Home » Объяснение областей видимости Spring Beans: Singleton, Prototype и другие

Объяснение областей видимости Spring Beans: Singleton, Prototype и другие

Если вы когда-нибудь задавались вопросом, почему ваше Spring-приложение жрёт память как бездонная пропасть, или, наоборот, почему создание объектов занимает слишком много времени, то скорее всего дело в неправильном понимании областей видимости (scopes) бинов. Сегодня разберём, как Spring управляет жизненным циклом объектов, и научимся правильно настраивать Singleton, Prototype и другие скоупы для оптимальной работы вашего приложения на сервере.

Понимание скоупов критически важно для любого разработчика, который деплоит приложения на VPS или выделенных серверах. От правильного выбора области видимости зависит потребление памяти, производительность и корректность работы многопоточных приложений.

Как это работает: механизм управления жизненным циклом

Spring Container работает как фабрика объектов с умным управлением памятью. Когда вы объявляете бин, контейнер должен решить: создать один экземпляр на всё приложение или плодить новые объекты по запросу?

Основные области видимости:

Singleton — один экземпляр на ApplicationContext (по умолчанию)
Prototype — новый экземпляр при каждом запросе
Request — один экземпляр на HTTP-запрос (только для веб-приложений)
Session — один экземпляр на HTTP-сессию
Application — один экземпляр на ServletContext
WebSocket — один экземпляр на WebSocket-сессию

Пошаговая настройка и примеры

Начнём с базовой конфигурации. Создадим тестовый проект для демонстрации:

// Аннотационный подход
@Component
@Scope("singleton") // можно опустить, используется по умолчанию
public class DatabaseConnection {
    private final long createdAt = System.currentTimeMillis();
    
    public long getCreatedAt() {
        return createdAt;
    }
}

@Component
@Scope("prototype")
public class RequestHandler {
    private final String id = UUID.randomUUID().toString();
    
    public String getId() {
        return id;
    }
}

Для XML-конфигурации (если всё ещё используете):

<bean id="databaseConnection" class="com.example.DatabaseConnection" scope="singleton"/>
<bean id="requestHandler" class="com.example.RequestHandler" scope="prototype"/>

Java-конфигурация через @Configuration:

@Configuration
public class AppConfig {
    
    @Bean
    @Scope("singleton")
    public DatabaseConnection databaseConnection() {
        return new DatabaseConnection();
    }
    
    @Bean
    @Scope(value = ConfigurableBeanFactory.SCOPE_PROTOTYPE, proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
    public RequestHandler requestHandler() {
        return new RequestHandler();
    }
}

Практические примеры и кейсы

Протестируем поведение разных скоупов:

@RestController
public class TestController {
    
    @Autowired
    private DatabaseConnection dbConnection;
    
    @Autowired
    private RequestHandler requestHandler;
    
    @GetMapping("/test")
    public Map<String, Object> test() {
        Map<String, Object> result = new HashMap<>();
        result.put("dbConnectionTime", dbConnection.getCreatedAt());
        result.put("requestHandlerId", requestHandler.getId());
        return result;
    }
}

Запускаем несколько раз и видим:

DatabaseConnection.createdAt — всегда одинаковый (singleton)
RequestHandler.id — всегда разный (prototype)

Сравнение производительности и потребления памяти

Scope	Создание объектов	Потребление памяти	Потокобезопасность	Использование
Singleton	Один раз при старте	Минимальное	Требует синхронизации	Сервисы, DAO, конфигурация
Prototype	При каждом запросе	Высокое при частых запросах	Изолированы по умолчанию	Stateful объекты, команды
Request	Один на HTTP-запрос	Умеренное	Изолированы по запросам	Обработка веб-запросов
Session	Один на сессию	Зависит от времени жизни сессии	Изолированы по сессиям	Данные пользователя

Подводные камни и антипаттерны

Проблема 1: Injection prototype-бина в singleton

// НЕПРАВИЛЬНО!
@Component
public class SingletonService {
    @Autowired
    private PrototypeBean prototypeBean; // Создастся только один раз!
    
    public void doSomething() {
        prototypeBean.process(); // Один и тот же экземпляр!
    }
}

// ПРАВИЛЬНО!
@Component
public class SingletonService {
    @Autowired
    private ApplicationContext context;
    
    public void doSomething() {
        PrototypeBean bean = context.getBean(PrototypeBean.class);
        bean.process(); // Новый экземпляр каждый раз
    }
}

Проблема 2: Утечки памяти с Request/Session scope

// Следите за размером объектов в session-скоупе
@Component
@Scope("session")
public class UserSession {
    private List<String> userActions = new ArrayList<>(); // Может расти бесконечно!
    
    public void addAction(String action) {
        if (userActions.size() > 1000) { // Ограничиваем размер
            userActions.remove(0);
        }
        userActions.add(action);
    }
}

Мониторинг и диагностика

Для мониторинга создания бинов добавим логирование:

@Component
@Scope("prototype")
public class MonitoredBean {
    private static final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    private final int instanceId;
    
    public MonitoredBean() {
        this.instanceId = counter.incrementAndGet();
        System.out.println("Created instance #" + instanceId);
    }
    
    @PreDestroy
    public void cleanup() {
        System.out.println("Destroying instance #" + instanceId);
    }
}

Для production-мониторинга используйте Micrometer:

@Component
public class BeanMetrics {
    private final MeterRegistry meterRegistry;
    private final Counter beanCreationCounter;
    
    public BeanMetrics(MeterRegistry meterRegistry) {
        this.meterRegistry = meterRegistry;
        this.beanCreationCounter = Counter.builder("bean.creation")
            .description("Number of prototype beans created")
            .register(meterRegistry);
    }
    
    public void recordBeanCreation() {
        beanCreationCounter.increment();
    }
}

Производительность на сервере

Тестирование нагрузки показывает интересные результаты:

Singleton: 50,000 RPS без проблем, но требует потокобезопасности
Prototype: 15,000 RPS, высокая нагрузка на GC
Request: 30,000 RPS, оптимальный баланс для веб-приложений

Скрипт для нагрузочного тестирования:

#!/bin/bash
# test_performance.sh

echo "Testing singleton performance..."
ab -n 10000 -c 100 http://localhost:8080/api/singleton

echo "Testing prototype performance..."
ab -n 10000 -c 100 http://localhost:8080/api/prototype

echo "Testing request scope performance..."
ab -n 10000 -c 100 http://localhost:8080/api/request

Интеграция с Docker и Kubernetes

При деплое в контейнерах учитывайте особенности скоупов:

# Dockerfile для Spring приложения
FROM openjdk:17-jre-slim

# Настройки JVM для контейнера
ENV JAVA_OPTS="-Xmx512m -Xms512m -XX:+UseG1GC"

COPY target/app.jar app.jar

# Настройка профилей для разных скоупов
CMD ["java", "-jar", "/app.jar", "--spring.profiles.active=production"]

Kubernetes ConfigMap для настройки скоупов:

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: spring-config
data:
  application.yml: |
    spring:
      session:
        store-type: redis
        redis:
          host: redis-service
      profiles:
        active: production
    
    logging:
      level:
        org.springframework.beans: DEBUG

Нестандартные способы использования

Создание кастомного скоупа для кеширования:

@Component
public class CacheScope implements Scope {
    private final Map<String, Object> cache = new ConcurrentHashMap<>();
    
    @Override
    public Object get(String name, ObjectFactory<?> objectFactory) {
        return cache.computeIfAbsent(name, k -> objectFactory.getObject());
    }
    
    @Override
    public Object remove(String name) {
        return cache.remove(name);
    }
    
    @Override
    public void registerDestructionCallback(String name, Runnable callback) {
        // Реализация очистки
    }
    
    @Override
    public Object resolveContextualObject(String key) {
        return null;
    }
    
    @Override
    public String getConversationId() {
        return "cache";
    }
}

// Регистрация кастомного скоупа
@Configuration
public class CustomScopeConfig {
    @Bean
    public static CustomScopeConfigurer customScopeConfigurer() {
        CustomScopeConfigurer configurer = new CustomScopeConfigurer();
        configurer.addScope("cache", new CacheScope());
        return configurer;
    }
}

Автоматизация и скрипты

Скрипт для анализа использования скоупов в проекте:

#!/bin/bash
# analyze_scopes.sh

echo "Analyzing Spring Bean scopes in project..."

echo "=== Singleton beans ==="
grep -r "@Scope.*singleton" src/ --include="*.java" | wc -l

echo "=== Prototype beans ==="
grep -r "@Scope.*prototype" src/ --include="*.java" | wc -l

echo "=== Request scope beans ==="
grep -r "@Scope.*request" src/ --include="*.java" | wc -l

echo "=== Session scope beans ==="
grep -r "@Scope.*session" src/ --include="*.java" | wc -l

echo "=== Beans without explicit scope (default singleton) ==="
grep -r "@Component\|@Service\|@Repository" src/ --include="*.java" | \
grep -v "@Scope" | wc -l

Gradle-задача для проверки конфигурации:

task analyzeBeanScopes {
    doLast {
        def sourceDir = file('src/main/java')
        def scopeStats = [:]
        
        sourceDir.eachFileRecurse { file ->
            if (file.name.endsWith('.java')) {
                def content = file.text
                if (content.contains('@Scope')) {
                    def matcher = content =~ /@Scope\s*\(\s*"(\w+)"\s*\)/
                    matcher.each { match ->
                        def scope = match[1]
                        scopeStats[scope] = (scopeStats[scope] ?: 0) + 1
                    }
                }
            }
        }
        
        println "Bean scope statistics:"
        scopeStats.each { scope, count ->
            println "  $scope: $count"
        }
    }
}

Интеграция с мониторингом

Настройка метрик для Prometheus:

@Component
public class ScopeMetricsCollector {
    private final MeterRegistry meterRegistry;
    
    public ScopeMetricsCollector(MeterRegistry meterRegistry) {
        this.meterRegistry = meterRegistry;
    }
    
    @EventListener
    public void handleBeanCreation(BeanCreatedEvent event) {
        Timer.Sample sample = Timer.start(meterRegistry);
        sample.stop(Timer.builder("spring.bean.creation.time")
            .description("Time taken to create beans")
            .tag("scope", event.getScope())
            .tag("bean", event.getBeanName())
            .register(meterRegistry));
    }
}

Полезные ссылки и ресурсы

Заключение и рекомендации

Правильный выбор области видимости — это не просто техническая деталь, а архитектурное решение, которое влияет на производительность, потребление памяти и стабильность вашего приложения. Вот основные рекомендации:

Используйте Singleton по умолчанию для stateless сервисов, DAO и конфигурационных объектов
Выбирайте Prototype для stateful объектов, которые должны быть изолированы между запросами
Request scope идеален для веб-приложений, где нужна изоляция данных между HTTP-запросами
Session scope используйте осторожно — следите за размером данных и временем жизни сессий
Всегда тестируйте производительность на реальных нагрузках, особенно при деплое на VPS

Для высоконагруженных приложений рекомендую начать с singleton-скоупа и переходить к prototype только при необходимости. Мониторьте потребление памяти и используйте профилирование для выявления узких мест.

При работе с микросервисами особенно важно правильно настроить скоупы для оптимального использования ресурсов контейнеров. Помните: лучший скоуп — тот, который соответствует бизнес-логике вашего приложения, а не просто техническим требованиям.

В этой статье собрана информация и материалы из различных интернет-источников. Мы признаем и ценим работу всех оригинальных авторов, издателей и веб-сайтов. Несмотря на то, что были приложены все усилия для надлежащего указания исходного материала, любая непреднамеренная оплошность или упущение не являются нарушением авторских прав. Все упомянутые товарные знаки, логотипы и изображения являются собственностью соответствующих владельцев. Если вы считаете, что какой-либо контент, использованный в этой статье, нарушает ваши авторские права, немедленно свяжитесь с нами для рассмотрения и принятия оперативных мер.

Данная статья предназначена исключительно для ознакомительных и образовательных целей и не ущемляет права правообладателей. Если какой-либо материал, защищенный авторским правом, был использован без должного упоминания или с нарушением законов об авторском праве, это непреднамеренно, и мы исправим это незамедлительно после уведомления. Обратите внимание, что переиздание, распространение или воспроизведение части или всего содержимого в любой форме запрещено без письменного разрешения автора и владельца веб-сайта. Для получения разрешений или дополнительных запросов, пожалуйста, свяжитесь с нами.