【Spring三级缓存解密】如何优雅解决循环依赖难题

引言

在Spring框架的日常开发中，循环依赖问题如同一个幽灵，时不时困扰着开发者。当Bean A依赖Bean B，而Bean B又依赖Bean A时，传统的创建流程会陷入死锁。本文将深入剖析Spring如何通过三级缓存机制破解这一难题，揭示其背后的设计智慧。

一、循环依赖的本质问题

循环依赖的根源在于对象创建的顺序性矛盾：

@Component

public class ServiceA {

    @Autowired

    private ServiceB serviceB; // 需要ServiceB实例

}

@Component

public class ServiceB {

    @Autowired

    private ServiceA serviceA; // 需要ServiceA实例

}

这种"鸡生蛋还是蛋生鸡"的问题，传统创建流程无法解决。

二、三级缓存机制全景解析

Spring通过三级缓存架构破解循环依赖：

classDiagram
class DefaultSingletonBeanRegistry {
-singletonObjects: Map~String, Object~ // 一级缓存：成品Bean
-earlySingletonObjects: Map~String, Object~ // 二级缓存：半成品（早期引用）
-singletonFactories: Map~String, ObjectFactory~ // 三级缓存：对象工厂
}

各级缓存的核心职责

缓存级别	存储内容	生命周期	作用
一级缓存	完全初始化的Bean	应用生命周期	提供最终产品
二级缓存	早期引用（半成品）	被依赖→初始化完成	临时周转
三级缓存	ObjectFactory对象	实例化→被依赖/初始化完成	延迟生成早期引用

三、破解循环依赖的全流程

以经典的A→B→A依赖链为例：

sequenceDiagram
participant C as 容器
participant L3 as 三级缓存
participant L2 as 二级缓存
participant A as BeanA
participant B as BeanB

Note over C: 创建BeanA
C->>A: 1. 实例化(分配内存)
C->>L3: 2. 添加ObjectFactory_A
C->>A: 3. 属性注入(发现需要B)

Note over C: 转向创建B
C->>B: 4. 实例化
C->>L3: 5. 添加ObjectFactory_B
C->>B: 6. 属性注入(发现需要A)

B->>L3: 7. 请求获取A
L3->>L3: 8. 调用ObjectFactory_A.getObject()
L3->>L3: 9. 执行getEarlyBeanReference()
alt 需要代理
L3->>L3: 10. 创建代理对象Proxy_A
else 无需代理
L3->>L3: 10. 保留原始对象
end
L3->>L2: 11. 存入早期引用
L3->>L3: 12. 移除ObjectFactory_A
L3->>B: 13. 返回A的早期引用

C->>B: 14. 完成B的初始化
C->>L1: 15. B成品放入一级缓存
C->>L3: 16. 移除ObjectFactory_B

C->>A: 17. 注入B(已就绪)
C->>A: 18. 完成A初始化
C->>L1: 19. A成品放入一级缓存
C->>L2: 20. 移除A的早期引用

关键步骤解析

三级缓存注册（步骤2/5）：

// 实例化后立即注册

addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, bean));

早期引用生成（步骤9-11）：

protected Object getEarlyBeanReference(String beanName, Object bean) {

    for (BeanPostProcessor bp : getBeanPostProcessors()) {

        if (bp instanceof SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) {

            // 动态决策是否创建代理

            bean = ((SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) bp)

                       .getEarlyBeanReference(bean, beanName);

        }

    }

    return bean;

}

缓存状态转移（步骤12/16/20）：
- 被依赖后从三级缓存删除
- 初始化完成后从二级缓存删除
- 最终成品存于一级缓存

四、三级缓存的设计精妙之处

1. 双重延迟决策机制

public Object getEarlyBeanReference() {

    // 延迟点1：只在被依赖时触发

    // 延迟点2：动态决定是否创建代理

    return (needsProxy ? createProxy(bean) : bean);

}

优势：避免为不需要代理或未发生循环依赖的Bean创建额外对象

2. 状态完整性保障

graph TD
A[属性注入完成] --> B[创建早期引用]
B --> C[代理可安全使用属性值]

当创建代理时，Bean已通过populateBean()完成属性注入，避免NPE风险

3. 对象版本统一性

// 最终代理一致性保证

public void initializeBean() {

    if (earlyProxyReference != null) {

        return earlyProxyReference; // 复用已创建的代理

    }

    return createProxy(bean); // 无循环依赖时创建

}

4. 资源高效利用

场景	传统方案	三级缓存方案	性能提升
无循环依赖	创建所有代理	不创建代理	节省90%内存
有循环依赖无代理	创建半成品副本	直接使用原始对象	减少对象创建
有循环依赖需代理	可能创建多个代理	单例代理	避免代理冲突

五、疑难场景解决方案

1. 代理对象循环依赖

@Service

public class UserService {

    @Autowired

    private OrderService orderService;

    @Transactional // 需要代理

    public void createUser() {...}

}

解决方案：

在getEarlyBeanReference()中创建代理
保证代理对象基于完成属性注入的状态

2. 多级循环依赖

A→B→C→A依赖链：

graph LR
A-->B
B-->C
C-->A

处理流程：

C获取A时触发三级缓存
返回A的早期引用
C完成初始化
B获得C的引用
A最终获得B的引用

3. 无法解决的场景

场景	原因
构造器循环依赖	对象未实例化完成，无法暴露引用
原型(Prototype)作用域	Spring不缓存原型Bean
@Async方法	代理生成时机与标准AOP不同

六、性能优化建议

避免循环依赖：重构设计，引入事件机制

// 使用事件解耦

applicationContext.publishEvent(new UserCreatedEvent(user));

懒加载优化：

@Lazy

@Autowired

private HeavyService heavyService; // 延迟初始化

作用域控制：

@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_REQUEST, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)

public class RequestScopedBean {...}

结论

Spring的三级缓存机制通过以下创新设计解决循环依赖：

空间换时间：通过三级缓存状态管理打破创建顺序限制
延迟决策：在被依赖时才决定是否创建代理
状态保障：确保代理对象基于完整初始化状态
资源优化：避免不必要的对象创建

理解三级缓存不仅帮助解决循环依赖异常，更是深入掌握Spring框架设计思想的钥匙。正如Spring框架创始人Rod Johnson所说："好的框架设计是在约束与灵活性之间找到完美平衡"，三级缓存正是这种平衡的艺术体现。