Spring中异步注解@Async的使用原理及使用时可能导致的问题

Posted 2020-12-18

前言

其实最近都在研究事务相关的内容，之所以写这么一篇文章是因为前面写了一篇关于循环依赖的文章：

《面试必杀技，讲一讲Spring中的循环依赖》

然后，很多同学碰到了下面这个问题，添加了Spring提供的一个异步注解@Async循环依赖无法被解决了，下面是一些读者的留言跟群里同学碰到的问题：

本着讲一个知识点就要讲明白、讲透彻的原则，我决定单独写一篇这样的文章对@Async这个注解做一下详细的介绍，这个注解带来的问题远远不止循环依赖这么简单，如果对它不够熟悉的话建议慎用。

文章要点

@Async的基本使用

这个注解的作用在于可以让被标注的方法异步执行，但是有两个前提条件

1. 配置类上添加@EnableAsync注解
2. 需要异步执行的方法的所在类由Spring管理
3. 需要异步执行的方法上添加了@Async注解

我们通过一个Demo体会下这个注解的作用吧

第一步，配置类上开启异步：

@EnableAsync
@Configuration
@ComponentScan("com.dmz.spring.async")
public class Config {

}

第二步，

@Component  // 这个类本身要被Spring管理
public class DmzAsyncService {
    
	@Async  // 添加注解表示这个方法要异步执行
	public void testAsync(){
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("testAsync invoked");
	}
}

第三步，测试异步执行

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		AnnotationConfigApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(Config.class);
		DmzAsyncService bean = ac.getBean(DmzAsyncService.class);
		bean.testAsync();
		System.out.println("main函数执行完成");
	}
}
// 程序执行结果如下：
// main函数执行完成
// testAsync invoked

通过上面的例子我们可以发现，DmzAsyncService中的testAsync方法是异步执行的，那么这背后的原理是什么呢？我们接着分析

原理分析

我们在分析某一个技术的时候，最重要的事情是，一定一定要找到代码的入口，像Spring这种都很明显，入口必定是在@EnableAsync这个注解上面，我们来看看这个注解干了啥事（本文基于5.2.x版本）

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
// 这里是重点，导入了一个ImportSelector
@Import(AsyncConfigurationSelector.class)
public @interface EnableAsync {
    
    // 这个配置可以让程序员配置需要被检查的注解，默认情况下检查的就是@Async注解
	Class<? extends Annotation> annotation() default Annotation.class;
	
    // 默认使用jdk代理
	boolean proxyTargetClass() default false;
	
    // 默认使用Spring AOP
	AdviceMode mode() default AdviceMode.PROXY;
	
    // 在后续分析我们会发现，这个注解实际往容器中添加了一个
    // AsyncAnnotationBeanPostProcessor，这个后置处理器实现了Ordered接口
    // 这个配置主要代表了AsyncAnnotationBeanPostProcessor执行的顺序
	int order() default Ordered.LOWEST_PRECEDENCE;
}

上面这个注解做的最重要的事情就是导入了一个AsyncConfigurationSelector，这个类的源码如下：

public class AsyncConfigurationSelector extends AdviceModeImportSelector<EnableAsync> {

	private static final String ASYNC_EXECUTION_ASPECT_CONFIGURATION_CLASS_NAME =
			"org.springframework.scheduling.aspectj.AspectJAsyncConfiguration";

	@Override
	@Nullable
	public String[] selectImports(AdviceMode adviceMode) {
		switch (adviceMode) {
                // 默认会使用SpringAOP进行代理
			case PROXY:
				return new String[] {ProxyAsyncConfiguration.class.getName()};
			case ASPECTJ:
				return new String[] {ASYNC_EXECUTION_ASPECT_CONFIGURATION_CLASS_NAME};
			default:
				return null;
		}
	}

}

这个类的作用是像容器中注册了一个ProxyAsyncConfiguration，这个类的继承关系如下：

我们先看下它的父类AbstractAsyncConfiguration，其源码如下：

@Configuration
public abstract class AbstractAsyncConfiguration implements ImportAware {
	
	@Nullable
	protected AnnotationAttributes enableAsync;

	@Nullable
	protected Supplier<Executor> executor;

	@Nullable
	protected Supplier<AsyncUncaughtExceptionHandler> exceptionHandler;
	
    // 这里主要就是检查将其导入的类上是否有EnableAsync注解
    // 如果没有的话就报错
	@Override
	public void setImportMetadata(AnnotationMetadata importMetadata) {
		this.enableAsync = AnnotationAttributes.fromMap(
				importMetadata.getAnnotationAttributes(EnableAsync.class.getName(), false));
		if (this.enableAsync == null) {
			throw new IllegalArgumentException(
					"@EnableAsync is not present on importing class " + importMetadata.getClassName());
		}
	}
    
    // 将容器中配置的AsyncConfigurer注入
    // 异步执行嘛，所以我们可以配置使用的线程池
    // 另外也可以配置异常处理器
	@Autowired(required = false)
	void setConfigurers(Collection<AsyncConfigurer> configurers) {
		if (CollectionUtils.isEmpty(configurers)) {
			return;
		}
		if (configurers.size() > 1) {
			throw new IllegalStateException("Only one AsyncConfigurer may exist");
		}
		AsyncConfigurer configurer = configurers.iterator().next();
		this.executor = configurer::getAsyncExecutor;
		this.exceptionHandler = configurer::getAsyncUncaughtExceptionHandler;
	}

}

再来看看ProxyAsyncConfiguration这个类的源码

@Configuration
@Role(BeanDefinition.ROLE_INFRASTRUCTURE)
public class ProxyAsyncConfiguration extends AbstractAsyncConfiguration {

	@Bean(name = TaskManagementConfigUtils.ASYNC_ANNOTATION_PROCESSOR_BEAN_NAME)
	@Role(BeanDefinition.ROLE_INFRASTRUCTURE)
	public AsyncAnnotationBeanPostProcessor asyncAdvisor() {
		AsyncAnnotationBeanPostProcessor bpp = new AsyncAnnotationBeanPostProcessor();
        // 将通过AsyncConfigurer配置好的线程池跟异常处理器设置到这个后置处理器中
        bpp.configure(this.executor, this.exceptionHandler);
		Class<? extends Annotation> customAsyncAnnotation = this.enableAsync.getClass("annotation");
		if (customAsyncAnnotation != AnnotationUtils.getDefaultValue(EnableAsync.class, "annotation")) {
			bpp.setAsyncAnnotationType(customAsyncAnnotation);
		}
		bpp.setProxyTargetClass(this.enableAsync.getBoolean("proxyTargetClass"));
		bpp.setOrder(this.enableAsync.<Integer>getNumber("order"));
		return bpp;
	}

}

这个类本身是一个配置类，它的作用是向容器中添加一个AsyncAnnotationBeanPostProcessor。到这一步我们基本上就可以明白了，@Async注解的就是通过AsyncAnnotationBeanPostProcessor这个后置处理器生成一个代理对象来实现异步的，接下来我们就具体看看AsyncAnnotationBeanPostProcessor是如何生成代理对象的，我们主要关注一下几点即可：

1. 是在生命周期的哪一步完成的代理？
2. 切点的逻辑是怎么样的？它会对什么样的类进行拦截？
3. 通知的逻辑是怎么样的？是如何实现异步的？

基于上面几个问题，我们进行逐一分析

是在生命周期的哪一步完成的代理？

我们抓住重点，AsyncAnnotationBeanPostProcessor是一个后置处理器器，按照我们对Spring的了解，大概率是在这个后置处理器的postProcessAfterInitialization方法中完成了代理，直接定位到这个方法，这个方法位于父类AbstractAdvisingBeanPostProcessor中，具体代码如下：

public Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName) {
    // 没有通知，或者是AOP的基础设施类，那么不进行代理
    if (this.advisor == null || bean instanceof AopInfrastructureBean) {
        return bean;
    }
	
    // 对已经被代理的类，不再生成代理，只是将通知添加到代理类的逻辑中
    // 这里通过beforeExistingAdvisors决定是将通知添加到所有通知之前还是添加到所有通知之后
    // 在使用@Async注解的时候，beforeExistingAdvisors被设置成了true
    // 意味着整个方法及其拦截逻辑都会异步执行
    if (bean instanceof Advised) {
        Advised advised = (Advised) bean;
        if (!advised.isFrozen() && isEligible(AopUtils.getTargetClass(bean))) {
            if (this.beforeExistingAdvisors) {
                advised.addAdvisor(0, this.advisor);
            }
            else {
                advised.addAdvisor(this.advisor);
            }
            return bean;
        }
    }
	
    // 判断需要对哪些Bean进行来代理
    if (isEligible(bean, beanName)) {
        ProxyFactory proxyFactory = prepareProxyFactory(bean, beanName);
        if (!proxyFactory.isProxyTargetClass()) {
            evaluateProxyInterfaces(bean.getClass(), proxyFactory);
        }
        proxyFactory.addAdvisor(this.advisor);
        customizeProxyFactory(proxyFactory);
        return proxyFactory.getProxy(getProxyClassLoader());
    }
    return bean;
}

果不其然，确实是在这个方法中完成的代理。接着我们就要思考，切点的过滤规则是什么呢？

切点的逻辑是怎么样的？

其实也不难猜到肯定就是类上添加了@Async注解或者类中含有被@Async注解修饰的方法。基于此，我们看看这个isEligible这个方法的实现逻辑，这个方位位于AbstractBeanFactoryAwareAdvisingPostProcessor中，也是AsyncAnnotationBeanPostProcessor的父类，对应代码如下：

// AbstractBeanFactoryAwareAdvisingPostProcessor的isEligible方法
// 调用了父类
protected boolean isEligible(Object bean, String beanName) {
    return (!AutoProxyUtils.isOriginalInstance(beanName, bean.getClass()) &&
            super.isEligible(bean, beanName));
}

protected boolean isEligible(Object bean, String beanName) {
    return isEligible(bean.getClass());
}

protected boolean isEligible(Class<?> targetClass) {
    Boolean eligible = this.eligibleBeans.get(targetClass);
    if (eligible != null) {
        return eligible;
    }
    if (this.advisor == null) {
        return false;
    }
    // 这里完成的判断
    eligible = AopUtils.canApply(this.advisor, targetClass);
    this.eligibleBeans.put(targetClass, eligible);
    return eligible;
}

实际上最后就是根据advisor来确定是否要进行代理，在Spring中AOP相关的API及源码解析，原来AOP是这样子的这篇文章中我们提到过，advisor实际就是一个绑定了切点的通知，那么AsyncAnnotationBeanPostProcessor这个advisor是什么时候被初始化的呢？我们直接定位到AsyncAnnotationBeanPostProcessor的setBeanFactory方法，其源码如下：

public void setBeanFactory(BeanFactory beanFactory) {
    super.setBeanFactory(beanFactory);
	
    // 在这里new了一个AsyncAnnotationAdvisor
    AsyncAnnotationAdvisor advisor = new AsyncAnnotationAdvisor(this.executor, this.exceptionHandler);
    if (this.asyncAnnotationType != null) {
        advisor.setAsyncAnnotationType(this.asyncAnnotationType);
    }
    advisor.setBeanFactory(beanFactory);
    // 完成了初始化
    this.advisor = advisor;
}

我们来看看AsyncAnnotationAdvisor中的切点匹配规程是怎么样的，直接定位到这个类的buildPointcut方法中，其源码如下：

protected Pointcut buildPointcut(Set<Class<? extends Annotation>> asyncAnnotationTypes) {
    ComposablePointcut result = null;
    for (Class<? extends Annotation> asyncAnnotationType : asyncAnnotationTypes) {
        // 就是根据这两个匹配器进行匹配的
        Pointcut cpc = new AnnotationMatchingPointcut(asyncAnnotationType, true);
        Pointcut mpc = new AnnotationMatchingPointcut(null, asyncAnnotationType, true);
        if (result == null) {
            result = new ComposablePointcut(cpc);
        }
        else {
            result.union(cpc);
        }
        result = result.union(mpc);
    }
    return (result != null ? result : Pointcut.TRUE);
}

代码很简单，就是根据cpc跟mpc两个匹配器来进行匹配的，第一个是检查类上是否有@Async注解，第二个是检查方法是是否有@Async注解。

那么，到现在为止，我们已经知道了它在何时创建代理，会为什么对象创建代理，最后我们还需要解决一个问题，代理的逻辑是怎么样的，异步到底是如何实现的？

通知的逻辑是怎么样的？是如何实现异步的？

前面也提到了advisor是一个绑定了切点的通知，前面分析了它的切点，那么现在我们就来看看它的通知逻辑，直接定位到AsyncAnnotationAdvisor中的buildAdvice方法，源码如下：

protected Advice buildAdvice(
    @Nullable Supplier<Executor> executor, @Nullable Supplier<AsyncUncaughtExceptionHandler> exceptionHandler) {

    AnnotationAsyncExecutionInterceptor interceptor = new AnnotationAsyncExecutionInterceptor(null);
    interceptor.configure(executor, exceptionHandler);
    return interceptor;
}

简单吧，加了一个拦截器而已，对于interceptor类型的对象，我们关注它的核心方法invoke就行了，代码如下：

public Object invoke(final MethodInvocation invocation) throws Throwable {
    Class<?> targetClass = (invocation.getThis() != null ? AopUtils.getTargetClass(invocation.getThis()) : null);
    Method specificMethod = ClassUtils.getMostSpecificMethod(invocation.getMethod(), targetClass);
    final Method userDeclaredMethod = BridgeMethodResolver.findBridgedMethod(specificMethod);
	
    // 异步执行嘛，先获取到一个线程池
    AsyncTaskExecutor executor = determineAsyncExecutor(userDeclaredMethod);
    if (executor == null) {
        throw new IllegalStateException(
            "No executor specified and no default executor set on AsyncExecutionInterceptor either");
    }
	
    // 然后将这个方法封装成一个 Callable对象传入到线程池中执行
    Callable<Object> task = () -> {
        try {
            Object result = invocation.proceed();
            if (result instanceof Future) {
                return ((Future<?>) result).get();
            }
        }
        catch (ExecutionException ex) {
            handleError(ex.getCause(), userDeclaredMethod, invocation.getArguments());
        }
        catch (Throwable ex) {
            handleError(ex, userDeclaredMethod, invocation.getArguments());
        }
        return null;
    };
	// 将任务提交到线程池
    return doSubmit(task, executor, invocation.getMethod().getReturnType());
}

导致的问题及解决方案

问题1：循环依赖报错

就像在这张图里这个读者问的问题，

分为两点回答：

第一：循环依赖为什么不能被解决？

这个问题其实很简单，在《面试必杀技，讲一讲Spring中的循环依赖》这篇文章中我从两个方面分析了循环依赖的处理流程

1. 简单对象间的循环依赖处理
2. AOP对象间的循环依赖处理

按照这种思路，@Async注解导致的循环依赖应该属于AOP对象间的循环依赖,也应该能被处理。但是，重点来了，解决AOP对象间循环依赖的核心方法是三级缓存，如下：

在三级缓存缓存了一个工厂对象，这个工厂对象会调用getEarlyBeanReference方法来获取一个早期的代理对象的引用，其源码如下：

protected Object getEarlyBeanReference(String beanName, RootBeanDefinition mbd, Object bean) {
   Object exposedObject = bean;
   if (!mbd.isSynthetic() && hasInstantiationAwareBeanPostProcessors()) {
      for (BeanPostProcessor bp : getBeanPostProcessors()) {
          // 看到这个判断了吗，通过@EnableAsync导入的后置处理器
          // AsyncAnnotationBeanPostProcessor根本就不是一个SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor
          // 这就意味着即使我们通过AsyncAnnotationBeanPostProcessor创建了一个代理对象
          // 但是早期暴露出去的用于给别的Bean进行注入的那个对象还是原始对象
         if (bp instanceof SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) {
            SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor ibp = (SmartInstantiationAwareBeanPostProcessor) bp;
            exposedObject = ibp.getEarlyBeanReference(exposedObject, beanName);
         }
      }
   }
   return exposedObject;
}

看完上面的代码循环依赖的问题就很明显了，因为早期暴露的对象跟最终放入容器中的对象不是同一个，所以报错了。报错的具体位置我在你知道Spring是怎么将AOP应用到Bean的生命周期中的吗? 文章末尾已经分析过了，本文不再赘述

解决方案

就以上面读者给出的Demo为例，只需要在为B注入A时添加一个@Lazy注解即可

@Component
public class B implements BService {
	
    @Autowired
	@Lazy
	private A a;

	public void doSomething() {
	}
}

这个注解的作用在于，当为B注入A时，会为A生成一个代理对象注入到B中，当真正调用代理对象的方法时，底层会调用getBean(a)去创建A对象，然后调用方法，这个注解的处理时机是在org.springframework.beans.factory.support.DefaultListableBeanFactory#resolveDependency方法中，处理这个注解的代码位于org.springframework.context.annotation.ContextAnnotationAutowireCandidateResolver#buildLazyResolutionProxy，这些代码其实都在我之前的文章中分析过了

《Spring杂谈 | Spring中的AutowireCandidateResolver》

《谈谈Spring中的对象跟Bean，你知道Spring怎么创建对象的吗？》

所以本文不再做详细分析

问题2：默认线程池不会复用线程

我觉得这是这个注解最坑的地方，没有之一！我们来看看它默认使用的线程池是哪个，在前文的源码分析中，我们可以看到决定要使用线程池的方法是org.springframework.aop.interceptor.AsyncExecutionAspectSupport#determineAsyncExecutor。其源码如下：

protected AsyncTaskExecutor determineAsyncExecutor(Method method) {
    AsyncTaskExecutor executor = this.executors.get(method);
    if (executor == null) {
        Executor targetExecutor;
        // 可以在@Async注解中配置线程池的名字
        String qualifier = getExecutorQualifier(method);
        if (StringUtils.hasLength(qualifier)) {
            targetExecutor = findQualifiedExecutor(this.beanFactory, qualifier);
        }
        else {
            // 获取默认的线程池
            targetExecutor = this.defaultExecutor.get();
        }
        if (targetExecutor == null) {
            return null;
        }
        executor = (targetExecutor instanceof AsyncListenableTaskExecutor ?
                    (AsyncListenableTaskExecutor) targetExecutor : new TaskExecutorAdapter(targetExecutor));
        this.executors.put(method, executor);
    }
    return executor;
}

最终会调用到org.springframework.aop.interceptor.AsyncExecutionInterceptor#getDefaultExecutor这个方法中

protected Executor getDefaultExecutor(@Nullable BeanFactory beanFactory) {
   Executor defaultExecutor = super.getDefaultExecutor(beanFactory);
   return (defaultExecutor != null ? defaultExecutor : new SimpleAsyncTaskExecutor());
}

可以看到，它默认使用的线程池是SimpleAsyncTaskExecutor。我们不看这个类的源码，只看它上面的文档注释，如下：

主要说了三点

1. 为每个任务新起一个线程
2. 默认线程数不做限制
3. 不复用线程

就这三点，你还敢用吗？只要你的任务耗时长一点，说不定服务器就给你来个OOM。

解决方案

最好的办法就是使用自定义的线程池，主要有这么几种配置方法

1. 在之前的源码分析中，我们可以知道，可以通过AsyncConfigurer来配置使用的线程池

如下：

public class DmzAsyncConfigurer implements AsyncConfigurer {
   @Override
   public Executor getAsyncExecutor() {
      // 创建自定义的线程池
   }
}

2. 直接在@Async注解中配置要使用的线程池的名称

如下：

public class A implements AService {
	
	private B b;

	@Autowired
	public void setB(B b) {
		System.out.println(b);
		this.b = b;
	}

	@Async("dmzExecutor")
	public void doSomething() {
	}
}

@EnableAsync
@Configuration
@ComponentScan("com.dmz.spring.async")
@Aspect
public class Config {
	@Bean("dmzExecutor")
	public Executor executor(){
		// 创建自定义的线程池
		return executor;
	}
}

总结

本文主要介绍了Spring中异步注解的使用、原理及可能碰到的问题，针对每个问题文中也给出了方案。希望通过这篇文章能帮助你彻底掌握@Async注解的使用，知其然并知其所以然！

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