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Java之美[从菜鸟到高手演练]之JDK动态代理的实现及原理

JDK动态代理的实现及原理       

作者:二青

邮箱:xtfggef@gmail.com     微博:http://weibo.com/xtfggef

动态代理,听上去很高大上的技术,在Java里应用广泛,尤其是在Hibernate和Spring这两种框架里,在AOP,权限控制,事务管理等方面都有动态代理的实现。JDK本身有实现动态代理技术,但是略有限制,即被代理的类必须实现某个接口,否则无法使用JDK自带的动态代理,因此,如果不满足条件,就只能使用另一种更加灵活,功能更加强大的动态代理技术—— CGLIB。Spring里会自动在JDK的代理和CGLIB之间切换,同时我们也可以强制Spring使用CGLIB。下面我们就动态代理方面的知识点从头至尾依次介绍一下。

我们先来看一个例子:

新建一个接口,UserService.java, 只有一个方法add()。

package com.adam.java.basic;

public interface UserService {
	public abstract void add();
}

建一个该接口的实现类UserServiceImpl.java

package com.adam.java.basic;
public class UserServiceImpl implements UserService {

	@Override
	public void add() {
		System.out.println("----- add -----");
	}
}

建一个代理处理类MyInvocationHandler.java

package com.adam.java.basic;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

public class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {

	private Object target;

	public MyInvocationHandler(Object target) {
		super();
		this.target = target;
	}

	public Object getProxy() {
		return Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread()
				.getContextClassLoader(), target.getClass().getInterfaces(),
				this);
	}

	@Override
	public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
			throws Throwable {
		System.out.println("----- before -----");
		Object result = method.invoke(target, args);
		System.out.println("----- after -----");
		return result;
	}
}

测试类

package com.adam.java.basic;
public class DynamicProxyTest {

	public static void main(String[] args) {
		UserService userService = new UserServiceImpl();
		MyInvocationHandler invocationHandler = new MyInvocationHandler(
				userService);

		UserService proxy = (UserService) invocationHandler.getProxy();
		proxy.add();
	}
}

执行测试类,得到如下输出:
----- before -----
----- add -----
----- after -----
到这里,我们应该会想到点问题:
1. 这个代理对象是由谁且怎么生成的?
2. invoke方法是怎么调用的?
3. invoke和add方法有什么对应关系?
4. 生成的代理对象是什么样子的?
带着这些问题,我们看一下源码。首先,我们的入口便是上面测试类里的getProxy()方法,我们跟进去,看看这个方法:

public Object getProxy() {
	return Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread()
			.getContextClassLoader(), target.getClass().getInterfaces(),this);
}

也就是说,JDK的动态代理,是通过一个叫Proxy的类来实现的,我们继续跟进去,看看Proxy类的newProxyInstance()方法。先来看看JDK的注释:

/**
     * Returns an instance of a proxy class for the specified interfaces
     * that dispatches method invocations to the specified invocation
     * handler.
     *
     * <p>{@code Proxy.newProxyInstance} throws
     * {@code IllegalArgumentException} for the same reasons that
     * {@code Proxy.getProxyClass} does.
     *
     * @param   loader the class loader to define the proxy class
     * @param   interfaces the list of interfaces for the proxy class
     *          to implement
     * @param   h the invocation handler to dispatch method invocations to
     * @return  a proxy instance with the specified invocation handler of a
     *          proxy class that is defined by the specified class loader
     *          and that implements the specified interfaces

根据JDK注释我们得知,newProxyInstance方法最终将返回一个实现了指定接口的类的实例,其三个参数分别是:ClassLoader,指定的接口及我们自己定义的InvocationHandler类。我摘几条关键的代码出来,看看这个代理类的实例对象到底是怎么生成的。

Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
...
final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
...
return cons.newInstance(new Object[]{h});

有兴趣的同学可以自己看看JDK的源码,当前我用的版本是JDK1.8.25,每个版本实现方式可能会不一样,但基本一致,请研究源码的同学注意这一点。上面的代码表明,首先通过getProxyClass获得这个代理类,然后通过c1.getConstructor()拿到构造函数,最后一步,通过cons.newInstance返回这个新的代理类的一个实例,注意:调用newInstance的时候,传入的参数为h,即我们自己定义好的InvocationHandler类,先记着这一步,后面我们就知道这里这样做的原因。

其实这三条代码,核心就是这个getProxyClass方法,另外两行代码是Java反射的应用,和我们当前的兴趣点没什么关系,所以我们继续研究这个getProxyClass方法。这个方法,注释很简单,如下:

/*
         * Look up or generate the designated proxy class.
         */
        Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);

就是生成这个关键的代理类,我们跟进去看一下。

private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                           Class<?>... interfaces) {
        if (interfaces.length > 65535) {
            throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
        }

        // If the proxy class defined by the given loader implementing
        // the given interfaces exists, this will simply return the cached copy;
        // otherwise, it will create the proxy class via the ProxyClassFactory
        return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
    }

这里用到了缓存,先从缓存里查一下,如果存在,直接返回,不存在就新创建。在这个get方法里,我们看到了如下代码:
Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));
此处提到了apply(),是Proxy类的内部类ProxyClassFactory实现其接口的一个方法,具体实现如下:

public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {

            Map<Class<?>, Boolean> interfaceSet = new IdentityHashMap<>(interfaces.length);
            for (Class<?> intf : interfaces) {
                /*
                 * Verify that the class loader resolves the name of this
                 * interface to the same Class object.
                 */
                Class<?> interfaceClass = null;
                try {
                    interfaceClass = Class.forName(intf.getName(), false, loader);
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                }
                if (interfaceClass != intf) {
                    throw new IllegalArgumentException(
                        intf + " is not visible from class loader");
                }...

看到Class.forName()的时候,我想大多数人会笑了,终于看到熟悉的方法了,没错!这个地方就是要加载指定的接口,既然是生成类,那就要有对应的class字节码,我们继续往下看:

/*
 * Generate the specified proxy class.
 */
   byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
   proxyName, interfaces, accessFlags);
    try {
          return defineClass0(loader, proxyName,
          proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);

这段代码就是利用ProxyGenerator为我们生成了最终代理类的字节码文件,即getProxyClass0()方法的最终返回值。所以让我们回顾一下最初的四个问题:

1. 这个代理对象是由谁且怎么生成的?

2. invoke方法是怎么调用的?

3. invoke和add方法有什么对应关系?

4. 生成的代理对象是什么样子的?

对于第一个问题,我想答案已经清楚了,我再屡一下思路:由Proxy类的getProxyClass0()方法生成目标代理类,然后拿到该类的构造方法,最后通过反射的newInstance方法,产生代理类的实例对象。

接下来,我们看看其他的三个方法,我想先从第四个入手,因为有了上面的生成字节码的代码,那我们可以模仿这一步,自己生成字节码文件看看,所以,我用如下代码,生成了这个最终的代理类。

package com.adam.java.basic;

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import sun.misc.ProxyGenerator;

public class DynamicProxyTest {

	public static void main(String[] args) {
		UserService userService = new UserServiceImpl();
		MyInvocationHandler invocationHandler = new MyInvocationHandler(
				userService);

		UserService proxy = (UserService) invocationHandler.getProxy();
		proxy.add();
		
		String path = "C:/$Proxy0.class";
		byte[] classFile = ProxyGenerator.generateProxyClass("$Proxy0",
				UserServiceImpl.class.getInterfaces());
		FileOutputStream out = null;

		try {
			out = new FileOutputStream(path);
			out.write(classFile);
			out.flush();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			try {
				out.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

上面测试方法里的proxy.add(),此处的add()方法,就已经不是原始的UserService里的add()方法了,而是新生成的代理类的add()方法,我们将生成的$Proxy0.class文件用jd-gui打开,我去掉了一些代码,add()方法如下:

public final void add()
    throws 
  {
    try
    {
      this.h.invoke(this, m3, null);
      return;
    }
    catch (Error|RuntimeException localError)
    {
      throw localError;
    }
    catch (Throwable localThrowable)
    {
      throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
    }
  }

核心就在于this.h.invoke(this. m3, null);此处的h是啥呢?我们看看这个类的类名:

public final class $Proxy0 extends Proxy implements UserService

不难发现,新生成的这个类,继承了Proxy类实现了UserService这个方法,而这个UserService就是我们指定的接口,所以,这里我们基本可以断定,JDK的动态代理,生成的新代理类就是继承了Proxy基类,实现了传入的接口的类。那这个h到底是啥呢?我们再看看这个新代理类,看看构造函数:

public $Proxy0(InvocationHandler paramInvocationHandler)
    throws 
  {
    super(paramInvocationHandler);
  }

构造函数里传入了一个InvocationHandler类型的参数,看到这里,我们就应该想到之前的一行代码:

return cons.newInstance(new Object[]{h}); 

这是newInstance方法的最后一句,传入的h,就是这里用到的h,也就是我们最初自己定义的MyInvocationHandler类的实例。所以,我们发现,其实最后调用的add()方法,其实调用的是MyInvocationHandler的invoke()方法。我们再来看一下这个方法,找一下m3的含义,继续看代理类的源码:

static
  {
    try
    {
      m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] { Class.forName("java.lang.Object") });
      m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
      m3 = Class.forName("com.adam.java.basic.UserService").getMethod("add", new Class[0]);
      m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
      return;
    }

惊喜的发现,原来这个m3,就是原接口的add()方法,看到这里,还有什么不明白的呢?我想2,3,4问题都应该迎刃而解了吧?我们继续,看看原始MyInvocationHandler里的invoke()方法:

	@Override
	public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
			throws Throwable {
		System.out.println("----- before -----");
		Object result = method.invoke(target, args);
		System.out.println("----- after -----");
		return result;
	}

m3就是将要传入的method,所以,为什么先输出before,后输出after,到这里是不是全明白了呢?这,就是JDK的动态代理整个过程,不难吧?

最后,我稍微总结一下JDK动态代理的操作过程:

1. 定义一个接口,该接口里有需要实现的方法,并且编写实际的实现类。

2. 定义一个InvocationHandler类,实现InvocationHandler接口,重写invoke()方法,且添加getProxy()方法。

总结一下动态代理实现过程:

1. 通过getProxyClass0()生成代理类。

2. 通过Proxy.newProxyInstance()生成代理类的实例对象,创建对象时传入InvocationHandler类型的实例。

3. 调用新实例的方法,即此例中的add(),即原InvocationHandler类中的invoke()方法。

好了,写了这么多,也该结尾了,感谢博友Rejoy的一篇文章,让我有了参考。同时欢迎大家一起提问讨论,如有问题,请留言,我会抽空回复。相关代码已经上传至百度网盘,下载地址。

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  • 参考资料:http://rejoy.iteye.com/blog/1627405

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