图解Spring源码4-Spring Bean的作用域

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1. 从一个例子开始

小陈经过开店标准化审计流程后，终于拥有了一家自己的咖啡店，在营业前它向总部的咖啡杯生产工厂订购了一批一次性咖啡杯，每一个用户来到咖啡店可以使用一次性咖啡杯，也可以选择自带最爱的咖啡杯，自带咖啡杯的用户可以享受免费续杯。

这里我们关注三个对象：

1. 总部的咖啡杯生产工厂：目前总部只有一家咖啡杯生产工厂，这是单例作用域，只要总部不倒闭，咖啡杯生产工厂一直会存在

2. 每一个用户来到咖啡店可以使用的一次性咖啡杯：这是会话作用域，在一次会话（也就是一次到店消费）中这个杯子会一直存在

3. 自带最爱的咖啡杯：单例作用域，针对每一个用户来说，它只有一个最爱的咖啡杯。
   

2. Spring 作用域是什么，有哪些作用域

Spring 作用域是用于定义和管理Bean实例的生命周期范围和共享策略的机制。它决定了Spring容器在何时创建Bean实例、如何共享实例，并在何时销毁实例。通过不同的作用域，Spring能够灵活地适应各种场景需求，例如优化资源使用、隔离用户状态等。

Spring内置了以下常见作用域：

|-------------|--------------------------------------------------|--------------------|
| | | |
| Singleton | 默认作用域，整个容器中仅存在一个Bean实例。 | 数据库连接池、配置类等全局共享组件。 |
| Prototype | 每次请求（如通过getBean()或依赖注入）都创建一个新实例。 | 有状态的工具类（如日期格式化工具）。 |
| Thread | 每一个线程创建一个新实例 | 多线程环境下的状态隔离和线程安全问题 |
| Request | 每个HTTP请求创建一个实例（仅Web应用有效）。 | 用户提交的表单数据、请求级缓存。 |
| Session | 每个用户会话（Session）创建一个实例（仅Web应用有效）。 | 用户登录状态、购物车数据。 |
| Application | 整个ServletContext生命周期内共享一个实例（类似Singleton，但上下文不同）。 | 全局缓存、应用级配置。 |

3. 如何使用这些作用域

Spring中默认bean都是单例，不需要特殊使用注解，或者xml进行标注

3.1 使用注解配置

@Component
@Scope("prototype") // 或 @Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE)
public class MyPrototypeBean { ... }

• Web作用域专用注解：

@Component
@RequestScope 
 // 等效于 @Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_REQUEST, proxyMode =ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class MyRequestScopedBean { ... }

• Java配置类：

@Configuration
public class AppConfig {
    @Bean
    @Scope("prototype")
    public MyBean myBean() {
        return new MyBean();
    }
}

3.2. XML配置

<bean id="myBean" class="com.example.MyBean" scope="prototype"/>
<!-- Web作用域需配置为 request、session 等 -->
<bean id="requestBean" class="com.example.RequestBean" scope="request"/>

4. Spring是如何实现这些作用域的

4.1 解析XML或者注解将Scope记录到BeanDefinition

BeanDefinition：Bean的元数据信息

如同咖啡店开店规格单，就像表格中每一行配置定义了咖啡店的"基因"（用什么机器、找哪家供应商），BeanDefinition是Spring中描述对象的"元数据"。它不关心咖啡机如何运输，只记录"这个对象该长什么样"（类名、属性值、依赖关系等）。

public interface BeanDefinition extends AttributeAccessor, BeanMetadataElement {

    /**
     * Override the target scope of this bean, specifying a new scope name.
     * @see #SCOPE_SINGLETON
     * @see #SCOPE_PROTOTYPE
     */
    void setScope(@Nullable String scope);
    
    /**
     * Return the name of the current target scope for this bean,
     * or {@code null} if not known yet.
     */
    @Nullable
    String getScope();

}

BeanDefintion 提供记录当前Bean Scope以及获取Scope的能力，生成Bean的时候不同的Scope会引导BeanFactory作出不同行为

4.2 单例是如何实现的

// Create bean instance.
// mbd是BeanDefinition，如果是单例
if (mbd.isSingleton()) {
    // 获取单例，第二个参数是一个函数式接口实例，当beanfactory中没有这个单例的时候调用createBean创建
    sharedInstance = getSingleton(beanName, () -> {
       try {
          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;
       }
    });
    
    // 省略其他
}

如下是getSingleton的逻辑

可以看到本质上单例对象会使用一个Map进行维护，优先从map中获取，如果没有才会创建bean，并且使用了synchronized来保证并发情况下不会创建多次实例

4.3 原型是如何实现的

如果是原型，每次都会新建一个新的bean

// 如果是原型，每次都会新建一个新的bean
else if (mbd.isPrototype()) {
    // It's a prototype -> create a new instance.
    Object prototypeInstance = null;
    try {
       beforePrototypeCreation(beanName);
       // 创建实例
       prototypeInstance = createBean(beanName, mbd, args);
    }
    finally {
       afterPrototypeCreation(beanName);
    }
    bean = getObjectForBeanInstance(prototypeInstance, name, beanName, mbd);
}

4.4 其他作用域是如何实现的

else {
    // 获取作用域名称
    String scopeName = mbd.getScope();

    // 获取作用域实例
    final Scope scope = this.scopes.get(scopeName);
    if (scope == null) {
       throw new IllegalStateException("No Scope registered for scope name '" + scopeName + "'");
    }
    try {
      // 调用scope的get方法创建实例
       Object scopedInstance = scope.get(beanName, () -> {
          beforePrototypeCreation(beanName);
          try {
             return createBean(beanName, mbd, args);
          }
          finally {
             afterPrototypeCreation(beanName);
          }
       });
       
       bean = getObjectForBeanInstance(scopedInstance, name, beanName, mbd);
    }
    catch (IllegalStateException ex) {
       throw new BeanCreationException(beanName,
             "Scope '" + scopeName + "' is not active for the current thread; consider " +
             "defining a scoped proxy for this bean if you intend to refer to it from a singleton",
             ex);
    }
}

其他作用域的bean会调用对于beanDefintion中记录的作用域，然后从scopes中根据scope名称获取对于的Scope对象，然后调用get方法

4.4.1 Scope的接口定义

// 作用域
public interface Scope {

    // 根据名称获取bean，如果bean不存在那么调用ObjectFactory（函数式接口）的getObject进行生成
    Object get(String name, ObjectFactory<?> objectFactory);
     // 删除bean
    @Nullable
    Object remove(String name);

    // 注册销毁的回调方法
    void registerDestructionCallback(String name, Runnable callback);

    // 省略其他不关键的方法
}

1. Object get(String name, ObjectFactory<?> objectFactory)：根据名称获取bean，如果bean不存在那么调用ObjectFactory（函数式接口）的getObject进行生成

2. Object remove(String name)：删除bean

3. void registerDestructionCallback(String name, Runnable callback)：注册销毁的回调方法

4.4.2 registerDestructionCallback有什么用

用于管理作用域内 Bean 的生命周期，尤其是在作用域结束时（如请求结束、会话过期、自定义作用域销毁）触发清理逻辑。它在作用域的实现中扮演了 资源释放和生命周期控制 的角色。

比如说http请求的session生命周期结束了，这时候会调用Runnable callback对Session作用域的bean进行清理

DisposableBeanAdapter是一个Runable接口实现，run方法会调用对应的销毁方法@PreDestroy标注的方法DisposableBean#destory方法，以及还会触发DestructionAwareBeanPostProcessor#postProcessBeforeDestruction方法

4.4.3 常见Scope实现

1. thread作用域：实现类SimpleThreadScope，内部使用ThreadLocal来维护bean

2. session作用域：实现类SessionScope，

3. 如何复用bean：本质上是从HttpServletRequest中获取Session，然后从Session中获取bean

4. 如何销毁bean执行销毁回调：向HttpSession中注册了DestructionCallbackBindingListener（HttpSessionBindingListener）tomcat在session被销毁的时候，会回调valueUnbound方法，在这里会触发bean的销毁
   

   Tomcat Session管理：

• Cookie（默认方式）：
  检查请求头中的Cookie字段，寻找名为JSESSIONID的Cookie值（可通过context.xml配置自定义名称）。
• URL重写（备用方式）：
  若Cookie未找到，检查URL中是否包含jsessionid参数（如/path;jsessionid=12345）。
  也就是说tomcat会将sessionId写到cookie中，然后浏览器进行存储，并且在服务器本地内存中缓存sessionId对应的HttpSession对象，Spring的Session作用域就是bean存储到HttpSession中
  tomcat还会单独启动一个线程，轮训判断session是否过期，如果过期那么调用HttpSessionBindingListener的valueUnbound，从而触发session作用域bean的销毁

1. request作用域：实现类RequestScope

2. 如何复用bean：spring mvc会把当前请求存储到threadLocal中，对于request作用的bean其实是从threadLocal中获取当前的HttpServletRequest对象，然后调用getAttribute获取bean对象

3. 如何销毁bean执行销毁回调：通过ServletRequestListener的实现类RequestContextListener#requestDestroyed，实现请求完成后Request作用域bean的销毁

4. application作用域：实现类ServletContextScope

5. 如何复用bean：优先从ServletContext中进行注册bean，ServletContext在web引用中是唯一的

6. 如何销毁bean执行销毁回调：ServletContextScope实现了DisposableBean，spring注册了ContextCleanupListener（ServletContextListener的实现类）在web引用关闭的时候会触发ServletContextListener#contextDestroyed，从而触发ServletContextScope的#destroy，进而触发Applicarion作用域bean的销毁

   和单例的区别：单例是先注销单例bean，然后注销Spring的ApplicationContext，Application作用域则是ApplicationContext注销后，再注销Application作用域的bean（取决于ServletContextListener的触发顺序）

5. 为什么说大部分Spring作用域都无用

5.1 单例模式足够高效​，适用于99%的场景：

大部分业务逻辑中的 Bean 是无状态的（如 Service、DAO），单例模式可以复用实例、节省资源，天然适合高并发场景。

5.2 存在替代方案

1. 显式使用 ThreadLocal​：

   需要线程级隔离时，开发者可能直接使用 ThreadLocal 存储数据，而非依赖 Spring 的 Thread 作用域，因为前者更轻量且可控。

2. 通过参数传递状态​：

   在方法调用链中传递上下文（如 RequestContextHolder），比依赖作用域 Bean 更直观。

3. 复杂作用域的隐性成本

4. 配置和维护成本高​：

   如 request 和 session 作用域需搭配代理模式（ScopedProxyMode），且要确保作用域生命周期与线程、请求或会话同步，容易出错。

5. 线程池的复用问题​：

   使用 thread 作用域时，线程池中的线程可能被复用，残留旧 Bean 状态，需手动清理（如实现 DisposableBean）

5.3 分布式系统的挑战​：

在微服务架构中，session 作用域依赖本地会话，无法直接扩展到分布式环境，需借助 Redis 等外部存储，导致作用域 Bean 意义下降。

大型微服务架构中，网络请求需要经过：动态DNS → LVS（四层负载均衡）​ → 反向代理（七层负载均衡）​ → 网关（API Gateway）​ → 应用服务器

一个用户的请求很难做到固定的被同一台机器处理，session，request ，application都是在本地web服务内存维度的作用域，因此在分布式常见下，这些作用域基本上无用

基于redis这样的分布式缓存session，也没有必要把bean存储到redis进行反序列化，来实现session，request，这种作用域

分布式环境中我要尽量保证请求的无状态，无状态利于横向扩容，来提高服务的并发度

6. 有哪些巧妙的设计

1. 面向接口编程：

Spring将作用域抽象为Scope接口，在接口中定义了作用域的能力，支持开发者根据自己的需要可插拔的加入自己的作用域

1. 监听器模式：
   对于web服务中的作用域，Spring结合javaee中提供的扩展Listener，实现对应作用域对象销毁的回调逻辑，例如基于HttpSessionBindingListener、RequestContextListener、ServletContextListener，分别实现了session，request，application三种作用域的对象销毁回调

7. 面试题&总结

7.1 Spring中有哪些作用域、各自有哪些应用场景

|-------------|--------------------------------------------------|--------------------|
| | | |
| Singleton | 默认作用域，整个容器中仅存在一个Bean实例。 | 数据库连接池、配置类等全局共享组件。 |
| Prototype | 每次请求（如通过getBean()或依赖注入）都创建一个新实例。 | 有状态的工具类（如日期格式化工具）。 |
| Thread | 每一个线程创建一个新实例 | 多线程环境下的状态隔离和线程安全问题 |
| Request | 每个HTTP请求创建一个实例（仅Web应用有效）。 | 用户提交的表单数据、请求级缓存。 |
| Session | 每个用户会话（Session）创建一个实例（仅Web应用有效）。 | 用户登录状态、购物车数据。 |
| Application | 整个ServletContext生命周期内共享一个实例（类似Singleton，但上下文不同）。 | 全局缓存、应用级配置。 |

这里需要自主的提出，除了单例和原型基本上都没啥用，单例有极致的性能并且大部分业务代码中的service，dao都是无状态的，并且在分布式环境中网络请求需要经过：动态DNS → LVS（四层负载均衡）​ → 反向代理（七层负载均衡）​ → 网关（API Gateway）​ → 应用服务器

一个用户的请求很难做到固定的被同一台机器处理，session，request ，application都是在本地web服务内存维度的作用域，因此在分布式常见下，这些作用域基本上无用

分布式环境中我要尽量保证请求的无状态，无状态利于横向扩容，来提高服务的并发度

7.2 Spring中的作用域底层原理是什么

见4. Spring是如何实现这些作用域的

伏笔

单例AService 调用原型的BService，每一次是同一个BService，还是不同的BService

注意AService的属性引用了BService的实例，还能做到BService是原型么？

@Component
public class AService {
    @Autowired
    private BService bService;
    
    // 单例AService 调用原型的BService，每一次是同一个BService，还是不同的BService
    public void DoSomething() {
        bService.DoSomething();
    }
}

@Component
@Scope("prototype")
class BService {
    public void DoSomething() {
        
    }
}

。