想用@Autowired注入static静态成员？官方不推荐你却还偏要这么做

Posted 2020-12-21

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前言

各位小伙伴大家好，我是A哥。通过本专栏前两篇的学习，相信你对static关键字在Spring/Spring Boot里的应用有了全新的认识，能够解释工作中遇到的大多数问题/疑问了。本文继续来聊聊static关键字更为常见的一种case：使用@Autowired依赖注入静态成员(属性)。

在Java中，针对static静态成员，我们有一些最基本的常识：静态变量（成员）它是属于类的，而非属于实例对象的属性；同样的静态方法也是属于类的，普通方法（实例方法）才属于对象。而Spring容器管理的都是实例对象，包括它的@Autowired依赖注入的均是容器内的对象实例，所以对于static成员是不能直接使用@Autowired注入的。

这很容易理解：类成员的初始化较早，并不需要依赖实例的创建，所以这个时候Spring容器可能都还没“出生”，谈何依赖注入呢？

这个示例，你或许似曾相识：

@Component
public class SonHolder {

    @Autowired
    private static Son son;

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

然后“正常使用”这个组件：

@Autowired
private SonHolder sonHolder;

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

运行程序，结果抛错：

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

很明显，getSon()得到的是一个null，所以给你扔了个NPE。

版本约定

本文内容若没做特殊说明，均基于以下版本：

?JDK：1.8
?Spring Framework：5.2.2.RELEASE

正文

说起@Autowired注解的作用，没有人不熟悉，自动装配嘛。根据此注解的定义，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;
}

本文我们重点关注它使用在FIELD成员属性上的case，标注在static静态属性上是本文讨论的中心。

说明：虽然Spring官方现在并不推荐字段/属性注入的方式，但它的便捷性仍无可取代，因此在做业务开发时它仍旧是主流的使用方式

场景描述

假如有这样一个场景需求：创建一个教室(Room)，需要传入一批学生和一个老师，此时我需要对这些用户按照规则（如名字中含有test字样的示为测试帐号）进行数据合法性校验和过滤，然后才能正常走创建逻辑。此case还有以下特点：

?用户名字/详细信息，需要远程调用（如FeignClient方式）从UC中心获取
?因此很需要做桥接，提供防腐层
?该过滤规则功能性很强，工程内很多地方都有用到
?有点工具的意思有木有

阅读完“题目”感觉还是蛮简单的，很normal的一个业务需求case嘛，下面我来模拟一下它的实现。

从UC用户中心获取用户数据（使用本地数据模拟远程访问）：

/**
 * 模拟去远端用户中心，根据ids批量获取用户数据
 *
 * @author yourbatman
 * @date 2020/6/5 7:16
 */
@Component
public class UCClient {

    /**
     * 模拟远程调用的结果返回（有正常的，也有测试数据）
     */
    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());
    }

}

说明：实际情况这里可能只是一个@FeignClient接口而已，本例就使用它mock喽

因为过滤测试用户的功能过于通用，并且规则也需要收口，须对它进行封装，因此有了我们的内部帮助类UserHelper：

/**
 * 工具方法：根据用户ids，按照一定的规则过滤掉测试用户后返回结果
 *
 * @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是测试用户，已过滤
", id, name);
                return false;
            }
            return true;
        }).collect(Collectors.toList());
    }

}

很明显，它内部需依赖于UCClient这个远程调用的结果。封装好后，我们的业务Service层任何组件就可以尽情的“享用”该工具啦，形如这样：

/**
 * 业务服务：教室服务
 *
 * @author yourbatman
 * @date 2020/6/5 7:29
 */
@Service
public class RoomService {

    @Autowired
    UserHelper userHelper;

    public void create(List<Long> studentIds, Long teacherId) {
        // 因为学生和老师统称为user 所以可以放在一起校验
        List<Long> userIds = new ArrayList<>(studentIds);
        userIds.add(teacherId);
        List<User> users = userHelper.getAndFilterTest(userIds);

        // ...  排除掉测试数据后，执行创建逻辑
        System.out.println("教室创建成功");
    }

}

书写个测试程序来模拟Service业务调用：

@ComponentScan
public class DemoTest {

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

        // 模拟接口调用/单元测试
        RoomService roomService = context.getBean(RoomService.class);
        roomService.create(Arrays.asList(1L, 2L, 3L, 4L, 5L, 6L), 101L);
    }
}

运行程序，结果输出：

id=2 name=YourBatman_test是测试用户，已过滤
id=4 name=YourBatman_test是测试用户，已过滤
id=6 name=YourBatman_test是测试用户，已过滤
教室创建成功

一切都这么美好，相安无事的，那为何还会有本文指出的问题存在呢？正所谓“不作死不会死”，总有那么一些“追求极致”的选手就喜欢玩花，下面姑且让我猜猜你为何想要依赖注入static成员属性呢？

帮你猜猜你为何有如此需求？

从上面示例类的命名中，我或许能猜出你的用意。UserHelper它被命名为一个工具类，而一般我们对工具类的理解是：

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

现状是：使用UserHelper去处理用户信息还得先@Autowired注入它的实例，实属不便。因此你想方设法的想把getAndFilterTest()这个方法变为静态方法，这样通过类名便可直接调用而并不再依赖于注入UserHelper实例了，so你想当然的这么“优化”：

@Component
public class UserHelper {

    @Autowired
    static UCClient ucClient;

    public static List<User> getAndFilterTest(List<Long> userIds) {
        ... // 处理逻辑完全同上
    }
}

属性和方法都添加上static修饰，这样使用方通过类名便可直接访问（无需注入）：

@Service
public class RoomService {

    public void create(List<Long> studentIds, Long teacherId) {
        ...
        // 通过类名直接调用其静态方法
        List<User> users = UserHelper.getAndFilterTest(userIds);
        ...
    }
}

运行程序，结果输出：

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)

以为天衣无缝，可结果并不完美，抛异常了。我特意多粘贴了两句info日志，它们告诉了你为何抛出NPE异常的原因：@Autowired不支持标注在static字段/属性上。

为什么@Autowired不能注入static成员属性

静态变量是属于类本身的信息，当类加载器加载静态变量时，Spring的上下文环境还没有被加载，所以不可能为静态变量绑定值（这只是最表象原因，并不准确）。同时，Spring也不鼓励为静态变量注入值（言外之意：并不是不能注入），因为它认为这会增加了耦合度，对测试不友好。

这些都是表象，那么实际上Spring是如何“操作”的呢？我们沿着AutowiredAnnotationBeanPostProcessor输出的这句info日志，倒着找原因，这句日志的输出在这：

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor：

// 构建@Autowired注入元数据方法
// 简单的说就是找到该Class类下有哪些是需要做依赖注入的
private InjectionMetadata buildAutowiringMetadata(final Class<?> clazz) {
    ...
    // 循环递归，因为父类的也要管上
    do {
        // 遍历所有的字段（包括静态字段）
        ReflectionUtils.doWithLocalFields(targetClass, field -> {
            if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
                logger.info("Autowired annotation is not supported on static fields: " + field);
            }
            return;
            ...
        });
        // 遍历所有的方法（包括静态方法）
        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);
    ...
}

这几句代码道出了Spring为何不给static静态字段/静态方法执行@Autowired注入的最真实原因：扫描Class类需要注入的元数据的时候，直接选择忽略掉了static成员（包括属性和方法）。

那么这个处理的入口在哪儿呢？是否在这个阶段时Spring真的无法给static成员完成赋值而选择忽略掉它呢，我们继续最终此方法的调用处。此方法唯一调用处是findAutowiringMetadata()方法，而它被调用的地方有三个：

调用处一：执行时机较早，在MergedBeanDefinitionPostProcessor处理bd合并期间就会解析出需要注入的元数据，然后做check。它会作用于每个bd身上，所以上例中的2句info日志第一句就是从这输出的

AutowiredAnnotationBeanPostProcessor：

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

调用处二：在InstantiationAwareBeanPostProcessor也就是实例创建好后，给属性赋值阶段（也就是populateBean()阶段）执行。所以它也是会作用于每个bd的，上例中2句info日志的第二句就是从这输出的

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;
}

调用处三：这个方法比较特殊，它表示对于带有任意目标实例（已经不仅是Class，而是实例本身）直接调用的“本地”处理方法实行注入。这是Spring提供给“外部”使用/注入的一个public公共方法，比如给容器外的实例注入属性，还是比较实用的，本文下面会介绍它的使用办法

说明：此方法Spring自己并不会主动调用，所以不会自动输出日志（这也是为何调用处有3处，但日志只有2条的原因）

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);
    }
    ...
}

通过这部分源码，从底层诠释了Spring为何不让你@Autowired注入static成员的原因。既然这样，难道就没有办法满足我的“诉求”了吗？答案是有的，接着往下看。

间接实现static成员注入的N种方式

虽然Spring会忽略掉你直接使用@Autowired + static成员注入，但还是有很多方法来绕过这些限制，实现对静态变量注入值。下面A哥介绍2种方式，供以参考：

方式一：以set方法作为跳板，在里面实现对static静态成员的赋值

@Component
public class UserHelper {

    static UCClient ucClient;

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

方式二：使用@PostConstruct注解，在里面为static静态成员赋值

@Component
public class UserHelper {

    static UCClient ucClient;

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

虽然称作是2种方式，但其实我认为思想只是一个：延迟为static成员属性赋值。因此，基于此思想确切的说会有N种实现方案（只需要保证你在使用它之前给其赋值上即可），各位可自行思考，A哥就没必要一一举例了。

高级实现方式

作为福利，A哥在这里提供一种更为高（zhuang）级（bi）的实现方式供以你学习和参考：

@Component
public class AutowireStaticSmartInitializingSingleton implements SmartInitializingSingleton {

    @Autowired
    private AutowireCapableBeanFactory beanFactory;

    /**
     * 当所有的单例Bena初始化完成后，对static静态成员进行赋值
     */
    @Override
    public void afterSingletonsInstantiated() {
        // 因为是给static静态属性赋值，因此这里new一个实例做注入是可行的
        beanFactory.autowireBean(new UserHelper());
    }
}

UserHelper类不再需要标注@Component注解，也就是说它不再需要被Spirng容器管理（static工具类确实不需要交给容器管理嘛，毕竟我们不需要用到它的实例），这从某种程度上也是节约开销的表现。

public class UserHelper {

    @Autowired
    static UCClient ucClient;
    ...
}

运行程序，结果输出：

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)

报错。当然喽，这是我故意的，虽然抛异常了，但是看到我们的进步了没：info日志只打印一句了（自行想想啥原因哈）。不卖关子了，正确的姿势还得这么写：

public class UserHelper {

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

再次运行程序，一切正常（info日志也不会输出喽）。这么处理的好处我觉得有如下三点：

1.手动管理这种case的依赖注入，更可控。而非交给Spring容器去自动处理
2.工具类本身并不需要加入到Spring容器内，这对于有大量这种case的话，是可以节约开销的
3.略显高级，装x神器（可别小看装x，这是个中意词，你的加薪往往来来自于装x成功）

当然，你也可以这么玩：

@Component
public class AutowireStaticSmartInitializingSingleton implements SmartInitializingSingleton {

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

依旧可以正常work。这不正是上面介绍的调用处三麽，马上就学以致用了有木有，开心吧。

使用建议

有这种使用需求的小伙伴需要明晰什么才叫真正的util工具类？若你的工具类存在外部依赖，依赖于Spring容器内的实例，那么它就称不上是工具类，就请不要把它当做static来用，容易玩坏的。你现在能够这么用恰好是得益于Spring管理的实例默认都是单例，所以你赋值一次即可，倘若某天真变成多例了呢（即使可能性极小）？

强行这么撸，是有隐患的。同时也打破了优先级关系、生命周期关系，容易让“初学者”感到迷糊。当然若你坚持这么使用也未尝不可，那么请做好相关规范/归约，比如使用上面我推荐的高（zhuang）级（bi）使用方式是一种较好的选择，这个时候手动管理往往比自动来得更安全，降低后期可能的维护成本。

思考题

1.在解析类的@Autowired注入元数据的时候，Spring工厂/容器明明已经准备好了，理论上已经完全具备帮你完成注入/赋值的能力，既然这样，为何Spring还偏要“拒绝”这么干呢？可直接注入static成员不香吗？
2.既然@Autowired不能注入static属性，那么static方法呢？@Value注解呢？

总结

本文介绍了Spring依赖注入和static的关系，从使用背景到原因分析都做了相应的阐述，A哥觉得还是蛮香的，对你帮助应该不小吧。

最后，我想对小伙伴说：依赖注入的主要目的，是让容器去产生一个对象的实例然后管理它的生命周期，然后在生命周期中使用他们，这会让单元测试工作更加容易（什么？不写单元测试，那你应该关注我喽，下下下个专栏会专门讲单元测试）。而如果你使用静态变量/类变量就扩大了使用范围，使得不可控了。这种static field是隐含共享的，并且是一种global全局状态，Spring并不推荐你去这么做，因此使用起来务必当心~

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