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从自定义一个作用域开始来了解SpringBean的作用域

2024-05-01 11:09 由 落叶微风 发表于 #后端开发

你好，这里是codetrend专栏“Spring6全攻略”。

在 Spring 框架中，Bean 的作用域（Scope）定义了 Bean 实例在容器中如何创建、管理和销毁的策略。

Spring 提供了多种 Bean 作用域，每种作用域都有其特定的生命周期和适用场景。

先试试不同的 Bean Scope

下面通过一个简单的 Spring MVC Controller 示例来感受下 Bean 的作用域。

例子代码是这样的：

import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableBeanFactory;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.context.annotation.Scope;
import org.springframework.web.context.WebApplicationContext;

import java.util.UUID;

@Configuration
public class AppConfig {
    @Bean
    @Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_SINGLETON)
    public SingletonBean singletonBean() {
        return new SingletonBean();
    }

    @Bean
    @Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE)
    public PrototypeBean prototypeBean() {
        return new PrototypeBean();
    }

    @Bean
    @Scope(WebApplicationContext.SCOPE_SESSION)
    public SessionBean sessionBean() {
        return new SessionBean();
    }
}

class SingletonBean {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

class PrototypeBean {
    private String id;

    public PrototypeBean() {
        this.id = UUID.randomUUID().toString();
    }

    public String getId() {
        return id;
    }
}

class SessionBean {
    private String id;

    public SessionBean() {
        this.id = UUID.randomUUID().toString();
    }

    public String getId() {
        return id;
    }
}

controller 代码：

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@RestController
public class ScopeController {
    @Autowired
    private SingletonBean singletonBean;

    @Autowired
    private ApplicationContext context;

    @GetMapping("/singleton")
    public String singletonCount() {
        singletonBean.increment();
        return "Singleton Count: " + singletonBean.getCount();
    }

    @GetMapping("/prototype")
    public String prototypeGet() {
        PrototypeBean prototypeBean = context.getBean(PrototypeBean.class);
        return "Prototype ID: " + prototypeBean.getId();
    }

    @GetMapping("/session")
    public String sessionGet() {
        SessionBean prototypeBean = context.getBean(SessionBean.class);
        return "Session ID: " + prototypeBean.getId();
    }
}
  • Singleton（单例）的属性持续增加，也就是说访问到的SingletonBean每次都是同一个对象。访问/singleton接口的返回是这样的：
1
2
3
  • Prototype（原型）的属性每次都是不一样的，也就是说明id每次都是调用构造器新创建的。访问/prototype接口的返回是这样的：

Prototype ID: 3ea5af10-ddce-4a89-ad3c-3f07a764f179
Prototype ID: 7e6e9fe8-c0dc-423e-b282-96b7f8087dac
Prototype ID: 7aca1000-484d-46e8-80f7-d444a5a04f49
  • Session（会话）的属性同一窗口是一样的，开启无痕窗口或者其他浏览器就不一样。访问/session接口的返回是这样的：
Prototype ID: 7aca1000-484d-46e8-80f7-d444a5a04f49
Prototype ID: 7aca1000-484d-46e8-80f7-d444a5a04f49
# 开启新的窗口后
Session ID: bd22d310-29e5-4004-8555-9678c08275f0
Session ID: bd22d310-29e5-4004-8555-9678c08275f0

可以直接把样例代码复制到例子里面验证测试。这样我们就对BeanScope作用域有个直观的感受。

自定义一个 Bean Scope

接下来通过实现一个自定义作用域来感受下Bean的作用域原理。

在 Spring 框架中，除了预定义的几种作用域（如 singleton、prototype 等）外，用户还可以自定义作用域以满足特定的业务需求。

自定义作用域允许控制 Bean 的创建、缓存和销毁逻辑，以适应特定的场景，如基于特定条件的实例化策略、自定义生命周期管理等。

自定义步骤：

  • 定义作用域接口：首先，需要实现org.springframework.beans.factory.config.Scope接口，该接口定义了 Bean 作用域的基本行为。
  • 实现逻辑：在自定义的 Scope 接口实现中，需要覆盖get、remove和registerDestructionCallback方法，分别用于获取 Bean 实例、移除 Bean 实例以及注册销毁回调。
  • 注册作用域：在 Spring 配置中注册的自定义作用域，使其可被容器识别和使用。
  • 使用自定义作用域：在 Bean 定义中通过@Scope注解指定使用自定义的作用域名称。

自定义作用域实现

首先自定义作用域实现，也就是实现接口org.springframework.beans.factory.config.Scope。

import org.springframework.beans.factory.ObjectFactory;
import org.springframework.beans.factory.config.Scope;

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.Map;
import java.util.UUID;

public class CustomScope implements Scope {
    public final static String CUSTOM_SCOPE_NAME = "custom";
    private final Map<String, Object> scopedObjects = new ConcurrentHashMap<>();
    private final Map<String, Runnable> destructionCallbacks = new ConcurrentHashMap<>();

    @Override
    public Object get(String name, ObjectFactory<?> objectFactory) {
        Object scopedObject = scopedObjects.get(name);
        if (scopedObject == null) {
            scopedObject = objectFactory.getObject();
            scopedObjects.put(name, scopedObject);
        }
        return scopedObject;
    }

    @Override
    public Object remove(String name) {
        scopedObjects.remove(name);
        Runnable callback = destructionCallbacks.remove(name);
        if (callback != null) {
            callback.run();
        }
        return null;
    }

    @Override
    public void registerDestructionCallback(String name, Runnable callback) {
        destructionCallbacks.put(name, callback);
    }

    @Override
    public Object resolveContextualObject(String key) {
        // 可以根据需要实现上下文对象解析逻辑
        return null;
    }

    @Override
    public String getConversationId() {
        // 返回一个唯一的标识，用于区分作用域上下文
        return UUID.randomUUID().toString();
    }
}

可以看到Scope接口其实是对Bean的全生命周期进行管理，包括获取get、缓存和销毁remove和销毁回调等逻辑。这也是作用域的核心原理。

Spring6怎么实现的Scope

这里以org.springframework.web.context.request.RequestScope 为例子来理解Spring6怎么实现BeanScope的。

得益于Spring框架的抽象和封装，这个类的实现代码并没有多少。

  • RequestScope extends AbstractRequestAttributesScope 核心实现在这个类 AbstractRequestAttributesScope。

  • get获取对象方法，其中对象的存储放在了ThreadLocal中，也就是RequestContextHolder这个类的核心。

/**
 * 根据名称获取对象，如果当前请求属性中没有该对象，则使用对象工厂创建一个对象，并将其设置到请求属性中
 * 然后再次获取该对象，以便进行隐式会话属性更新。作为额外的好处，我们还允许在获取属性级别进行潜在的装饰。
 * 如果再次获取到的对象不为空（预期情况），则只使用该对象。如果它同时消失了，我们则返回本地创建的实例。
 */
public Object get(String name, ObjectFactory<?> objectFactory) {
    // 获取当前请求的属性
    RequestAttributes attributes = RequestContextHolder.currentRequestAttributes();
    // 根据名称和作用域获取对象
    Object scopedObject = attributes.getAttribute(name, getScope());
    if (scopedObject == null) {
        // 使用对象工厂创建对象
        scopedObject = objectFactory.getObject();
        // 将创建的对象设置到请求属性中
        attributes.setAttribute(name, scopedObject, getScope());
        // 再次获取对象，进行隐式会话属性更新
        // 并允许进行潜在的装饰
        Object retrievedObject = attributes.getAttribute(name, getScope());
        if (retrievedObject!= null) {
            // 只使用再次获取到的对象（如果仍然存在，这是预期情况）
            // 如果它同时消失了，我们则返回本地创建的实例
            scopedObject = retrievedObject;
        }
    }
    // 返回获取到的对象
    return scopedObject;
}
  • remove 方法也是差不多的。借助工具类RequestContextHolder将缓存在ThreadLocal中的对象移除。
/**
 * 移除指定名称的对象，如果当前请求属性中存在该对象，则将其从请求属性中移除并返回该对象；否则返回 null
 */
public Object remove(String name) {
    // 获取当前请求的属性
    RequestAttributes attributes = RequestContextHolder.currentRequestAttributes();
    // 根据名称和作用域获取对象
    Object scopedObject = attributes.getAttribute(name, getScope());
    if (scopedObject!= null) {
        // 将该对象从请求属性中移除
        attributes.removeAttribute(name, getScope());
        // 返回移除的对象
        return scopedObject;
    } else {
        // 返回 null
        return null;
    }
}

注册自定义作用域

注册作用域，需要通过BeanFactory的registerScope方法进行注册。

import org.springframework.beans.BeansException;
import org.springframework.beans.factory.config.BeanFactoryPostProcessor;
import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableListableBeanFactory;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class ScopeBeanFactoryPostProcessor implements BeanFactoryPostProcessor {
    @Override
    public void postProcessBeanFactory(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory) throws BeansException {
        beanFactory.registerScope(CustomScope.CUSTOM_SCOPE_NAME, new CustomScope());
    }
}

验证自定义作用域效果

将Bean注册到Spring容器中，并使用自定义作用域。

public class MyScopeBean {
    private String id;

    public MyScopeBean() {
        this.id = UUID.randomUUID().toString();
    }

    public String getId() {
        return id;
    }
}

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.context.annotation.Scope;

@Configuration
public class AppScopeConfig {
    @Bean
    @Scope(CustomScope.CUSTOM_SCOPE_NAME)
    public MyScopeBean myBean() {
        return new MyScopeBean();
    }
}

新建一个Controller，访问/customScope接口，返回自定义作用域的Bean实例。

@RestController
public class CustomScopeController {
    @Autowired
    private ApplicationContext context;
    @GetMapping("/customScope")
    public String customScope() {
        MyScopeBean prototypeBean = context.getBean(MyScopeBean.class);
        return "Prototype ID: " + prototypeBean.getId();
    }
}

访问的结果输出如下：

Session ID: bd22d310-29e5-4004-8555-9678c08275f0
Session ID: bd22d310-29e5-4004-8555-9678c08275f0
Session ID: bd22d310-29e5-4004-8555-9678c08275f0

因为对象全局缓存到了一个MapscopedObjects，所以可以看到这个自定义作用域效果和单例模式基本一致的。

Bean Scope 的分类

Scope 描述
singleton (Default) 将单个 bean 定义作用域限定为 Spring IoC 容器中的单个对象实例。
prototype 将单个 bean 定义作用域限定为任意数量的对象实例。
request 将单个 bean 定义作用域限定为单个 HTTP 请求的生命周期。也就是说，每个 HTTP 请求都有自己的一个基于单个 bean 定义创建的 bean 实例。仅在 Web-aware Spring ApplicationContext 上下文中有效。
session 将单个 bean 定义作用域限定为 HTTP Session 的生命周期。仅在 Web-aware Spring ApplicationContext 上下文中有效。
application 将单个 bean 定义作用域限定为 ServletContext 的生命周期。仅在 Web-aware Spring ApplicationContext 上下文中有效。
websocket 将单个 bean 定义作用域限定为 WebSocket 的生命周期。仅在 Web-aware Spring ApplicationContext 上下文中有效。

其中singleton、prototype是比较常用的数据。

Bean Scope 的使用

可以通过在Spring的配置文件（如XML配置文件或Java注解）中指定@Scope注解或<bean>元素的scope属性来定义Bean的Scope。

其中@Scope注解可以是自定义的值或者如下常量：

  • ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE
  • ConfigurableBeanFactory.SCOPE_SINGLETON
  • org.springframework.web.context.WebApplicationContext.SCOPE_REQUEST
  • org.springframework.web.context.WebApplicationContext.SCOPE_SESSION

其中ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE是默认值。

例如：

import org.springframework.context.annotation.Scope;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableBeanFactory;

@Component
@Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_SINGLETON)
public class MyPrototypeBean {
    // Bean内容
}

或者使用XML配置：

<bean id="myBean" class="com.example.MyBean" scope="prototype">
    <!-- Bean的其他配置 -->
</bean>

选择合适的Bean Scope取决于应用程序的需求。

为什么设计 Bean Scope

Spring 框架设计 Bean 作用域（Scope）的原因主要是为了提供灵活性和资源管理能力，以适应不同应用场景的需求。

不同的 Bean 作用域会影响 Bean 的生命周期、创建方式和在容器中的共享程度，从而影响应用的性能、内存占用和并发处理能力。

以下是 Spring 提供 Bean 作用域设计背后的主要原因：

  • 资源优化：通过作用域设计，Spring 能够根据业务场景高效管理 Bean 的创建与销毁。例如，单例（Singleton）模式可以减少频繁创建实例的开销，原型（Prototype）模式则确保每次请求都得到新的实例，避免了共享状态问题。
  • 并发处理：对于 Web 应用，特定作用域如请求（Request）和会话（Session）使得每个用户请求或会话都有独立的 Bean 实例，解决了并发用户数据隔离的问题，提高了应用的线程安全。
  • 生命周期管理：不同的作用域允许开发者控制 Bean 的生命周期，比如通过自定义作用域实现复杂的生命周期管理逻辑。Spring 容器在 Bean 的创建、初始化、销毁等关键时刻调用生命周期回调方法，增加了灵活性。
  • 可测试性：通过作用域的设计，特别是原型模式，可以更容易地创建独立的测试环境，因为每次测试都能得到全新的实例，减少了测试间状态干扰。
  • 扩展性：Spring 允许开发者自定义作用域，为特定的业务需求或架构设计提供定制化的 Bean 管理方式，增强了框架的扩展性和适应性。
  • 内存管理：合理使用作用域可以减少内存消耗，例如，原型模式避免了单例 Bean 累积大量状态导致的内存泄漏风险，而请求作用域则确保请求结束后自动清理资源。

单例 bean 里面注入了原型 bean

当单例 Bean 中注入原型（Prototype）Bean 时，会出现一个问题：

  • 单例 Bean 在整个应用生命周期中只创建一次。
  • 而原型 Bean 本应每次请求时创建新实例。
  • 但直接注入到单例 Bean 中时，实际上只会注入一次原型 Bean 的实例。
  • 后续对该原型 Bean 的使用都将复用首次注入的同一个实例，这可能并不符合预期。

以下demo可以复现这种情况。

SpringBean的配置：

import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableBeanFactory;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.context.annotation.Scope;

@Configuration
public class FaultAppConfig {
    @Bean
    @Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE)
    public PrototypeInjectBean prototypeInjectBean() {
        return new PrototypeInjectBean();
    }
}

单例SpringBean:

import java.util.UUID;

public class PrototypeInjectBean {
    private String id;

    public PrototypeInjectBean() {
        this.id = UUID.randomUUID().toString();
    }

    public String getId() {
        return id;
    }
}

测试代码如下：

import org.springframework.beans.factory.ObjectProvider;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Lookup;
import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableBeanFactory;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.Scope;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@RestController
@Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_SINGLETON)
public class PrototypeFaultController {

    final private PrototypeInjectBean prototypeInjectBean;

    protected PrototypeFaultController(PrototypeInjectBean prototypeInjectBean) {
        this.prototypeInjectBean = prototypeInjectBean;
    }

    /**
     * 原型作用域失效，每次返回同一个id
     * @return
     */
    @GetMapping("/prototypeDemo1")
    public String prototypeDemo1() {
        return "Prototype ID: " + prototypeInjectBean.getId();
    }

}

在不重启应用或者垃圾回收的情况下，访问接口 /prototypeDemo1 原型 Bean 的id值始终是相同的。

Prototype ID: 11893ed8-608c-452b-b2e6-82bc70b5cf97
Prototype ID: 11893ed8-608c-452b-b2e6-82bc70b5cf97
Prototype ID: 11893ed8-608c-452b-b2e6-82bc70b5cf97

那这种常用的使用场景遇到了该怎么解决呢？别急，Spring早已经给出了几种解决办法。

通过完善上面的测试代码给出3中解决方法。

修改完善后的代码如下：


import org.springframework.beans.factory.ObjectProvider;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Lookup;
import org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableBeanFactory;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.Scope;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@RestController
@Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_SINGLETON)
public abstract class PrototypeFaultController {

    @Autowired
    private ApplicationContext context;
    @Autowired
    private ObjectProvider<PrototypeInjectBean> prototypeBeanProvider;

    final private PrototypeInjectBean prototypeInjectBean;

    protected PrototypeFaultController(PrototypeInjectBean prototypeInjectBean) {
        this.prototypeInjectBean = prototypeInjectBean;
    }

    /**
     * 原型作用域失效，每次返回同一个id
     * @return
     */
    @GetMapping("/prototypeDemo1")
    public String prototypeDemo1() {
        return "Prototype ID: " + prototypeInjectBean.getId();
    }

    /**
     * 使用实例工厂方法注入获取原型Bean，每次返回不同id
     * @return
     */
    @GetMapping("/prototypeDemo2")
    public String prototypeDemo2() {
        PrototypeInjectBean prototypeBean = context.getBean(PrototypeInjectBean.class);
        return "Prototype ID: " + prototypeBean.getId();
    }

    /**
     * Spring 提供了`ObjectProvider`接口（继承自`Provider`接口），它允许延迟查找和实例化 Bean，非常适合在单例 Bean 中按需获取原型 Bean 的新实例。
     * @return
     */
    @GetMapping("/prototypeDemo4")
    public String prototypeDemo4() {
        return "Prototype ID: " + prototypeBeanProvider.getObject().getId();
    }

    /**
     * 使用`@Lookup`注解获取原型Bean，每次返回不同id
     * @return
     */
    @GetMapping("/prototypeDemo5")
    public String prototypeDemo5() {
        return "Prototype ID: " + getPrototypeBean().getId();
    }
    @Lookup
    public abstract PrototypeInjectBean getPrototypeBean();

}
  • 解决办法1： Spring 提供了ObjectProvider接口（继承自Provider接口），它允许延迟查找和实例化 Bean，非常适合在单例 Bean 中按需获取原型 Bean 的新实例。

通过访问接口/prototypeDemo4可以发现每次返回的id值是不同的。

  • 解决办法2： 可以通过定义一个工厂方法来创建原型 Bean 的实例，然后在单例 Bean 中注入这个工厂方法，每次需要时调用工厂方法获取新实例。

通过访问接口/prototypeDemo2可以发现每次返回的id值是不同的。

  • 解决办法3： 通过@Lookup注解，@Lookup注解是Spring框架中的一个特殊注解，用于在Spring容器中查找另一个Bean，并将其注入到当前Bean中。注意使用@Lookup注解的方法必须是抽象的（abstract）。

通过访问接口/prototypeDemo5可以发现每次返回的id值是不同的。

关于作者

来自一线全栈程序员nine的探索与实践，持续迭代中。

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