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Bean异步初始化，让你的应用启动飞起来 - 阿里技术

Author: 阿里云开发者 · 分类： Java · 2024年12月 · tags: BEAN java Sora spring springboot

应用启动速度主要的瓶颈在于bean的初始化过程，本文提供了启动速度的一个探索方向。

如果你的系统启动耗时250s以上，文章思路应该可以帮到你。

一、背景

近期，在做应用启动提速相关工作的过程中，我们发现，应用启动速度主要的瓶颈在于bean的初始化过程（init，afterPropertiesSet方法的耗时）。很多中间件bean的初始化逻辑涉及到网络io，且在没有相互依赖的情况下串行执行。将这一部分中间件bean进行异步加载，是提升启动速度的一个探索方向。

二、解决方案

自动扫描可批量异步的中间件bean，而后，在bean的初始化阶段利用线程池并行执行其初始化逻辑。
允许使用方自行配置耗时bean以享受异步加速能力。(需使用方自行确认依赖关系满足异步条件)

三、原理

3.1 异步初始化原理

3.1.1 如何异步init和afterPropertiesSet？

3.1.1.1 这俩初始化方法在哪里执行的？

在AbstractAutowireCapableBeanFactory#invokeInitMethods方法（以下代码省略异常处理以及日志打印）

protected void invokeInitMethods(String beanName, final Object bean, @Nullable RootBeanDefinition mbd) 
        throws Throwable { 
    // 先看bean是不是实现了InitializingBean，如果是则执行afterPropertiesSet方法。 
    boolean isInitializingBean = (bean instanceof InitializingBean); 
    if (isInitializingBean && (mbd == null || !mbd.isExternallyManagedInitMethod("afterPropertiesSet"))) { 
        if (System.getSecurityManager() != null) { 
            AccessController.doPrivileged((PrivilegedExceptionAction<Object>) () -> { 
                ((InitializingBean) bean).afterPropertiesSet(); 
                return null; 
            }, getAccessControlContext()); 
        } else { 
            ((InitializingBean) bean).afterPropertiesSet(); 
        } 
    } 
    // xml定义的init方法 
    if (mbd != null && bean.getClass() != NullBean.class) { 
        String initMethodName = mbd.getInitMethodName(); 
        if (StringUtils.hasLength(initMethodName) && 
                !(isInitializingBean && "afterPropertiesSet".equals(initMethodName)) && 
                !mbd.isExternallyManagedInitMethod(initMethodName)) { 
            invokeCustomInitMethod(beanName, bean, mbd); 
        } 
    } 
}

调用位置图

3.1.1.2 如何自定义该方法逻辑使其支持异步执行？

很简单的想法

有没有可能，我可以替换原有的BeanFactory，换成我自定义的一个BeanFactory，然后我继承他，只是重写invokeInitMethods方法逻辑使其支持异步？

像这样：

public class AsyncInitBeanFactory extends DefaultListableBeanFactory { 
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AsyncInitBeanFactory.class); 
    // 省略 
    @Override 
    protected void invokeInitMethods(String beanName, Object bean, RootBeanDefinition mbd) throws Throwable { 
        if (AsyncInitBeanNameContainer.MIDDLEWARE_ASYNC_HSF_BEAN_NAME.contains(beanName)) { 
            // hsf异步init 
            this.asyncCallInitMethods(TaskUtil.threadPool4HsfBean, beanName, bean, mbd); 
        } else if (AsyncInitBeanNameContainer.MIDDLEWARE_ASYNC_INIT_BEAN_NAME.contains(beanName)) { 
            // 其他bean异步init 
            this.asyncCallInitMethods(TaskUtil.threadPool4NormalMBean, beanName, bean, mbd); 
        } else { 
            // 同步init call父类原来的invokeInitMethods 
            try { 
                super.invokeInitMethods(beanName, bean, mbd); 
            } catch (Exception e) { 
                logger.error("middleware-bean-accelerator sync-init error: {}", e.getMessage(), e); 
                throw e; 
            } 
        } 
    } 
    // 省略 
}

那现在已经有了自定义方法了，只要解决替换就行了呗？

怎么替换？

实现ApplicationContextInitializer接口，ApplicationContextInitializer在ApplicationContext做refresh之前可以对ConfigurableApplicationContext的实例做进一步的设置或者处理。在这里可以用反射替换掉原BeanFactory。

像这样：

public class AsyncAccelerateInitializer implements ApplicationContextInitializer<ConfigurableApplicationContext>, Ordered { 
    @Override 
    public void initialize(ConfigurableApplicationContext context) { 
        // 是否开启异步初始化 
        if (ConfigUtil.isEnableAccelerate(context) && context instanceof GenericApplicationContext) { 
          AsyncInitBeanFactory beanFactory = new AsyncInitBeanFactory(context.getBeanFactory()); 
            // 通过反射替换beanFactory 
            try { 
                Field field = GenericApplicationContext.class.getDeclaredField("beanFactory"); 
                field.setAccessible(true); 
                field.set(context, beanFactory); 
            } catch (Throwable e) { 
                throw new RuntimeException(e); 
            } 
        } 
    } 
}

之后我们只需要在spring.factories文件将其注册即可。
这样一来就实现了我们一开始的目标，让init方法和afterPropertiesSet支持异步执行。

3.1.2 如何异步PostConstruct？

3.1.2.1 @PostConstruct在哪执行的？

在CommonAnnotationBeanPostProcessor#postProcessBeforeInitialization方法

这是哪里？

CommonAnnotationBeanPostProcessor实现了BeanPostProcessor接口，postProcessBeforeInitialization方法是BeanPostProcessor的方法。

BeanPostProcessor在初始化阶段被调用。

org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory#applyBeanPostProcessorsBeforeInitialization

@Override 
public Object applyBeanPostProcessorsBeforeInitialization(Object existingBean, String beanName) 
        throws BeansException { 
    Object result = existingBean; 
    // 把BeanPostProcesss都抓出来调用一下 
    for (BeanPostProcessor processor : getBeanPostProcessors()) { 
        Object current = processor.postProcessBeforeInitialization(result, beanName); 
        if (current == null) { 
            return result; 
        } 
        result = current; 
    } 
    return result; 
}

调用位置图

3.2.1.2 如何自定义该方法逻辑使其支持异步执行？

很简单的想法

有没有可能，我可以去掉原有的CommonAnnotationBeanPostProcessor，换成我自定义的一个BeanPostProcessor，然后我继承他，只是重写postProcessBeforeInitialization方法逻辑使其支持可异步的@PostConstruct 方法？

像这样：

public class AsyncCommonAnnotationBeanPostProcessor extends CommonAnnotationBeanPostProcessor { 
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AsyncCommonAnnotationBeanPostProcessor.class); 
    @Override 
    public Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException { 
        // 如果是我指定的beanName 那么走异步初始化, 把super.postProcessBeforeInitialization(bean, beanName) 放进线程池里执行 
        if (AsyncInitBeanNameContainer.MIDDLEWARE_ASYNC_POST_CONSTRUCT_BEAN_NAME.contains(beanName)) { 
            // 异步初始化 
            this.asyncExecutePostConstruct(bean, beanName); 
        } else { 
            // 同步初始化 
            return super.postProcessBeforeInitialization(bean, beanName); 
        } 
        return bean; 
    } 
    // 略 
}

那现在已经有了自定义方法了，只要解决替换就行了呗？

怎么替换？

实现InstantiationAwareBeanPostProcessorAdapter接口，其中有一个方法叫做postProcessBeforeInstantiation。postProcessBeforeInstantiation方法是对象实例化前最先执行的方法，它在目标对象实例化之前调用，该方法的返回值类型是Object，我们可以返回任何类型的值。由于这个时候目标对象还未实例化，所以这个返回值可以用来代替原本该生成的目标对象的实例(比如代理对象)。

像这样：

public class OverrideAwareBeanPostProcessor extends InstantiationAwareBeanPostProcessorAdapter { 
    @Override 
    public Object postProcessBeforeInstantiation(Class<?> beanClass, String beanName) throws BeansException { 
        // 替换掉原处理@PostConstruct注解的后置处理器 
        if ("org.springframework.context.annotation.internalCommonAnnotationProcessor".equals(beanName)) { 
            AsyncCommonAnnotationBeanPostProcessor asyncBeanPostProcessor = new AsyncCommonAnnotationBeanPostProcessor(); 
            // 省略基础的设置 
            return asyncBeanPostProcessor; 
        } 
        return super.postProcessBeforeInstantiation(beanClass, beanName); 
    } 
}

之后我们只需要把这个BeanPostProcessor添加到BeanFactory，beanFactory.addBeanPostProcessor(new OverrideAwareBeanPostProcessor(beanFactory));

这样一来就实现了我们一开始的目标，让@PostConstruct方法支持异步执行。

3.2 批量扫描&异步加载中间件Bean原理

中间件bean批量异步实现案例以RPC为例

RPC是后端日常开发中最常见的中间件之一，HSF是阿里内部常见的RPC中间件，3.2节的讲述我们以HSF为案例，实现HSFConsumerBean的批量异步初始化。

3.2.1 如何获取待异步的Bean信息？

3.2.1.1 HSF Consumer是怎么样使用的？

与Dubbo相似，对于使用者而言，只需在成员变量上加上@HSFConsumer注解，服务启动过程中HSF就会将实现了远程调用的代理对象注入成员变量。如下：

@Service 
public class XXXService { 

    @HSFConsumer(serviceVersion = "1.0.0", serviceGroup = "HSF") 
    private OrderService orderService; 
    // 省略 
}

3.2.1.2 如何通过Consumer的注解获取Bean信息？

如3.2.1.1节所示，被注入代理对象的成员变量字段上带有@HSFConsumer注解，这样，我们是不是可以利用该注解在启动过程中找到这些Bean，并对其实施异步初始化处理？

答案是肯定的

通过实现BeanFactoryPostProcessor接口，我们可以在beanDefinition被扫描&记录后，在postProcessBeanFactory方法中获取所有bean的定义信息，并找出其中带有@HSFConsumer注解的bean进行记录，以便在后续调用init方法时（见3.1.1.2节）进行异步初始化。

public class HsfBeanNameCollector implements BeanFactoryPostProcessor, BeanClassLoaderAware { 
    private ClassLoader classLoader; 
    @Override 
    public void postProcessBeanFactory(ConfigurableListableBeanFactory beanFactory) throws BeansException { 
        // 省略 
        for (String beanName : beanFactory.getBeanDefinitionNames()) { 
            BeanDefinition definition = beanFactory.getBeanDefinition(beanName); 
            String beanClassName = definition.getBeanClassName(); 
            Class<?> clazz = ClassUtils.resolveClassName(definition.getBeanClassName(), this.classLoader); 
            ReflectionUtils.doWithFields(clazz, field -> { 
                if (AnnotationUtils.getAnnotation(field, HSFConsumer.class) == null) { 
                    return; 
                } 
                // 收集HsfConsumerBeanName方便后续异步化 
                AsyncInitStaticVariables.MIDDLEWARE_ASYNC_HSF_BEAN_NAME.add(field.getName()); 
            }); 
        } 
    } 
    @Override 
    public void setBeanClassLoader(ClassLoader classLoader) { 
        this.classLoader = classLoader; 
    } 
}

3.3.2 如何安全异步HSFSpringConsumerBean？

3.3.2.1 我们加@HSFConsumer注解的成员变量是如何被注入动态代理类的？

HSFSpringConsumerBean实现了FactoryBean接口，其中的getObject方法会在属性注入时被调用，获取其返回值，注入成员变量。而真正接口的实现（也就是动态代理类）就是在这里被注入的。

public class HSFSpringConsumerBean implements FactoryBean, InitializingBean, ApplicationListener, ApplicationContextAware { 
    // 省略 
    @Override 
    public Object getObject() throws Exception { 
        return consumerBean.getObject(); 
    } 
    // 省略 
}

而该动态代理类是如何生成的呢？答案在HSFApiConsumerBean的init方法中
如下所示：metadata.setTarget(consume(metadata));

public class HSFApiConsumerBean { 
    // 省略 
    /** 
     * 初始化 
     * 
     * @throws Exception 
     */ 
    public void init() throws Exception { 
        // 省略 
        synchronized (metadata) { 
            // 省略 

            metadata.init(); 
            try { 
                // 动态代理类的设置就在这里 
                metadata.setTarget(consume(metadata)); 
              // 省略 
            } catch (Exception e) { 
                // 省略 
            } catch (Throwable t) { 
                // 省略 
            } 
            // 省略 
        } 
    } 
    // 省略 
}

3.3.2.2 会存在什么问题？

动态代理对象的生成在init阶段意味着什么？

意味着bean初始化如果未完成，会为成员变量注入一个null值，导致consumer不可用，这是异步的巨大风险。

3.3.2.3 我们的解决方案

自定义一个NewHsfSpringConsumerBean，继承HSFSpringConsumerBean并重写getObject方法，在父类的getObject方法执行前等待初始化任务完成。
像这样：

public class NewHsfSpringConsumerBean extends HSFSpringConsumerBean { 
    // 省略 
    private Future<?> initTaskFuture; 
    /** 
     * 重写NewHsfSpringConsumerBean的主要目的 在此加入卡点 防止hsfSpringConsumerBean未初始化完成导致的npe 
     * 
     * @return 
     * @throws Exception 
     */ 
    @Override 
    public Object getObject() throws Exception { 
        this.waitHsfInit(); 
        return super.getObject(); 
    } 
    private void waitHsfInit() { 
        if (this.initTaskFuture == null) { 
            logger.warn("middleware-bean-accelerator, hsf getObject wait future is null."); 
            return; 
        } 
        try { 
            this.initTaskFuture.get(); 
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) { 
            throw new RuntimeException(e); 
        } 
    } 
    // 省略 
}

现在的问题就是我们如何将原有的HSFSpringConsumerBean替换成NewHsfSpringConsumerBean？
答案还是InstantiationAwareBeanPostProcessorAdapter接口
如下所示：

public class OverrideAwareBeanPostProcessor extends InstantiationAwareBeanPostProcessorAdapter { 
    private final AsyncInitBeanFactory beanFactory; 
    // 省略 
    @Override 
    public Object postProcessBeforeInstantiation(Class<?> beanClass, String beanName) throws BeansException { 
        // 修改beanDefinition 使容器创建自定义的HsfSpringConsumerBean 
        if (beanClass == HSFSpringConsumerBean.class) { 
            this.reviseBeanDefinition(beanName, NewHsfSpringConsumerBean.class); 
            // 返回null可以让实例化的任务交由spring容器 
            return null; 
        } 
        return super.postProcessBeforeInstantiation(beanClass, beanName); 
    } 
    @Override 
    public boolean postProcessAfterInstantiation(Object bean, String beanName) { 
        if (bean.getClass() == NewHsfSpringConsumerBean.class) { 
            this.reviseBeanDefinition(beanName, HSFSpringConsumerBean.class); 
        } 
        return super.postProcessAfterInstantiation(bean, beanName); 
    } 
    /** 
     * 修改beanDefinition 
     * 设置NewHsfSpringConsumerBean使容器创建自定义的HsfSpringConsumerBean 实例化后设置回来 
     * 
     * @param beanName 
     * @return 
     */ 
    private void reviseBeanDefinition(String beanName, Class<?> clazz) { 
        try { 
            Method methodOfRootBeanDefinition = this.beanFactory.getClass(). 
                    getSuperclass().getSuperclass().getSuperclass(). 
                    getDeclaredMethod("getMergedLocalBeanDefinition", String.class); 
            methodOfRootBeanDefinition.setAccessible(true); 
            RootBeanDefinition beanDefinition = (RootBeanDefinition) methodOfRootBeanDefinition.invoke(this.beanFactory, beanName); 
            // 重点步骤: 修改beanDefinition 使容器创建自定义的HsfSpringConsumerBean, 并在实例化后设置回来 
            beanDefinition.setBeanClass(clazz); 
        } catch (InvocationTargetException | NoSuchMethodException | IllegalAccessException e) { 
            throw new RuntimeException(e); 
        } 
    } 
}

我们在实例化之前，修改beanDefinition，使容器创建自定义的HsfSpringConsumerBean。然后在实例化后的阶段将beanDefinition改回，这样就非常优雅实现了对原有HSFSpringConsumerBean的替换动作！

白盒子

Bean异步初始化，让你的应用启动飞起来 - 阿里技术

一、背景

二、解决方案

三、原理

3.1 异步初始化原理

3.1.1 如何异步init和afterPropertiesSet？

3.1.1.1 这俩初始化方法在哪里执行的？

3.1.1.2 如何自定义该方法逻辑使其支持异步执行？

3.1.2 如何异步PostConstruct？

3.1.2.1 @PostConstruct在哪执行的？

3.2.1.2 如何自定义该方法逻辑使其支持异步执行？

这样一来就实现了我们一开始的目标，让@PostConstruct方法支持异步执行。

3.2 批量扫描&异步加载中间件Bean原理

中间件bean批量异步实现案例以RPC为例

3.2.1 如何获取待异步的Bean信息？

3.2.1.1 HSF Consumer是怎么样使用的？

3.2.1.2 如何通过Consumer的注解获取Bean信息？

3.3.2 如何安全异步HSFSpringConsumerBean？

3.3.2.1 我们加@HSFConsumer注解的成员变量是如何被注入动态代理类的？

3.3.2.2 会存在什么问题？

3.3.2.3 我们的解决方案

四、效果

4.1 性能效果

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一、背景

二、解决方案

三、原理

3.1 异步初始化原理

3.1.1 如何异步init和afterPropertiesSet？

3.1.1.1 这俩初始化方法在哪里执行的？

3.1.1.2 如何自定义该方法逻辑使其支持异步执行？

3.1.2 如何异步PostConstruct？

3.1.2.1 @PostConstruct在哪执行的？

3.2.1.2 如何自定义该方法逻辑使其支持异步执行？

这样一来就实现了我们一开始的目标，让@PostConstruct方法支持异步执行。

3.2 批量扫描&异步加载中间件Bean原理

中间件bean批量异步实现案例以RPC为例

3.2.1 如何获取待异步的Bean信息？

3.2.1.1 HSF Consumer是怎么样使用的？

3.2.1.2 如何通过Consumer的注解获取Bean信息？

3.3.2 如何安全异步HSFSpringConsumerBean？

3.3.2.1 我们加@HSFConsumer注解的成员变量是如何被注入动态代理类的？

3.3.2.2 会存在什么问题？

3.3.2.3 我们的解决方案

四、效果

4.1 性能效果

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