详解Spring的 6 种内置作用域及其应用场景_spring 作用域

本文详细解析了 Spring 的内置作用域，包括 Singleton、Prototype、Request、Session、Application 和 WebSocket 作用域，并通过实例讲解了它们在实际开发中的应用。特别是 Singleton 和 Prototype 作用域，我们深入讨论了它们的定义、用途以及如何处理相关的线程安全问题。通过阅读本文，读者可以更深入地理解 Spring 作用域，并在实际开发中更有效地使用

1. Spring 的内置作用域

我们来看看 Spring 内置的作用域类型。在 5.x 版本中，Spring 内置了六种作用域：

• singleton：在 IOC 容器中，对应的 Bean 只有一个实例，所有对它的引用都指向同一个对象。这种作用域非常适合对于无状态的 Bean，比如工具类或服务类。

• prototype：每次请求都会创建一个新的 Bean 实例，适合对于需要维护状态的 Bean。

• request：在 Web 应用中，为每个 HTTP 请求创建一个 Bean 实例。适合在一个请求中需要维护状态的场景，如跟踪用户行为信息。

• session：在 Web 应用中，为每个 HTTP 会话创建一个 Bean 实例。适合需要在多个请求之间维护状态的场景，如用户会话。

• application：在整个 Web 应用期间，创建一个 Bean 实例。适合存储全局的配置数据等。

• websocket：在每个 WebSocket 会话中创建一个 Bean 实例。适合 WebSocket 通信场景。

我们需要重点学习两种作用域：singleton 和 prototype。在大多数情况下 singleton 和 prototype 这两种作用域已经足够满足需求。

2. singleton 作用域

2.1 singleton 作用域的定义和用途

Singleton 是 Spring 的默认作用域。在这个作用域中，Spring 容器只会创建一个实例，所有对该 bean 的请求都将返回这个唯一的实例。

例如，我们定义一个名为 Plaything 的类，并将其作为一个 bean：

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

在这个例子中，Plaything 是一个 singleton 作用域的 bean。无论我们在应用中的哪个地方请求这个 bean，Spring 都会返回同一个 Plaything 实例。

下面的例子展示了如何创建一个单实例的 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 ...");
 }
}

这里可以在 Plaything 类加上 @Scope (BeanDefinition.SCOPE_SINGLETON)，但是因为是默认作用域是 Singleton，所以没必要加。

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，扫描过程只会创建 bean 的定义，真正的 bean 实例是在需要注入或者通过 getBean 方法获取时才会创建。这个过程被称为 bean 的初始化。

这里运行 ctx.getBeansOfType (Kid.class).forEach ((name, kid) -> System.out.println (name + ":" + kid.getPlaything ())); 时，Spring IoC 容器会查找所有的 Kid 类型的 bean 定义，然后为每一个找到的 bean 定义创建实例（如果这个 bean 定义还没有对应的实例），并注入相应的依赖。

运行结果：

三个 Kid 的 Plaything bean 是相同的，说明默认情况下 Plaything 是一个单例 bean，整个 Spring 应用中只有一个 Plaything bean 被创建。

为什么会有 3 个 kid？

1. Kid: 这个是通过在 Kid 类上标注的 @Component 注解自动创建的。Spring 在扫描时发现这个注解，就会自动在 IOC 容器中注册这个 bean。这个 Bean 的名字默认是将类名的首字母小写 kid。

2. kid1: 在 BeanScopeConfiguration 中定义，通过 kid1 (Plaything plaything1) 方法创建，并且注入了 plaything1。

3. kid2: 在 BeanScopeConfiguration 中定义，通过 kid2 (Plaything plaything2) 方法创建，并且注入了 plaything2。

2.2 singleton 作用域线程安全问题

需要注意的是，虽然 singleton Bean 只会有一个实例，但 Spring 并不会解决其线程安全问题，开发者需要根据实际场景自行处理。

我们通过一个代码示例来说明在多线程环境中出现 singleton Bean 的线程安全问题。

首先，我们创建一个名为 Counter 的 singleton Bean，这个 Bean 有一个 count 变量，提供 increment 方法来增加 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，我们创建一个名为 CounterService 的 singleton Bean，这个 Bean 依赖于 Counter，在 increaseCount 方法中，我们调用 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();
 }
}

我们在多线程环境中调用 counterService.increaseCount 方法时，就可能出现线程安全问题。因为 counter.increment 方法并非线程安全，多个线程同时调用此方法可能会导致 count 值出现预期外的结果。

要解决这个问题，我们需要使 counter.increment 方法线程安全。

这里可以使用原子变量，在 Counter 类中，我们可以使用 AtomicInteger 来代替 int 类型的 count，因为 AtomicInteger 类中的方法是线程安全的，且其性能通常优于 synchronized 关键字。

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();
 }
}

尽管优化后已经使 Counter 类线程安全，但在设计 Bean 时，我们应该尽可能地减少可变状态。这是因为可变状态使得并发编程变得复杂，而无状态的 Bean 通常更容易理解和测试。

什么是无状态的 Bean 呢？ 如果一个 Bean 不持有任何状态信息，也就是说，同样的输入总是会得到同样的输出，那么这个 Bean 就是无状态的。反之，则是有状态的 Bean。

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3. prototype 作用域

3.1 prototype 作用域的定义和用途

在 prototype 作用域中，Spring 容器会为每个请求创建一个新的 bean 实例。

例如，我们定义一个名为 Plaything 的类，并将其作用域设置为 prototype：

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 ...");
 }
}

在这个例子中，Plaything 是一个 prototype 作用域的 bean。每次我们请求这个 bean，Spring 都会创建一个新的 Plaything 实例。

我们只需要修改上面的 Plaything 类，其他的类不用动。

打印结果：

这个 @Scope (BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE) 可以写成 @Scope ("prototype")，按照规范，还是利用已有的常量比较好。

3.2 prototype 作用域在开发中的例子

以我个人来说，我在 excel 多线程上传的时候用到过这个，当时是 EasyExcel 框架，我给一部分关键代码展示一下如何在 Spring 中使用 prototype 作用域来处理多线程环境下的任务（实际业务会更复杂），大家可以对比，如果用 prototype 作用域和使用 new 对象的形式在实际开发中有什么区别。

使用 prototype 作用域的例子

@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<UserDataUploadVO>(dataList ->{
......
// 多线程处理上传excel数据
Future<?> future = es.submit(context.getBean(AsyncUploadHandler.class, user, dataList, errorCount));
......
})).sheet().doRead();
......
}

AsyncUploadHandler.java

@Component
@Scope(BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE)
public class AsyncUploadHandler implements Runnable {
private User user;
 
private List<UserDataUploadVO> dataList;
 
private AtomicInteger errorCount;
 
@Resource
private RedisService redisService;
 
......
 
@Resource
private CompanyManagementMapper companyManagementMapper;
public AsyncUploadHandler(user, List<UserDataUploadVO> dataList, AtomicInteger errorCount) {
this.user = user;
this.dataList = dataList;
this.errorCount = errorCount;
}
@Override
public void run() {
......
}
 
......
}

AsyncUploadHandler 类是一个 prototype 作用域的 bean，它被用来处理上传的 Excel 数据。由于并发上传的每个任务可能需要处理不同的数据，并且可能需要在不同的用户上下文中执行，因此每个任务都需要有自己的 AsyncUploadHandler bean。这就是为什么需要将 AsyncUploadHandler 定义为 prototype 作用域的原因。

由于 AsyncUploadHandler 是由 Spring 管理的，我们可以直接使用 @Resource 注解来注入其他的 bean，例如 RedisService 和 CompanyManagementMapper。

把 AsyncUploadHandler 交给 Spring 容器管理，里面依赖的容器对象可以直接用 @Resource 注解注入。如果采用 new 出来的对象，那么这些对象只能从外面注入好了再传入进去。

不使用 prototype 作用域改用 new 对象的例子

@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<UserDataUploadVO>(dataList ->{
......
// 多线程处理上传excel数据
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<UserDataUploadVO> dataList;
 
private AtomicInteger errorCount;
 
private RedisService redisService;
 
private CompanyManagementMapper companyManagementMapper;
 
......
public AsyncUploadHandler(user, List<UserDataUploadVO> 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 对象，则需要手动传入所有的依赖，这会使代码变得更复杂更难以管理，而且还需要手动管理 AsyncUploadHandler 的生命周期。

4. request 作用域（了解）

request 作用域：Bean 在一个 HTTP 请求内有效。当请求开始时，Spring 容器会为每个新的 HTTP 请求创建一个新的 Bean 实例，这个 Bean 在当前 HTTP 请求内是有效的，请求结束后，Bean 就会被销毁。如果在同一个请求中多次获取该 Bean，就会得到同一个实例，但是在不同的请求中获取的实例将会不同。

@Component
@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_REQUEST, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class RequestScopedBean {
 // 在一次Http请求内共享的数据
 private String requestData;
 public void setRequestData(String requestData) {
 this.requestData = requestData;
 }
 public String getRequestData() {
 return this.requestData;
 }
}

上述 Bean 在一个 HTTP 请求的生命周期内是一个单例，每个新的 HTTP 请求都会创建一个新的 Bean 实例。

5. session 作用域（了解）

session 作用域：Bean 是在同一个 HTTP 会话（Session）中是单例的。也就是说，从用户登录开始，到用户退出登录（或者 Session 超时）结束，这个过程中，不管用户进行了多少次 HTTP 请求，只要是在同一个会话中，都会使用同一个 Bean 实例。

@Component
@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_SESSION, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class SessionScopedBean {
 // 在一个Http会话内共享的数据
 private String sessionData;
 public void setSessionData(String sessionData) {
 this.sessionData = sessionData;
 }
 public String getSessionData() {
 return this.sessionData;
 }
}

这样的设计对于存储和管理会话级别的数据非常有用，例如用户的登录信息、购物车信息等。因为它们是在同一个会话中保持一致的，所以使用 session 作用域的 Bean 可以很好地解决这个问题。

但是实际开发中没人这么干，会话 id 都会存在数据库，根据会话 id 就能在各种表中获取数据，避免频繁查库也是把关键信息序列化后存在 Redis。

6. application 作用域（了解）

application 作用域：在整个 Web 应用的生命周期内，Spring 容器只会创建一个 Bean 实例。这个 Bean 在 Web 应用的生命周期内都是有效的，当 Web 应用停止后，Bean 就会被销毁。

@Component
@Scope(value = WebApplicationContext.SCOPE_APPLICATION, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class ApplicationScopedBean {
 // 在整个Web应用的生命周期内共享的数据
 private String applicationData;
 public void setApplicationData(String applicationData) {
 this.applicationData = applicationData;
 }
 public String getApplicationData() {
 return this.applicationData;
 }
}

如果在一个 application 作用域的 Bean 上调用 setter 方法，那么这个变更将对所有用户和会话可见。后续对这个 Bean 的所有调用（包括 getter 和 setter）都将影响到同一个 Bean 实例，后面的调用会覆盖前面的状态。

7. websocket 作用域（了解）

websocket 作用域：Bean 在每一个新的 WebSocket 会话中都会被创建一次，就像 session 作用域的 Bean 在每一个 HTTP 会话中都会被创建一次一样。这个 Bean 在整个 WebSocket 会话内都是有效的，当 WebSocket 会话结束后，Bean 就会被销毁。

@Component
@Scope(value = "websocket", proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class WebSocketScopedBean {
 // 在一个WebSocket会话内共享的数据
 private String socketData;
 public void setSocketData(String socketData) {
 this.socketData = socketData;
 }
 public String getSocketData() {
 return this.socketData;
 }
}

上述 Bean 在一个 WebSocket 会话的生命周期内是一个单例，每个新的 WebSocket 会话都会创建一个新的 Bean 实例。

这个作用域需要 Spring Websocket 模块支持，并且应用需要配置为使用 websocket。