淺談珂朵莉樹

阿新 • • 發佈：2020-07-16

生命太短暫，不要去做一些根本沒有人想要的東西。本文已被 https://www.yourbatman.cn 收錄，裡面一併有Spring技術棧、MyBatis、JVM、中介軟體等小而美的專欄供以免費學習。關注公眾號【BAT的烏托邦】逐個擊破，深入掌握，拒絕淺嘗輒止。

前言
- 版本約定
正文
總結

前言

各位小夥伴大家好，我是A哥。通過本專欄前兩篇的學習，相信你對static關鍵字在Spring/Spring Boot裡的應用有了全新的認識，能夠解釋工作中遇到的大多數問題/疑問了。本文繼續來聊聊static關鍵字更為常見的一種case：使用@Autowired

依賴注入靜態成員(屬性)。

在Java中，針對static靜態成員，我們有一些最基本的常識：靜態變數（成員）它是屬於類的，而非屬於例項物件的屬性；同樣的靜態方法也是屬於類的，普通方法（例項方法）才屬於物件。而Spring容器管理的都是例項物件，包括它的@Autowired依賴注入的均是容器內的物件例項，所以對於static成員是不能直接使用@Autowired注入的。

這很容易理解：類成員的初始化較早，並不需要依賴例項的建立，所以這個時候Spring容器可能都還沒“出生”，談何依賴注入呢？

這個示例，你或許似曾相識：

@Component
public class SonHolder {

    @Autowired
    private static Son son;

    public static Son getSon() {
        return son;
    }
}

然後“正常使用”這個元件：

@Autowired
private SonHolder sonHolder;

@Transaction
public void method1(){
	...
	sonHolder.getSon().toString();
}

執行程式，結果拋錯：

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
	...

很明顯，getSon()得到的是一個null，所以給你扔了個NPE。

版本約定

本文內容若沒做特殊說明，均基於以下版本：

JDK：1.8
Spring Framework：5.2.2.RELEASE

正文

說起@Autowired註解的作用，沒有人不熟悉，自動裝配嘛。根據此註解的定義，它似乎能使用在很多地方：

@Target({ElementType.CONSTRUCTOR, ElementType.METHOD, 
	ElementType.PARAMETER, ElementType.FIELD, ElementType.ANNOTATION_TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface Autowired {
	boolean required() default true;
}

本文我們重點關注它使用在FIELD成員屬性上的case，標註在static靜態屬性上是本文討論的中心。

說明：雖然Spring官方現在並不推薦欄位/屬性注入的方式，但它的便捷性仍無可取代，因此在做業務開發時它仍舊是主流的使用方式

場景描述

假如有這樣一個場景需求：建立一個教室(Room)，需要傳入一批學生和一個老師，此時我需要對這些使用者按照規則（如名字中含有test字樣的示為測試帳號）進行資料合法性校驗和過濾，然後才能正常走建立邏輯。此case還有以下特點：

使用者名稱字/詳細資訊，需要遠端呼叫（如FeignClient方式）從UC中心獲取
- 因此很需要做橋接，提供防腐層
該過濾規則功能性很強，工程內很多地方都有用到
- 有點工具的意思有木有

閱讀完“題目”感覺還是蠻簡單的，很normal的一個業務需求case嘛，下面我來模擬一下它的實現。

從UC使用者中心獲取使用者資料（使用本地資料模擬遠端訪問）：

/**
 * 模擬去遠端使用者中心，根據ids批量獲取使用者資料
 *
 * @author yourbatman
 * @date 2020/6/5 7:16
 */
@Component
public class UCClient {

    /**
     * 模擬遠端呼叫的結果返回（有正常的，也有測試資料）
     */
    public List<User> getByIds(List<Long> userIds) {
        return userIds.stream().map(uId -> {
            User user = new User();
            user.setId(uId);
            user.setName("YourBatman");
            if (uId % 2 == 0) {
                user.setName(user.getName() + "_test");
            }
            return user;
        }).collect(Collectors.toList());
    }

}

說明：實際情況這裡可能只是一個@FeignClient介面而已，本例就使用它mock嘍

因為過濾測試使用者的功能過於通用，並且規則也需要收口，須對它進行封裝，因此有了我們的內部幫助類UserHelper：

/**
 * 工具方法：根據使用者ids，按照一定的規則過濾掉測試使用者後返回結果
 *
 * @author yourbatman
 * @date 2020/6/5 7:43
 */
@Component
public class UserHelper {

    @Autowired
    UCClient ucClient;

    public List<User> getAndFilterTest(List<Long> userIds) {
        List<User> users = ucClient.getByIds(userIds);
        return users.stream().filter(u -> {
            Long id = u.getId();
            String name = u.getName();
            if (name.contains("test")) {
                System.out.printf("id=%s name=%s是測試使用者，已過濾\n", id, name);
                return false;
            }
            return true;
        }).collect(Collectors.toList());
    }

}

很明顯，它內部需依賴於UCClient這個遠端呼叫的結果。封裝好後，我們的業務Service層任何元件就可以盡情的“享用”該工具啦，形如這樣：

/**
 * 業務服務：教室服務
 *
 * @author yourbatman
 * @date 2020/6/5 7:29
 */
@Service
public class RoomService {

    @Autowired
    UserHelper userHelper;

    public void create(List<Long> studentIds, Long teacherId) {
        // 因為學生和老師統稱為user 所以可以放在一起校驗
        List<Long> userIds = new ArrayList<>(studentIds);
        userIds.add(teacherId);
        List<User> users = userHelper.getAndFilterTest(userIds);

        // ...  排除掉測試資料後，執行建立邏輯
        System.out.println("教室建立成功");
    }

}

書寫個測試程式來模擬Service業務呼叫：

@ComponentScan
public class DemoTest {

    public static void main(String[] args) {
        ApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(DemoTest.class);

        // 模擬介面呼叫/單元測試
        RoomService roomService = context.getBean(RoomService.class);
        roomService.create(Arrays.asList(1L, 2L, 3L, 4L, 5L, 6L), 101L);
    }
}

執行程式，結果輸出：

id=2 name=YourBatman_test是測試使用者，已過濾
id=4 name=YourBatman_test是測試使用者，已過濾
id=6 name=YourBatman_test是測試使用者，已過濾
教室建立成功

一切都這麼美好，相安無事的，那為何還會有本文指出的問題存在呢？正所謂“不作死不會死”，總有那麼一些“追求極致”的選手就喜歡玩花，下面姑且讓我猜猜你為何想要依賴注入static成員屬性呢？

幫你猜猜你為何有如此需求？

從上面示例類的命名中，我或許能猜出你的用意。UserHelper它被命名為一個工具類，而一般我們對工具類的理解是：

方法均為static工具方法
使用越便捷越好
1. 很明顯，static方法使用是最便捷的嘛

現狀是：使用UserHelper去處理使用者資訊還得先@Autowired注入它的例項，實屬不便。因此你想方設法的想把getAndFilterTest()這個方法變為靜態方法，這樣通過類名便可直接呼叫而並不再依賴於注入UserHelper例項了，so你想當然的這麼“優化”：

@Component
public class UserHelper {

    @Autowired
    static UCClient ucClient;
    
	public static List<User> getAndFilterTest(List<Long> userIds) {
		... // 處理邏輯完全同上
	}
}

屬性和方法都新增上static修飾，這樣使用方通過類名便可直接訪問（無需注入）：

@Service
public class RoomService {

	public void create(List<Long> studentIds, Long teacherId) {
		...
		// 通過類名直接呼叫其靜態方法
		List<User> users = UserHelper.getAndFilterTest(userIds);
		...
	}
}

執行程式，結果輸出：

07:22:49.359 [main] INFO org.springframework.beans.factory.annotation.AutowiredAnnotationBeanPostProcessor - Autowired annotation is not supported on static fields: static cn.yourbatman.temp.component.UCClient cn.yourbatman.temp.component.UserHelper.ucClient
07:22:49.359 [main] INFO org.springframework.beans.factory.annotation.AutowiredAnnotationBeanPostProcessor - Autowired annotation is not supported on static fields: static cn.yourbatman.temp.component.UCClient cn.yourbatman.temp.component.UserHelper.ucClient
...
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
	at cn.yourbatman.temp.component.UserHelper.getAndFilterTest(UserHelper.java:23)
	at cn.yourbatman.temp.component.RoomService.create(RoomService.java:26)
	at cn.yourbatman.temp.DemoTest.main(DemoTest.java:19)

以為天衣無縫，可結果並不完美，拋異常了。我特意多貼上了兩句info日誌，它們告訴了你為何丟擲NPE異常的原因：@Autowired不支援標註在static欄位/屬性上。

為什麼@Autowired不能注入static成員屬性

靜態變數是屬於類本身的資訊，當類載入器載入靜態變數時，Spring的上下文環境還沒有被載入，所以不可能為靜態變數繫結值（這只是最表象原因，並不準確）。同時，Spring也不鼓勵為靜態變數注入值（言外之意：並不是不能注入），因為它認為這會增加了耦合度，對測試不友好。

這些都是表象，那麼實際上Spring是如何“操作”的呢？我們沿著AutowiredAnnotationBeanPostProcessor輸出的這句info日誌，倒著找原因，這句日誌的輸出在這：

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor：

// 構建@Autowired注入元資料方法
// 簡單的說就是找到該Class類下有哪些是需要做依賴注入的
private InjectionMetadata buildAutowiringMetadata(final Class<?> clazz) {
	...
	// 迴圈遞迴，因為父類的也要管上
	do {
		// 遍歷所有的欄位（包括靜態欄位）
		ReflectionUtils.doWithLocalFields(targetClass, field -> {
			if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
				logger.info("Autowired annotation is not supported on static fields: " + field);
			}
			return;
			...
		});
		// 遍歷所有的方法（包括靜態方法）
		ReflectionUtils.doWithLocalMethods(targetClass, method -> {
			if (Modifier.isStatic(method.getModifiers())) {
				logger.info("Autowired annotation is not supported on static methods: " + method);
			}
			return;
			...
		});
		...
		targetClass = targetClass.getSuperclass();
	} while (targetClass != null && targetClass != Object.class);
	...
}

這幾句程式碼道出了Spring為何不給static靜態欄位/靜態方法執行@Autowired注入的最真實原因：掃描Class類需要注入的元資料的時候，直接選擇忽略掉了static成員（包括屬性和方法）。

那麼這個處理的入口在哪兒呢？是否在這個階段時Spring真的無法給static成員完成賦值而選擇忽略掉它呢，我們繼續最終此方法的呼叫處。此方法唯一呼叫處是findAutowiringMetadata()方法，而它被呼叫的地方有三個：

呼叫處一：執行時機較早，在MergedBeanDefinitionPostProcessor處理bd合併期間就會解析出需要注入的元資料，然後做check。它會作用於每個bd身上，所以上例中的2句info日誌第一句就是從這輸出的

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor：

@Override
public void postProcessMergedBeanDefinition(RootBeanDefinition beanDefinition, Class<?> beanType, String beanName) {
	InjectionMetadata metadata = findAutowiringMetadata(beanName, beanType, null);
	metadata.checkConfigMembers(beanDefinition);
}

呼叫處二：在InstantiationAwareBeanPostProcessor也就是例項建立好後，給屬性賦值階段（也就是populateBean()階段）執行。所以它也是會作用於每個bd的，上例中2句info日誌的第二句就是從這輸出的

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor：

@Override
public PropertyValues postProcessProperties(PropertyValues pvs, Object bean, String beanName) {
	InjectionMetadata metadata = findAutowiringMetadata(beanName, bean.getClass(), pvs);
	try {
		metadata.inject(bean, beanName, pvs);
	}
	...
	return pvs;
}

呼叫處三：這個方法比較特殊，它表示對於帶有任意目標例項（已經不僅是Class，而是例項本身）直接呼叫的“本地”處理方法實行注入。這是Spring提供給“外部”使用/注入的一個public公共方法，比如給容器外的例項注入屬性，還是比較實用的，本文下面會介紹它的使用辦法

說明：此方法Spring自己並不會主動呼叫，所以不會自動輸出日誌（這也是為何呼叫處有3處，但日誌只有2條的原因）

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor：

public void processInjection(Object bean) throws BeanCreationException {
	Class<?> clazz = bean.getClass();
	InjectionMetadata metadata = findAutowiringMetadata(clazz.getName(), clazz, null);
	try {
		metadata.inject(bean, null, null);
	}
	...
}

通過這部分原始碼，從底層詮釋了Spring為何不讓你@Autowired注入static成員的原因。既然這樣，難道就沒有辦法滿足我的“訴求”了嗎？答案是有的，接著往下看。

間接實現static成員注入的N種方式

雖然Spring會忽略掉你直接使用@Autowired + static成員注入，但還是有很多方法來繞過這些限制，實現對靜態變數注入值。下面A哥介紹2種方式，供以參考：

方式一：以set方法作為跳板，在裡面實現對static靜態成員的賦值

@Component
public class UserHelper {

    static UCClient ucClient;

    @Autowired
    public void setUcClient(UCClient ucClient) {
        UserHelper.ucClient = ucClient;
    }
}

方式二：使用@PostConstruct註解，在裡面為static靜態成員賦值

@Component
public class UserHelper {

    static UCClient ucClient;

    @Autowired
    ApplicationContext applicationContext;
    @PostConstruct
    public void init() {
        UserHelper.ucClient = applicationContext.getBean(UCClient.class);
    }
}

雖然稱作是2種方式，但其實我認為思想只是一個：延遲為static成員屬性賦值。因此，基於此思想確切的說會有N種實現方案（只需要保證你在使用它之前給其賦值上即可），各位可自行思考，A哥就沒必要一一舉例了。

高階實現方式

作為福利，A哥在這裡提供一種更為高（zhuang）級（bi）的實現方式供以你學習和參考：

@Component
public class AutowireStaticSmartInitializingSingleton implements SmartInitializingSingleton {

    @Autowired
    private AutowireCapableBeanFactory beanFactory;

    /**
     * 當所有的單例Bena初始化完成後，對static靜態成員進行賦值
     */
    @Override
    public void afterSingletonsInstantiated() {
        // 因為是給static靜態屬性賦值，因此這裡new一個例項做注入是可行的
        beanFactory.autowireBean(new UserHelper());
    }
}

UserHelper類不再需要標註@Component註解，也就是說它不再需要被Spirng容器管理（static工具類確實不需要交給容器管理嘛，畢竟我們不需要用到它的例項），這從某種程度上也是節約開銷的表現。

public class UserHelper {

    @Autowired
    static UCClient ucClient;
    ...
}

執行程式，結果輸出：

08:50:15.765 [main] INFO org.springframework.beans.factory.annotation.AutowiredAnnotationBeanPostProcessor - Autowired annotation is not supported on static fields: static cn.yourbatman.temp.component.UCClient cn.yourbatman.temp.component.UserHelper.ucClient
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
	at cn.yourbatman.temp.component.UserHelper.getAndFilterTest(UserHelper.java:26)
	at cn.yourbatman.temp.component.RoomService.create(RoomService.java:26)
	at cn.yourbatman.temp.DemoTest.main(DemoTest.java:19)

報錯。當然嘍，這是我故意的，雖然拋異常了，但是看到我們的進步了沒：info日誌只打印一句了（自行想想啥原因哈）。不賣關子了，正確的姿勢還得這麼寫：

public class UserHelper {

    static UCClient ucClient;
    @Autowired
    public void setUcClient(UCClient ucClient) {
        UserHelper.ucClient = ucClient;
    }
}

再次執行程式，一切正常（info日誌也不會輸出嘍）。這麼處理的好處我覺得有如下三點：

手動管理這種case的依賴注入，更可控。而非交給Spring容器去自動處理
工具類本身並不需要加入到Spring容器內，這對於有大量這種case的話，是可以節約開銷的
略顯高階，裝x神器（可別小看裝x，這是個中意詞，你的加薪往往來來自於裝x成功）

當然，你也可以這麼玩：

@Component
public class AutowireStaticSmartInitializingSingleton implements SmartInitializingSingleton {

    @Autowired
    private AutowiredAnnotationBeanPostProcessor autowiredAnnotationBeanPostProcessor;
    @Override
    public void afterSingletonsInstantiated() {
        autowiredAnnotationBeanPostProcessor.processInjection(new UserHelper());
    }
}

依舊可以正常work。這不正是上面介紹的呼叫處三麼，馬上就學以致用了有木有，開心吧

淺談珂朵莉樹

前言

版本約定

正文

場景描述

幫你猜猜你為何有如此需求？

為什麼@Autowired不能注入static成員屬性

間接實現static成員注入的N種方式

高階實現方式

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為什麼@Autowired不能注入static成員屬性

間接實現static成員注入的N種方式

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