Spring Bean 定义常见错误

Spring 的核心是围绕 Bean 进行的。不管是 Spring Boot 还是 Spring Cloud，只要名称中带有 Spring 关键字的技术都脱离不了 Bean，而要使用一个 Bean 少不了要先定义出来，所以定义一个 Bean 就变得格外重要了。

当然，对于这么重要的工作，Spring 自然给我们提供了很多简单易用的方式。然而，这种简单易用得益于 Spring 的“约定大于配置”，但我们往往不见得会对所有的约定都了然于胸，所以仍然会在 Bean 的定义上犯一些经典的错误。

接下来我们就来了解下那些经典错误以及它们背后的原理，你也可以对照着去看看自己是否也曾犯过，后来又是如何解决的。

案例 1：隐式扫描不到 Bean 的定义

在构建 Web 服务时，我们常使用 Spring Boot 来快速构建。例如，使用下面的包结构和相关代码来完成一个简易的 Web 版 HelloWorld：

其中，负责启动程序的 Application 类定义如下：

package com.spring.puzzle.class1.example1.application
//省略 import
@SpringBootApplication
public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }
}

提供接口的 HelloWorldController 代码如下：

package com.spring.puzzle.class1.example1.application
//省略 import
@RestController
public class HelloWorldController {
    @RequestMapping(path = "hi", method = RequestMethod.GET)
    public String hi(){
         return "helloworld";
    };
}

上述代码即可实现一个简单的功能：访问http://localhost:8080/hi 返回 helloworld。两个关键类位于同一个包（即 application）中。其中 HelloWorldController 因为添加了 @RestController，最终被识别成一个 Controller 的 Bean。

但是，假设有一天，当我们需要添加多个类似的 Controller，同时又希望用更清晰的包层次和结构来管理时，我们可能会去单独建立一个独立于 application 包之外的 Controller 包，并调整类的位置。调整后结构示意如下：

案例解析

要了解 HelloWorldController 为什么会失效，就需要先了解之前是如何生效的。对于 Spring Boot 而言，关键点在于 Application.java 中使用了 SpringBootApplication 注解。而这个注解继承了另外一些注解，具体定义如下：

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
@SpringBootConfiguration
@EnableAutoConfiguration
@ComponentScan(excludeFilters = { @Filter(type = FilterType.CUSTOM, classes = TypeExcludeFilter.class),
      @Filter(type = FilterType.CUSTOM, classes = AutoConfigurationExcludeFilter.class) })
public @interface SpringBootApplication {
//省略非关键代码
}

从定义可以看出，SpringBootApplication 开启了很多功能，其中一个关键功能就是 ComponentScan，参考其配置如下：

@ComponentScan(excludeFilters = { @Filter(type = FilterType.CUSTOM, classes = TypeExcludeFilter.class)

当 Spring Boot 启动时，ComponentScan 的启用意味着会去扫描出所有定义的 Bean，那么扫描什么位置呢？这是由 ComponentScan 注解的 basePackages 属性指定的，具体可参考如下定义：

public @interface ComponentScan {

/**
 * Base packages to scan for annotated components.
 * <p>{@link #value} is an alias for (and mutually exclusive with) this
 * attribute.
 * <p>Use {@link #basePackageClasses} for a type-safe alternative to
 * String-based package names.
 */
@AliasFor("value")
String[] basePackages() default {};
//省略其他非关键代码
}

而在我们的案例中，我们直接使用的是 SpringBootApplication 注解定义的 ComponentScan，它的 basePackages 没有指定，所以默认为空（即{}）。此时扫描的是什么包？这里不妨带着这个问题去调试下（调试位置参考 ComponentScanAnnotationParser#parse 方法），调试视图如下：

从上图可以看出，当 basePackages 为空时，扫描的包会是 declaringClass 所在的包，在本案例中，declaringClass 就是 Application.class，所以扫描的包其实就是它所在的包，即 com.spring.puzzle.class1.example1.application。

对比我们重组包结构前后，我们自然就找到了这个问题的根源：在调整前，HelloWorldController 在扫描范围内，而调整后，它已经远离了扫描范围（不和 Application.java 一个包了），虽然代码没有一丝丝改变，但是这个功能已经失效了。

所以，综合来看，这个问题是因为我们不够了解 Spring Boot 的默认扫描规则引起的。我们仅仅享受了它的便捷，但是并未了解它背后的故事，所以稍作变化，就可能玩不转了。

问题修正

针对这个案例，有了源码的剖析，我们可以快速找到解决方案了。当然了，我们所谓的解决方案肯定不是说把 HelloWorldController 移动回原来的位置，而是真正去满足需求。在这里，真正解决问题的方式是显式配置 @ComponentScan。具体修改方式如下：

@SpringBootApplication
@ComponentScan("com.spring.puzzle.class1.example1.controller")
public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }
}

通过上述修改，我们显式指定了扫描的范围为 com.spring.puzzle.class1.example1.controller。不过需要注意的是，显式指定后，默认的扫描范围（即 com.spring.puzzle.class1.example1.application）就不会被添加进去了。另外，我们也可以使用 @ComponentScans 来修复问题，使用方式如下：

@ComponentScans(value = { @ComponentScan(value = "com.spring.puzzle.class1.example1.controller") })

顾名思义，可以看出 ComponentScans 相比较 ComponentScan 多了一个 s，支持多个包的扫描范围指定。

此时，细心的你可能会发现：如果对源码缺乏了解，很容易会顾此失彼。以 ComponentScan 为例，原有的代码扫描了默认包而忽略了其它包；而一旦显式指定其它包，原来的默认扫描包就被忽略了。

案例 2：定义的 Bean 缺少隐式依赖

初学 Spring 时，我们往往不能快速转化思维。例如，在程序开发过程中，有时候，一方面我们把一个类定义成 Bean，同时又觉得这个 Bean 的定义除了加了一些 Spring 注解外，并没有什么不同。所以在后续使用时，有时候我们会不假思索地去随意定义它，例如我们会写出下面这样的代码：

@Service
public class ServiceImpl {

    private String serviceName;

    public ServiceImpl(String serviceName){
        this.serviceName = serviceName;
    }

}

ServiceImpl 因为标记为 @Service 而成为一个 Bean。另外我们 ServiceImpl 显式定义了一个构造器。但是，上面的代码不是永远都能正确运行的，有时候会报下面这种错误：

Parameter 0 of constructor in com.spring.puzzle.class1.example2.ServiceImpl required a bean of type 'java.lang.String' that could not be found.

那这种错误是怎么发生的呢？下面我们来分析一下。

案例解析

当创建一个 Bean 时，调用的方法是

AbstractAutowireCapableBeanFactory#createBeanInstance。它主要包含两大基本步骤：寻找构造器和通过反射调用构造器创建实例。对于这个案例，最核心的代码执行，你可以参考下面的代码片段：

// Candidate constructors for autowiring?
Constructor<?>[] ctors = determineConstructorsFromBeanPostProcessors(beanClass, beanName);
if (ctors != null || mbd.getResolvedAutowireMode() == AUTOWIRE_CONSTRUCTOR ||
      mbd.hasConstructorArgumentValues() || !ObjectUtils.isEmpty(args)) {
   return autowireConstructor(beanName, mbd, ctors, args);
}

Spring 会先执行 determineConstructorsFromBeanPostProcessors 方法来获取构造器，然后通过 autowireConstructor 方法带着构造器去创建实例。很明显，在本案例中只有一个构造器，所以非常容易跟踪这个问题。

autowireConstructor 方法要创建实例，不仅需要知道是哪个构造器，还需要知道构造器对应的参数，这点从最后创建实例的方法名也可以看出，参考如下（即 ConstructorResolver#instantiate）：

private Object instantiate(
      String beanName, RootBeanDefinition mbd, Constructor<?> constructorToUse, Object[] argsToUse)

那么上述方法中存储构造参数的 argsToUse 如何获取呢？换言之，当我们已经知道构造器 ServiceImpl(String serviceName)，要创建出 ServiceImpl 实例，如何确定 serviceName 的值是多少？

很明显，这里是在使用 Spring，我们不能直接显式使用 new 关键字来创建实例。Spring 只能是去寻找依赖来作为构造器调用参数。

那么这个参数如何获取呢？可以参考下面的代码片段（即 ConstructorResolver#autowireConstructor）：

argsHolder = createArgumentArray(beanName, mbd, resolvedValues, bw, paramTypes, paramNames,
      getUserDeclaredConstructor(candidate), autowiring, candidates.length == 1);

我们可以调用 createArgumentArray 方法来构建调用构造器的参数数组，而这个方法的最终实现是从 BeanFactory 中获取 Bean，可以参考下述调用：

return this.beanFactory.resolveDependency(
      new DependencyDescriptor(param, true), beanName, autowiredBeanNames, typeConverter);

如果用调试视图，我们则可以看到更多的信息：

如图所示，上述的调用即是根据参数来寻找对应的 Bean，在本案例中，如果找不到对应的 Bean 就会抛出异常，提示装配失败。

问题修正

从源码级别了解了错误的原因后，现在反思为什么会出现这个错误。追根溯源，正如开头所述，因为不了解很多隐式的规则：我们定义一个类为 Bean，如果再显式定义了构造器，那么这个 Bean 在构建时，会自动根据构造器参数定义寻找对应的 Bean，然后反射创建出这个 Bean。

了解了这个隐式规则后，解决这个问题就简单多了。我们可以直接定义一个能让 Spring 装配给 ServiceImpl 构造器参数的 Bean，例如定义如下：

//这个bean装配给ServiceImpl的构造器参数“serviceName”
@Bean
public String serviceName(){
    return "MyServiceName";
}

再次运行程序，发现一切正常了。

所以，我们在使用 Spring 时，不要总想着定义的 Bean 也可以在非 Spring 场合直接用 new 关键字显式使用，这种思路是不可取的。

另外，类似的，假设我们不了解 Spring 的隐式规则，在修正问题后，我们可能写出更多看似可以运行的程序，代码如下：

@Service
public class ServiceImpl {
    private String serviceName;
    public ServiceImpl(String serviceName){
        this.serviceName = serviceName;
    }
    public ServiceImpl(String serviceName, String otherStringParameter){
        this.serviceName = serviceName;
    }
}

如果我们仍用非 Spring 的思维去审阅这段代码，可能不会觉得有什么问题，毕竟 String 类型可以自动装配了，无非就是增加了一个 String 类型的参数而已。

但是如果你了解 Spring 内部是用反射来构建 Bean 的话，就不难发现问题所在：存在两个构造器，都可以调用时，到底应该调用哪个呢？最终 Spring 无从选择，只能尝试去调用默认构造器，而这个默认构造器又不存在，所以测试这个程序它会出错。

案例 3：原型 Bean 被固定

接下来，我们再来看另外一个关于 Bean 定义不生效的案例。在定义 Bean 时，有时候我们会使用原型 Bean，例如定义如下：

@Service
@Scope(ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE)
public class ServiceImpl {
}

然后我们按照下面的方式去使用它：

@RestController
public class HelloWorldController {

    @Autowired
    private ServiceImpl serviceImpl;

    @RequestMapping(path = "hi", method = RequestMethod.GET)
    public String hi(){
         return "helloworld, service is : " + serviceImpl;
    };
}

结果，我们会发现，不管我们访问多少次http://localhost:8080/hi，访问的结果都是不变的，如下：

helloworld, service is : com.spring.puzzle.class1.example3.error.ServiceImpl@4908af

很明显，这很可能和我们定义 ServiceImpl 为原型 Bean 的初衷背道而驰，如何理解这个现象呢？

案例解析

当一个属性成员 serviceImpl 声明为 @Autowired 后，那么在创建 HelloWorldController 这个 Bean 时，会先使用构造器反射出实例，然后来装配各个标记为 @Autowired 的属性成员（装配方法参考 AbstractAutowireCapableBeanFactory#populateBean）。

具体到执行过程，它会使用很多 BeanPostProcessor 来做完成工作，其中一种是 AutowiredAnnotationBeanPostProcessor，它会通过 DefaultListableBeanFactory#findAutowireCandidates 寻找到 ServiceImpl 类型的 Bean，然后设置给对应的属性（即 serviceImpl 成员）。

关键执行步骤可参考

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor.AutowiredFieldElement#inject：

protected void inject(Object bean, @Nullable String beanName, @Nullable PropertyValues pvs) throws Throwable {
   Field field = (Field) this.member;
   Object value;
   //寻找“bean”
   if (this.cached) {
      value = resolvedCachedArgument(beanName, this.cachedFieldValue);
   }
   else {
     //省略其他非关键代码
     value = beanFactory.resolveDependency(desc, beanName, autowiredBeanNames, typeConverter);
   }
   if (value != null) {
      //将bean设置给成员字段
      ReflectionUtils.makeAccessible(field);
      field.set(bean, value);
   }
}

待我们寻找到要自动注入的 Bean 后，即可通过反射设置给对应的 field。这个 field 的执行只发生了一次，所以后续就固定起来了，它并不会因为 ServiceImpl 标记了 SCOPE_PROTOTYPE 而改变。

所以，当一个单例的 Bean，使用 autowired 注解标记其属性时，你一定要注意这个属性值会被固定下来。

问题修正

通过上述源码分析，我们可以知道要修正这个问题，肯定是不能将 ServiceImpl 的 Bean 固定到属性上的，而应该是每次使用时都会重新获取一次。所以这里我提供了两种修正方式：

1. 自动注入 Context

即自动注入 ApplicationContext，然后定义 getServiceImpl() 方法，在方法中获取一个新的 ServiceImpl 类型实例。修正代码如下：

@RestController
public class HelloWorldController {

    @Autowired
    private ApplicationContext applicationContext;

    @RequestMapping(path = "hi", method = RequestMethod.GET)
    public String hi(){
         return "helloworld, service is : " + getServiceImpl();
    };
 
    public ServiceImpl getServiceImpl(){
        return applicationContext.getBean(ServiceImpl.class);
    }

}

2. 使用 Lookup 注解

类似修正方法 1，也添加一个 getServiceImpl 方法，不过这个方法是被 Lookup 标记的。修正代码如下：

@RestController
public class HelloWorldController {
 
    @RequestMapping(path = "hi", method = RequestMethod.GET)
    public String hi(){
         return "helloworld, service is : " + getServiceImpl();
    };

    @Lookup
    public ServiceImpl getServiceImpl(){
        return null;
    }  

}

通过这两种修正方式，再次测试程序，我们会发现结果已经符合预期（每次访问这个接口，都会创建新的 Bean）。

重点回顾

不难发现，要使用好 Spring，就一定要了解它的一些潜规则，例如默认扫描 Bean 的范围、自动装配构造器等等。如果我们不了解这些规则，大多情况下虽然也能工作，但是稍微变化，则可能完全失效，例如在案例 1 中，我们也只是把 Controller 从一个包移动到另外一个包，接口就失效了。

另外，通过这三个案例的分析，我们也能感受到 Spring 的很多实现是通过反射来完成的，了解了这点，对于理解它的源码实现会大有帮助。例如在案例 2 中，为什么定义了多个构造器就可能报错，因为使用反射方式来创建实例必须要明确使用的是哪一个构造器。

最后，我想说，在 Spring 框架中，解决问题的方式往往有多种，不要拘泥于套路。就像案例 3，使用 ApplicationContext 和 Lookup 注解，都能解决原型 Bean 被固定的问题一样。