本文詳細(xì)解析了 Spring 的內(nèi)置作用域，包括 Singleton、Prototype、Request、Session、Application 和 WebSocket 作用域，并通過實(shí)例講解了它們在實(shí)際開發(fā)中的應(yīng)用。特別是 Singleton 和 Prototype 作用域，我們深入討論了它們的定義、用途以及如何處理相關(guān)的線程安全問題。通過閱讀本文，讀者可以更深入地理解 Spring 作用域，并在實(shí)際開發(fā)中更有效地使用

1. Spring 的內(nèi)置作用域

我們來看看 Spring 內(nèi)置的作用域類型。在 5.x 版本中，Spring 內(nèi)置了六種作用域：

singleton：在 IOC 容器中，對(duì)應(yīng)的 Bean 只有一個(gè)實(shí)例，所有對(duì)它的引用都指向同一個(gè)對(duì)象。這種作用域非常適合對(duì)于無狀態(tài)的 Bean，比如工具類或服務(wù)類。

prototype：每次請求都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的 Bean 實(shí)例，適合對(duì)于需要維護(hù)狀態(tài)的 Bean。

request：在 Web 應(yīng)用中，為每個(gè) HTTP 請求創(chuàng)建一個(gè) Bean 實(shí)例。適合在一個(gè)請求中需要維護(hù)狀態(tài)的場景，如跟蹤用戶行為信息。

session：在 Web 應(yīng)用中，為每個(gè) HTTP 會(huì)話創(chuàng)建一個(gè) Bean 實(shí)例。適合需要在多個(gè)請求之間維護(hù)狀態(tài)的場景，如用戶會(huì)話。

application：在整個(gè) Web 應(yīng)用期間，創(chuàng)建一個(gè) Bean 實(shí)例。適合存儲(chǔ)全局的配置數(shù)據(jù)等。

websocket：在每個(gè) WebSocket 會(huì)話中創(chuàng)建一個(gè) Bean 實(shí)例。適合 WebSocket 通信場景。

我們需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)兩種作用域：singleton 和 prototype。在大多數(shù)情況下 singleton 和 prototype 這兩種作用域已經(jīng)足夠滿足需求。

2. singleton 作用域

2.1 singleton 作用域的定義和用途

Singleton 是 Spring 的默認(rèn)作用域。在這個(gè)作用域中，Spring 容器只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例，所有對(duì)該 bean 的請求都將返回這個(gè)唯一的實(shí)例。 例如，我們定義一個(gè)名為 Plaything 的類，并將其作為一個(gè) bean：

@Component
public class Plaything {
 public Plaything() {
 System.out.println("Plaything constructor run ...");
 }
}

在這個(gè)例子中，Plaything 是一個(gè) singleton 作用域的 bean。無論我們在應(yīng)用中的哪個(gè)地方請求這個(gè) bean，Spring 都會(huì)返回同一個(gè) Plaything 實(shí)例。

下面的例子展示了如何創(chuàng)建一個(gè)單實(shí)例的 Bean：

package com.example.demo.bean;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;
@Component
public class Kid {
 private Plaything plaything;
 @Autowired
 public void setPlaything(Plaything plaything) {
 this.plaything = plaything;
 }
 public Plaything getPlaything() {
 return plaything;
 }
}
package com.example.demo.bean;
import org.springframework.stereotype.Component;
@Component
public class Plaything {
 public Plaything() {
 System.out.println("Plaything constructor run ...");
 }
}

這里可以在 Plaything 類加上 @Scope (BeanDefinition.SCOPE_SINGLETON)，但是因?yàn)槭悄J(rèn)作用域是 Singleton，所以沒必要加。

package com.example.demo.configuration;
import com.example.demo.bean.Kid;
import com.example.demo.bean.Plaything;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
@Configuration
public class BeanScopeConfiguration {
 @Bean
 public Kid kid1(Plaything plaything1) {
 Kid kid = new Kid();
 kid.setPlaything(plaything1);
 return kid;
 }
 @Bean
 public Kid kid2(Plaything plaything2) {
 Kid kid = new Kid();
 kid.setPlaything(plaything2);
 return kid;
 }
}
package com.example.demo.application;
import com.example.demo.bean.Kid;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.ComponentScan;
@SpringBootApplication
@ComponentScan("com.example")
public class DemoApplication {
 public static void main(String[] args) {
 ApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(DemoApplication.class);
 context.getBeansOfType(Kid.class).forEach((name, kid) -> {
 System.out.println(name + " : " + kid.getPlaything());
 });
 }
}
在 Spring IoC 容器的工作中，掃描過程只會(huì)創(chuàng)建 bean 的定義，真正的 bean 實(shí)例是在需要注入或者通過 getBean 方法獲取時(shí)才會(huì)創(chuàng)建。這個(gè)過程被稱為 bean 的初始化。

這里運(yùn)行 ctx.getBeansOfType (Kid.class).forEach ((name, kid) -> System.out.println (name + ":" + kid.getPlaything ())); 時(shí)，Spring IoC 容器會(huì)查找所有的 Kid 類型的 bean 定義，然后為每一個(gè)找到的 bean 定義創(chuàng)建實(shí)例（如果這個(gè) bean 定義還沒有對(duì)應(yīng)的實(shí)例），并注入相應(yīng)的依賴。

運(yùn)行結(jié)果： 三個(gè) Kid 的 Plaything bean 是相同的，說明默認(rèn)情況下 Plaything 是一個(gè)單例 bean，整個(gè) Spring 應(yīng)用中只有一個(gè) Plaything bean 被創(chuàng)建。 為什么會(huì)有 3 個(gè) kid？

Kid: 這個(gè)是通過在 Kid 類上標(biāo)注的 @Component 注解自動(dòng)創(chuàng)建的。Spring 在掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)這個(gè)注解，就會(huì)自動(dòng)在 IOC 容器中注冊這個(gè) bean。這個(gè) Bean 的名字默認(rèn)是將類名的首字母小寫 kid。

kid1: 在 BeanScopeConfiguration 中定義，通過 kid1 (Plaything plaything1) 方法創(chuàng)建，并且注入了 plaything1。

kid2: 在 BeanScopeConfiguration 中定義，通過 kid2 (Plaything plaything2) 方法創(chuàng)建，并且注入了 plaything2。

2.2 singleton 作用域線程安全問題

需要注意的是，雖然 singleton Bean 只會(huì)有一個(gè)實(shí)例，但 Spring 并不會(huì)解決其線程安全問題，開發(fā)者需要根據(jù)實(shí)際場景自行處理。 我們通過一個(gè)代碼示例來說明在多線程環(huán)境中出現(xiàn) singleton Bean 的線程安全問題。 首先，我們創(chuàng)建一個(gè)名為 Counter 的 singleton Bean，這個(gè) Bean 有一個(gè) count 變量，提供 increment 方法來增加 count 的值：

package com.example.demo.bean;
import org.springframework.stereotype.Component;
@Component
public class Counter {
 private int count = 0;
 public int increment() {
 return ++count;
 }
}

然后，我們創(chuàng)建一個(gè)名為 CounterService 的 singleton Bean，這個(gè) Bean 依賴于 Counter，在 increaseCount 方法中，我們調(diào)用 counter.increment 方法：

package com.example.demo.service;
import com.example.demo.bean.Counter;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;
@Service
public class CounterService {
@Autowired
 private final Counter counter;
 public void increaseCount() {
 counter.increment();
 }
}我們在多線程環(huán)境中調(diào)用 counterService.increaseCount 方法時(shí)，就可能出現(xiàn)線程安全問題。因?yàn)?counter.increment 方法并非線程安全，多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用此方法可能會(huì)導(dǎo)致 count 值出現(xiàn)預(yù)期外的結(jié)果。

要解決這個(gè)問題，我們需要使 counter.increment 方法線程安全。

這里可以使用原子變量，在 Counter 類中，我們可以使用 AtomicInteger 來代替 int 類型的 count，因?yàn)?AtomicInteger 類中的方法是線程安全的，且其性能通常優(yōu)于 synchronized 關(guān)鍵字。

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package com.example.demo.bean;
import org.springframework.stereotype.Component;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
@Component
public class Counter {
 private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
 public int increment() {
 return count.incrementAndGet();
 }
}

盡管優(yōu)化后已經(jīng)使 Counter 類線程安全，但在設(shè)計(jì) Bean 時(shí)，我們應(yīng)該盡可能地減少可變狀態(tài)。這是因?yàn)榭勺儬顟B(tài)使得并發(fā)編程變得復(fù)雜，而無狀態(tài)的 Bean 通常更容易理解和測試。 什么是無狀態(tài)的 Bean 呢？?如果一個(gè) Bean 不持有任何狀態(tài)信息，也就是說，同樣的輸入總是會(huì)得到同樣的輸出，那么這個(gè) Bean 就是無狀態(tài)的。反之，則是有狀態(tài)的 Bean。

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3. prototype 作用域

3.1 prototype 作用域的定義和用途

在 prototype 作用域中，Spring 容器會(huì)為每個(gè)請求創(chuàng)建一個(gè)新的 bean 實(shí)例。 例如，我們定義一個(gè)名為 Plaything 的類，并將其作用域設(shè)置為 prototype：

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package com.example.demo.bean;
import org.springframework.beans.factory.config.BeanDefinition;
import org.springframework.context.annotation.Scope;
import org.springframework.stereotype.Component;
@Component
@Scope(BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE)
public class Plaything {
 public Plaything() {
 System.out.println("Plaything constructor run ...");
 }
}

在這個(gè)例子中，Plaything 是一個(gè) prototype 作用域的 bean。每次我們請求這個(gè) bean，Spring 都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的 Plaything 實(shí)例。 我們只需要修改上面的 Plaything 類，其他的類不用動(dòng)。 打印結(jié)果： 這個(gè) @Scope (BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE) 可以寫成 @Scope ("prototype")，按照規(guī)范，還是利用已有的常量比較好。

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3.2 prototype 作用域在開發(fā)中的例子

以我個(gè)人來說，我在 excel 多線程上傳的時(shí)候用到過這個(gè)，當(dāng)時(shí)是 EasyExcel 框架，我給一部分關(guān)鍵代碼展示一下如何在 Spring 中使用 prototype 作用域來處理多線程環(huán)境下的任務(wù)（實(shí)際業(yè)務(wù)會(huì)更復(fù)雜），大家可以對(duì)比，如果用 prototype 作用域和使用 new 對(duì)象的形式在實(shí)際開發(fā)中有什么區(qū)別。 使用 prototype 作用域的例子

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@Resource
private ApplicationContext context;
@PostMapping("/user/upload")
public ResultModel upload(@RequestParam("multipartFile") MultipartFile multipartFile) {
......
ExecutorService es = new ThreadPoolExceutor(10, 16, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(2000), new ThreadPoolExecutor.CallerRunPolicy());
......
EasyExcel.read(multipartFile.getInputStream(), UserDataUploadVO.class, 
new PageReadListener(dataList ->{
......
// 多線程處理上傳excel數(shù)據(jù)
Future future = es.submit(context.getBean(AsyncUploadHandler.class, user, dataList, errorCount));
......
})).sheet().doRead();
......
}

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AsyncUploadHandler.java

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@Component
@Scope(BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE)
public class AsyncUploadHandler implements Runnable {
private User user;

private List dataList;

private AtomicInteger errorCount;

@Resource
private RedisService redisService;

......

@Resource
private CompanyManagementMapper companyManagementMapper;
public AsyncUploadHandler(user, List dataList, AtomicInteger errorCount) {
this.user = user;
this.dataList = dataList;
this.errorCount = errorCount;
}
@Override
public void run() {
......
}

......
}

AsyncUploadHandler 類是一個(gè) prototype 作用域的 bean，它被用來處理上傳的 Excel 數(shù)據(jù)。由于并發(fā)上傳的每個(gè)任務(wù)可能需要處理不同的數(shù)據(jù)，并且可能需要在不同的用戶上下文中執(zhí)行，因此每個(gè)任務(wù)都需要有自己的 AsyncUploadHandler bean。這就是為什么需要將 AsyncUploadHandler 定義為 prototype 作用域的原因。 由于 AsyncUploadHandler 是由 Spring 管理的，我們可以直接使用 @Resource 注解來注入其他的 bean，例如 RedisService 和 CompanyManagementMapper。 把 AsyncUploadHandler 交給 Spring 容器管理，里面依賴的容器對(duì)象可以直接用 @Resource 注解注入。如果采用 new 出來的對(duì)象，那么這些對(duì)象只能從外面注入好了再傳入進(jìn)去。 不使用 prototype 作用域改用 new 對(duì)象的例子

@PostMapping("/user/upload")
public ResultModel upload(@RequestParam("multipartFile") MultipartFile multipartFile) {
......
ExecutorService es = new ThreadPoolExceutor(10, 16, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(2000), new ThreadPoolExecutor.CallerRunPolicy());
......
EasyExcel.read(multipartFile.getInputStream(), UserDataUploadVO.class, 
new PageReadListener(dataList ->{
......
// 多線程處理上傳excel數(shù)據(jù)
Future future = es.submit(new AsyncUploadHandler(user, dataList, errorCount, redisService, companyManagementMapper));
......
})).sheet().doRead();
......
}

AsyncUploadHandler.java

public class AsyncUploadHandler implements Runnable {
private User user;

private List dataList;

private AtomicInteger errorCount;

private RedisService redisService;

private CompanyManagementMapper companyManagementMapper;

......
public AsyncUploadHandler(user, List dataList, AtomicInteger errorCount, 
RedisService redisService, CompanyManagementMapper companyManagementMapper) {
this.user = user;
this.dataList = dataList;
this.errorCount = errorCount;
this.redisService = redisService;
this.companyManagementMapper = companyManagementMapper;
}
@Override
public void run() {
......
}

......
}

如果直接新建 AsyncUploadHandler 對(duì)象，則需要手動(dòng)傳入所有的依賴，這會(huì)使代碼變得更復(fù)雜更難以管理，而且還需要手動(dòng)管理 AsyncUploadHandler 的生命周期。

4. request 作用域（了解）

request 作用域：Bean 在一個(gè) HTTP 請求內(nèi)有效。當(dāng)請求開始時(shí)，Spring 容器會(huì)為每個(gè)新的 HTTP 請求創(chuàng)建一個(gè)新的 Bean 實(shí)例，這個(gè) Bean 在當(dāng)前 HTTP 請求內(nèi)是有效的，請求結(jié)束后，Bean 就會(huì)被銷毀。如果在同一個(gè)請求中多次獲取該 Bean，就會(huì)得到同一個(gè)實(shí)例，但是在不同的請求中獲取的實(shí)例將會(huì)不同。

?

@Component
@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_REQUEST, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class RequestScopedBean {
 // 在一次Http請求內(nèi)共享的數(shù)據(jù)
 private String requestData;
 public void setRequestData(String requestData) {
 this.requestData = requestData;
 }
 public String getRequestData() {
 return this.requestData;
 }
}

上述 Bean 在一個(gè) HTTP 請求的生命周期內(nèi)是一個(gè)單例，每個(gè)新的 HTTP 請求都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的 Bean 實(shí)例。

5. session 作用域（了解）

session 作用域：Bean 是在同一個(gè) HTTP 會(huì)話（Session）中是單例的。也就是說，從用戶登錄開始，到用戶退出登錄（或者 Session 超時(shí)）結(jié)束，這個(gè)過程中，不管用戶進(jìn)行了多少次 HTTP 請求，只要是在同一個(gè)會(huì)話中，都會(huì)使用同一個(gè) Bean 實(shí)例。

@Component
@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_SESSION, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class SessionScopedBean {
 // 在一個(gè)Http會(huì)話內(nèi)共享的數(shù)據(jù)
 private String sessionData;
 public void setSessionData(String sessionData) {
 this.sessionData = sessionData;
 }
 public String getSessionData() {
 return this.sessionData;
 }
}

這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于存儲(chǔ)和管理會(huì)話級(jí)別的數(shù)據(jù)非常有用，例如用戶的登錄信息、購物車信息等。因?yàn)樗鼈兪窃谕粋€(gè)會(huì)話中保持一致的，所以使用 session 作用域的 Bean 可以很好地解決這個(gè)問題。 但是實(shí)際開發(fā)中沒人這么干，會(huì)話 id 都會(huì)存在數(shù)據(jù)庫，根據(jù)會(huì)話 id 就能在各種表中獲取數(shù)據(jù)，避免頻繁查庫也是把關(guān)鍵信息序列化后存在 Redis。

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6. application 作用域（了解）

application 作用域：在整個(gè) Web 應(yīng)用的生命周期內(nèi)，Spring 容器只會(huì)創(chuàng)建一個(gè) Bean 實(shí)例。這個(gè) Bean 在 Web 應(yīng)用的生命周期內(nèi)都是有效的，當(dāng) Web 應(yīng)用停止后，Bean 就會(huì)被銷毀。

?

@Component
@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_APPLICATION, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class ApplicationScopedBean {
 // 在整個(gè)Web應(yīng)用的生命周期內(nèi)共享的數(shù)據(jù)
 private String applicationData;
 public void setApplicationData(String applicationData) {
 this.applicationData = applicationData;
 }
 public String getApplicationData() {
 return this.applicationData;
 }
}

如果在一個(gè) application 作用域的 Bean 上調(diào)用 setter 方法，那么這個(gè)變更將對(duì)所有用戶和會(huì)話可見。后續(xù)對(duì)這個(gè) Bean 的所有調(diào)用（包括 getter 和 setter）都將影響到同一個(gè) Bean 實(shí)例，后面的調(diào)用會(huì)覆蓋前面的狀態(tài)。

7. websocket 作用域（了解）

websocket 作用域：Bean 在每一個(gè)新的 WebSocket 會(huì)話中都會(huì)被創(chuàng)建一次，就像 session 作用域的 Bean 在每一個(gè) HTTP 會(huì)話中都會(huì)被創(chuàng)建一次一樣。這個(gè) Bean 在整個(gè) WebSocket 會(huì)話內(nèi)都是有效的，當(dāng) WebSocket 會(huì)話結(jié)束后，Bean 就會(huì)被銷毀。

@Component
@Scope(value = "websocket", proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class WebSocketScopedBean {
 // 在一個(gè)WebSocket會(huì)話內(nèi)共享的數(shù)據(jù)
 private String socketData;
 public void setSocketData(String socketData) {
 this.socketData = socketData;
 }
 public String getSocketData() {
 return this.socketData;
 }
}

上述 Bean 在一個(gè) WebSocket 會(huì)話的生命周期內(nèi)是一個(gè)單例，每個(gè)新的 WebSocket 會(huì)話都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的 Bean 實(shí)例。 這個(gè)作用域需要 Spring Websocket 模塊支持，并且應(yīng)用需要配置為使用 websocket。
編輯：黃飛

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