Spring IoC容器解决循环依赖的三级缓存机制详解

Spring IoC容器通过三级缓存机制巧妙地解决了单例Bean之间的循环依赖问题，这一设计是Spring框架的核心机制之一。下面我将从原理、实现到应用场景全面解析这一机制。

一、循环依赖的产生与问题本质

循环依赖是指两个或多个Bean相互持有对方的引用，形成依赖闭环。例如：

less 复制代码

@Component
public class A {
    @Autowired
    private B b;
}

@Component
public class B {
    @Autowired 
    private A a;
}

这种相互依赖会导致传统初始化流程陷入死锁：创建A需要先初始化B，而创建B又需要先初始化A。

Spring在DefaultSingletonBeanRegistry类中定义了三级缓存结构：

一级缓存(singletonObjects)
- 类型：ConcurrentHashMap<String, Object>
- 作用：存储完全初始化完成的单例Bean，是最终可用的成品对象
二级缓存(earlySingletonObjects)
- 类型：HashMap<String, Object>
- 作用：存储已实例化但未初始化的Bean早期引用（半成品对象），用于解决普通循环依赖
三级缓存(singletonFactories)
- 类型：HashMap<String, ObjectFactory<?>>
- 作用：存储Bean的ObjectFactory，用于生成代理对象或原始对象，是解决AOP代理循环依赖的关键

以A→B→A的循环依赖为例，Spring容器处理流程如下：

开始创建A
- 标记A为"创建中"（加入singletonsCurrentlyInCreation集合）
- 通过反射调用A的构造器创建实例（此时A是原始对象，未注入属性）
- 将A的ObjectFactory放入三级缓存：
  scss 复制代码
```
addSingletonFactory(beanName, () -> getEarlyBeanReference(beanName, mbd, bean));
```
  这个工厂对象能在必要时生成A的早期引用（原始对象或代理对象）
处理A的依赖B
- 发现A需要注入B，触发B的创建流程
- 同样地：标记B为创建中，实例化B，将B的工厂放入三级缓存
处理B的依赖A
- 发现B需要注入A，此时：
  - 从一级缓存查找A → 不存在
  - 从二级缓存查找A → 不存在
  - 从三级缓存获取A的ObjectFactory并调用getObject()：
    ini 复制代码
```
ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
if (singletonFactory != null) {
    earlySingleton = singletonFactory.getObject();
    this.earlySingletonObjects.put(beanName, earlySingleton);
    this.singletonFactories.remove(beanName);
}
```
  - 将生成的A早期引用存入二级缓存，并从三级缓存移除
完成B的初始化
- 将A的早期引用注入B
- 执行B的初始化回调（@PostConstruct等）
- 将完全初始化的B放入一级缓存
完成A的初始化
- 将B的成品对象注入A
- 执行A的初始化回调
- 将A的成品对象从二级缓存提升到一级缓存

解决普通循环依赖

二级缓存存储的早期对象允许相互依赖的Bean在未完成初始化时就能被引用，打破循环僵局
支持AOP代理

三级缓存的ObjectFactory通过getEarlyBeanReference()方法：
- 对普通Bean：直接返回原始对象
- 对需要AOP代理的Bean：返回代理对象
  
  这确保最终注入的是同一个代理实例，避免出现原始对象与代理对象混用的情况
性能优化
- 通过缓存层级减少重复创建
- 通过对象工厂延迟代理对象的生成时机
- 使用不同粒度的锁控制并发访问

仅适用于单例Bean

原型(prototype)作用域的Bean每次请求都创建新实例，无法通过缓存解决循环依赖
不支持构造器循环依赖

构造器注入必须在实例化前完成依赖解析，此时Bean尚未创建，无法存入缓存
Spring Boot 2.6+默认关闭循环引用

可通过spring.main.allow-circular-references=true重新启用

当三级缓存无法解决问题时，可考虑：

@Lazy延迟注入

less 复制代码

@Component
public class A {
    @Lazy
    @Autowired
    private B b; // 实际注入的是代理对象
}

首次调用b的方法时才触发真实初始化

Spring的三级缓存机制通过"提前暴露引用"的设计思想，在保持单例约束的同时，优雅地解决了循环依赖这一经典难题，体现了框架设计的精妙之处。