Bean异步初始化，让你的应用启动飞起来

阿里妹导读

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

1. 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。

1. 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！

四、效果

4.1 性能效果

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