引言

面試中，經(jīng)常會(huì)被問(wèn)到這樣一個(gè)問(wèn)題：“Spring Bean 是單例的嗎？如果是單例如何保證并發(fā)安全呢？”，這兩個(gè)問(wèn)題看似沒(méi)有關(guān)聯(lián)，其實(shí)一點(diǎn)也不挨著，為什么呢？請(qǐng)聽(tīng)我來(lái)“狡辯”。

首先，單例Bean 本身并不會(huì)直接導(dǎo)致線(xiàn)程安全問(wèn)題。真正影響線(xiàn)程安全性的因素是該單例對(duì)象是否包含共享可變狀態(tài)，以及在進(jìn)行并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)會(huì)不會(huì)因?yàn)楣蚕砜勺儬顟B(tài)而造成了數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象。

其實(shí)，面試官問(wèn)這樣一個(gè)問(wèn)題，大約是想考察以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

• 對(duì)Spring Bean 作用域的理解
• 并發(fā)編程相關(guān)的知識(shí)（線(xiàn)程安全、同步機(jī)制等）
• 實(shí)際項(xiàng)目中類(lèi)似問(wèn)題的處理經(jīng)驗(yàn)

好了，了解了面試官的意圖后，我們從這幾個(gè)方面來(lái)看下這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該如何回答。

Spring 中 Bean 的作用域

Spring 官方定義的Bean Scopes 有如下幾種，出自Spring 5.1.6.RELEASE 版本文檔

圖片

Bean scopes

• singleton：Spring 中默認(rèn)的作用域。被定義為singleton 的Bean 實(shí)例，在第一次被請(qǐng)求獲取時(shí)創(chuàng)建出來(lái)，并緩存起來(lái)供后續(xù)使用。也就是說(shuō)，在整個(gè)Spring 容器中，該Bean 只有一個(gè)實(shí)例存在。無(wú)論你多少次請(qǐng)求這個(gè)Bean，Spring 都會(huì)返回同一個(gè)對(duì)象實(shí)例。
• prototype：表示每次獲取該Bean 時(shí)，Spring 容器都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例。這種作用域適用于那些不應(yīng)該被共享的對(duì)象，例如有狀態(tài)的Bean。
• request：在Web 應(yīng)用程序中，request 作用域的Bean 在一次HTTP 請(qǐng)求期間有效。對(duì)于每個(gè)新的HTTP 請(qǐng)求，Spring 會(huì)創(chuàng)建該Bean 的一個(gè)新實(shí)例。一旦請(qǐng)求完成，Bean 就會(huì)被銷(xiāo)毀。每個(gè)請(qǐng)求都有其獨(dú)立的Bean 實(shí)例，這非常適合處理與特定請(qǐng)求相關(guān)的狀態(tài)信息，如表單數(shù)據(jù)或用戶(hù)認(rèn)證信息。
• session：類(lèi)似于request 作用域，但session 作用域的Bean 在一個(gè)HTTP Session 期間有效。也就是說(shuō)，在同一個(gè)用戶(hù)Session 內(nèi)，所有對(duì)這個(gè)Bean 的請(qǐng)求都將共享同一個(gè)實(shí)例；而當(dāng)Session 結(jié)束時(shí)，Bean 也會(huì)被銷(xiāo)毀。適用于存儲(chǔ)用戶(hù)的會(huì)話(huà)等相關(guān)信息。
• application：這個(gè)作用域的Bean 在ServletContext（即整個(gè)Web 應(yīng)用程序）的生命周期內(nèi)有效。這意味著在整個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行期間，只會(huì)存在一個(gè)這樣的Bean 實(shí)例，類(lèi)似于singleton，但它是在ServletContext 中唯一的，而不是在整個(gè)Spring 容器中唯一的。
• websocket：這個(gè)作用域的Bean 在WebSocket 連接期間有效。意思是每個(gè)WebSocket 連接都有自己的Bean 實(shí)例，這些實(shí)例僅在該連接存活期間可用。當(dāng)WebSocket 連接關(guān)閉時(shí)，Bean 實(shí)例將被銷(xiāo)毀。

Spring 中也支持自定義 Scope（這里不做贅述）：

• 實(shí)現(xiàn) org.springframework.beans.factory.config.Scope 接口
• 調(diào)用 org.springframework.beans.factory.config.ConfigurableBeanFactory#registerScope 方法注冊(cè)到容器中

單例 Bean 如何保證并發(fā)安全？

線(xiàn)程安全問(wèn)題引發(fā)因素

• 多線(xiàn)程：多線(xiàn)程的運(yùn)行環(huán)境，同一個(gè)程序中，多個(gè)線(xiàn)程并發(fā)執(zhí)行。
• 產(chǎn)生競(jìng)態(tài)條件：當(dāng)一個(gè)對(duì)象內(nèi)部包含可變狀態(tài)時(shí)，就可能產(chǎn)生競(jìng)態(tài)條件（Race Condition），即不同線(xiàn)程之間的操作順序會(huì)影響最終結(jié)果。

示例：假設(shè)有一個(gè)單例Bean 處理訂單業(yè)務(wù)邏輯，并且它維護(hù)了一個(gè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器來(lái)跟蹤訂單數(shù)量。如果不采取任何同步措施，多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)調(diào)用該placeOrder 方法可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)器值錯(cuò)誤。

@Component
public class OrderService {
    private int orderCount = 0;
    public void placeOrder() {
        orderCount++; // 可能發(fā)生競(jìng)態(tài)條件
        System.out.println("Placed order, total orders: " + orderCount);
    }
}

解決方案

• 無(wú)狀態(tài)設(shè)計(jì)：盡量設(shè)計(jì)成無(wú)狀態(tài)的Bean，即Bean 不持有任何可變狀態(tài)。這樣即使多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)也不會(huì)有問(wèn)題。對(duì)于確實(shí)需要維護(hù)狀態(tài)的情況，可以通過(guò)參數(shù)傳遞或外部化狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

@Component
public class StatelessOrderService {
    // 不再維護(hù)訂單狀態(tài)
    public void placeOrder(Order order) {
        // 訂單處理邏輯
        System.out.println("Placed order: " + order.getId());
    }
}

什么是無(wú)狀態(tài)與有狀態(tài)對(duì)象？

無(wú)狀態(tài)的對(duì)象 (Stateless Object)：無(wú)狀態(tài)對(duì)象是指那些不保持任何內(nèi)部狀態(tài)的對(duì)象。它們的行為完全由方法參數(shù)決定，這意味著每次調(diào)用相同的方法并傳入相同的參數(shù)，都將得到一致的結(jié)果，而不受之前操作的影響。

有狀態(tài)的對(duì)象 (Stateful Object)：有狀態(tài)對(duì)象維護(hù)內(nèi)部狀態(tài)，并且這些狀態(tài)可能會(huì)影響對(duì)象的行為。這種狀態(tài)通常是通過(guò)成員變量存儲(chǔ)的，在對(duì)象的生命期內(nèi)可以發(fā)生變化。

• 不可變對(duì)象：如果一個(gè)對(duì)象一旦創(chuàng)建后就不會(huì)改變，那么它自然是線(xiàn)程安全的。通過(guò)使用final 關(guān)鍵字確保字段不可修改，并避免對(duì)外暴露可變狀態(tài)。

public final class ImmutableOrder {
    private final String id;
    private final String customerName;

    public ImmutableOrder(String id, String customerName) {
        this.id = id;
        this.customerName = customerName;
    }

    public String getId() {
        return id;
    }

    public String getCustomerName() {
        return customerName;
    }
}

• 同步機(jī)制：對(duì)于那些需要維護(hù)內(nèi)部狀態(tài)的Bean，可以通過(guò)synchronized 關(guān)鍵字來(lái)同步方法或代碼塊，從而確保同一時(shí)刻只有一個(gè)線(xiàn)程能夠訪(fǎng)問(wèn)這些方法或代碼塊。還可以使用更細(xì)粒度的鎖機(jī)制，如ReentrantLock。

@Component
public class SynchronizedOrderService {
    private int orderCount = 0;

    public synchronized void placeOrder() {
        orderCount++;
        System.out.println("Placed order, total orders: " + orderCount);
    }
}

• 線(xiàn)程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：使用JUC(java.util.concurrent) 提供的線(xiàn)程安全集合類(lèi)（如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList）和原子變量（如AtomicInteger、AtomicLong）等，可以在不加鎖的情況下完成對(duì)數(shù)值的操作，提高性能。

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

@Component
public class ThreadSafeOrderService {
    private final Map<String, Integer> orderCounts = new ConcurrentHashMap<>();

    public void placeOrder(String customerId) {
        orderCounts.compute(customerId, (id, count) -> count == null ? 1 : count + 1);
        System.out.println("Placed order for customer " + customerId + ", total orders: " + orderCounts.get(customerId));
    }
}

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

@Component
public class AtomicOrderService {
    private final AtomicInteger orderCount = new AtomicInteger(0);

    public void placeOrder() {
        int currentCount = orderCount.incrementAndGet();
        System.out.println("Placed order, total orders: " + currentCount);
    }
}

• ThreadLocal 變量：利用ThreadLocal 提供的每個(gè)線(xiàn)程私有的變量副本，可以避免多個(gè)線(xiàn)程之間互相干擾。如果需要在線(xiàn)程間傳遞上下文時(shí)可以使用這種方式。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

@Component
public class ThreadLocalOrderService {
    private static final ThreadLocal<Map<String, Integer>> threadLocalOrders = ThreadLocal.withInitial(HashMap::new);

    public void placeOrder(String customerId) {
        Map<String, Integer> orders = threadLocalOrders.get();
        orders.merge(customerId, 1, Integer::sum);
        System.out.println("Placed order for customer " + customerId + ", total orders in this thread: " + orders.get(customerId));
    }
}

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)然，前面提到的一些控制并發(fā)的手段（如同步機(jī)制、原子變量、ThreadLocal 等）可以在一定程度上幫助解決本地線(xiàn)程安全問(wèn)題，但是在分布式服務(wù)環(huán)境中，確保并發(fā)安全的挑戰(zhàn)更為復(fù)雜，因?yàn)椴粌H需要處理單個(gè)應(yīng)用程序內(nèi)的多線(xiàn)程問(wèn)題，還需要應(yīng)對(duì)跨多個(gè)節(jié)點(diǎn)的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)。彼時(shí)，我們可以借助Redis、Zookeeper 等分布式中間件來(lái)控制多個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的并發(fā)。