时也保持了bean实例化和初始化的正确性和顺序。

什么是bean的实例化和初始化？

实例化是指创建对象的过程。在这一阶段，Spring通过调用类的构造方法来创建对象。

初始化是指在实例化之后，Spring对bean进行配置和处理的过程。在这个阶段，Spring将按照配置对该对象的属性进行注入，并且如果bean实现了某些接口（如InitializingBean）、定义了初始化方法（通过@PostConstruct注解或init-method属性指定），或者需要做一些自定义的初始化操作，这些都将在初始化阶段完成。

三级缓存中存储的内容

一级缓存（Singleton Objects）

• 存储的内容：已经完全初始化好的bean实例。
• 存入阶段：当一个bean完全初始化完成（包括实例化、属性注入、初始化方法执行等）后，它会被存入一级缓存。这里的bean已经准备好被使用了。

二级缓存（Early Singleton Objects）

• 存储的内容：提前曝光的bean引用，这些bean已经进行了实例化，但还没有完全初始化（比如还未进行属性注入）。
• 存入阶段：如果在bean的初始化过程中存在依赖其它bean的情况，为了解决这种依赖（尤其是循环依赖）的问题，Spring容器会把一个尚未完全初始化的原始bean实例放入二级缓存中，以此作为一个早期的引用。

三级缓存（Singleton Factories）

• 存储的内容：对于每一个正被创建的bean，存储的是一个ObjectFactory对象或一个FunctionalInterface，它可以生成提前曝光的bean引用（实质上是对bean的早期引用的一个包装）。
• 存入阶段：在bean的实例化阶段后、初始化阶段前，Spring容器将为尚未完成初始化的bean创建一个ObjectFactory，并将此ObjectFactory放入三级缓存中。当存在对这个尚未完成初始化的bean的依赖时，Spring容器通过调用三级缓存中的ObjectFactory来创建一个提前曝光的bean引用，并将其存入二级缓存，如果完成初始化后没有发现循环依赖，这个bean最终会被放置到一级缓存中，并从二、三级缓存中删除。

存入二级缓存的时机

• Bean A的提前引用首次被需要：在处理循环依赖时，如果发现某个Bean需要被提前引用（为了注入到另一个依赖它的Bean中），这时ObjectFactory会被用来创建Bean的提前引用，且这个提前引用会被存入二级缓存。
• 减少对三级缓存的直接访问：将提前引用存入二级缓存，可以减少后续对三级缓存中ObjectFactory的访问次数，因为直接从二级缓存获取Bean的引用更为快捷。

为什么单单二级缓存不够

理论上来说，如果bean在实例化后就存入二级缓存，初始化后再存入一级缓存，是否就只需要二级缓存就能解决循环依赖问题？

由于实际情况和需求往往更为复杂，Spring采用三级缓存机制是为了提供更灵活和更全面的解决方案。

三级缓存机制的必要性

三级缓存机制扩展了对不同种类循环依赖问题的解决能力，具体来说：

1. 提供更灵活的暴露机制

三级缓存中的ObjectFactory允许Spring在Bean实例化后但在初始化之前阶段时创建一个早期引用。这种机制提供了额外的灵活性，因为它允许AOP等代理机制在Bean的生命周期的更早阶段被引入，从而确保代理同样可以参与到依赖注入过程中。

2. 避免代理问题

如果一个Bean需要被代理，而代理需要在Bean完全初始化完成前完成，对于这种情况，三级缓存中的ObjectFactory可以在适当的时刻创建完整的代理对象，并提前暴露它。这解决了在二级缓存中仅仅存储简单引用所无法解决的代理问题。

如果没有三级缓存，直接将Bean放入二级缓存可能带来一些操作上的限制和问题：

• 代理创建时机问题：在某些框架使用下，如AOP，Bean代理的创建可能会引起复杂性，仅靠提前暴露原生Bean实例而不考虑代理，将可能导致依赖注入的失效或是不完整。
• 复杂依赖管理：在复杂的依赖关系树中，简化的二级缓存机制较难精确控制容器何时可以提前暴露某些Bean引用，从而增加了出现意外结果的风险。

Bean的初始化阶段的详细步骤

1. Bean实例化：首先，Spring创建Bean的实例。
2. 依赖注入：在Bean的实例化之后，Spring容器会将定义的依赖注入到Bean中。这包括对字段、设置器方法（setter方法）或构造器参数的注入。
3. BeanNameAware、BeanClassLoaderAware、BeanFactoryAware等Aware接口的方法执行：如果Bean实现了Spring的Aware接口，这一阶段将会调用相应的方法，使Bean能够访问容器的某些资源，如Bean的ID、加载它的类装载器、所属的BeanFactory等。
4. BeanPostProcessors的前置处理：之后，Spring容器将调用已注册的BeanPostProcessor实现的postProcessBeforeInitialization方法，进行前置处理。这一步允许进一步修改新创建的Bean实例。
5. @PostConstruct注解方法的执行：接下来，如果Bean中有用@PostConstruct注解标注的方法，这些方法将被调用。通常，@PostConstruct注释用于执行所有初始化工作或者启动后的设置。
6. InitializingBean的afterPropertiesSet方法的执行：如果Bean实现了InitializingBean接口，则调用其afterPropertiesSet方法。此方法允许Bean知道所有必要的属性都已经设置完毕。
7. 自定义的init方法的执行：如果在Bean定义中指定了一个init方法，那么该方法将被调用。这可以通过@Bean注解的initMethod属性或者在XML配置中使用init-method属性来指定。
8. BeanPostProcessors的后置处理：最后，Spring容器将调用已注册的BeanPostProcessor实现的postProcessAfterInitialization方法，进行后置处理。这一步允许进一步修改Bean实例，一些AOP代理就是在这个时候添加到对应的Bean上的。