java基礎：深入理解JDK動態代理
阿新 • • 發佈：2018-12-18
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經過上一節我們講了Class物件和反射機制，這節就來講一下反射機制在java中的主要應用——動態代理。在講動態代理之前，會先講一下代理模式和靜態代理。
一、代理模式
代理模式是常用的java設計模式，他的特徵是代理類與委託類有同樣的介面，代理類主要負責為委託類預處理訊息、過濾訊息、把訊息轉發給委託類，以及事後處理訊息等。代理類與委託類之間通常會存在關聯關係，一個代理類的物件與一個委託類的物件關聯，代理類的物件本身並不真正實現服務，而是通過呼叫委託類的物件的相關方法，來提供特定的服務。簡單的說就是，我們在訪問實際物件時，是通過代理物件來訪問的，代理模式就是在訪問實際物件時引入一定程度的間接性，因為這種間接性，可以附加多種用途，比如說Spring的AOP。代理模式結構圖（圖片來自《大話設計模式》）：
二、靜態代理
1、靜態代理
靜態代理：由程式設計師建立或特定工具自動生成原始碼，也就是在編譯時就已經將介面，被代理類，代理類等確定下來。在程式執行之前，代理類的.class檔案就已經生成。
2、靜態代理簡單實現
根據上面代理模式的類圖，來寫一個簡單的靜態代理的例子。 首先定義一個商品介面
public interface ProductService {
void addProduct(String productName);
}
複製程式碼然後定義一個商品的實現
public class ProductServiceImpl implements ProductService{
public void addProduct(String productName) {
System.out.println("正在新增" 此時我們定義一個商品銷售員工，員工在新增商品的時候，會先檢查產品是否合格，然後新增完後會報告一聲。
public class ProductEmployee implements ProductService{
ProductServiceImpl productService;
public ProductEmployee(ProductServiceImpl productService) {
this.productService = productService;
}
@Override
public void addProduct(String productName) {
System.out.println("檢查產品" 代理模式最主要的就是有一個公共介面（ProductService ），一個具體的類（ProductServiceImpl ），一個代理類（ProductEmployee ）,代理類持有具體類的例項，代為執行具體類例項方法。上面說到，代理模式就是在訪問實際物件時引入一定程度的間接性，因為這種間接性，可以附加多種用途。最直白的就是在Spring中的面向切面程式設計（AOP），我們能在一個切點之前執行一些操作，在一個切點之後執行一些操作，這個切點就是一個個方法。這些方法所在類肯定就是被代理了，在代理過程中切入了一些其他操作。
三、動態代理
靜態代理有不少缺點，每需要一個代理類就要新增一個類，當代理類越來越多時，就會顯得非常的龐大和臃腫。而且當需要修改代理類中的方法時，就需要每個代理類都修改方法程式碼，代理類越多，越繁瑣。此時，就需要使用我們的動態代理。代理類在程式執行時建立的代理方式被成為動態代理。
我們上面靜態代理的例子中，代理類(ProductEmployee)是自己定義好的，在程式執行之前就已經編譯完成。然而動態代理，代理類並不是在Java程式碼中定義的，而是在執行時根據我們在Java程式碼中的“指示”動態生成的。相比於靜態代理， 動態代理的優勢在於可以很方便的對代理類的函式進行統一的處理，而不用修改每個代理類中的方法。
動態代理的簡單實現
我們需要定義一個InvocationHandler的實現類
public class ProductInvocationHandler implements InvocationHandler {
// 目標物件
private Object target;
/**
* 構造方法
* @param target 目標物件
*/
public ProductInvocationHandler(Object target) {
this.target = target;
}
/**
* 執行目標物件的方法
*/
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
// 在目標物件的方法執行之前簡單的列印一下
System.out.println("檢查產品");
// 執行目標物件的方法
Object result = method.invoke(target, args);
// 在目標物件的方法執行之後簡單的列印一下
System.out.println("新增完成");
return result;
}
/**
* 獲取目標物件的代理物件
* @return 代理物件
*/
public Object getProxy() {
return Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread().getContextClassLoader(),
target.getClass().getInterfaces(), this);
}
}
複製程式碼然後呼叫這個類生成代理物件，執行方法
public static void main(String[] args) {
ProductService impl = new ProductServiceImpl();
ProductInvocationHandler productInvocationHandler = new ProductInvocationHandler(impl);
ProductService proxy = (ProductService) productInvocationHandler.getProxy();
proxy.addProduct("book");
}
/* output
檢查產品
正在新增book
新增完成
複製程式碼動態代理的原理分析
通過上面例子，我們可以看到動態代理機制中有兩個重要的類和介面InvocationHandler（介面）和Proxy（類），這兩個類Proxy和介面InvocationHandler是我們實現動態代理的核心；
InvocationHandler
InvocationHandler介面是proxy代理例項的呼叫處理程式實現的一個介面，每一個代理的例項都會有一個關聯的呼叫處理程式(InvocationHandler)。對待代理例項進行呼叫時，將對方法的呼叫進行編碼並指派到它的呼叫處理器(InvocationHandler)的invoke方法。所以對代理物件例項方法的呼叫都是通過InvocationHandler中的invoke方法來完成的，而invoke方法會根據傳入的代理物件、方法名稱以及引數決定呼叫代理的哪個方法。
可能現在看起來會覺得有點繞，有點難懂，在學習完下面Proxy代理類的生成之後，再回來看會更好理解。
Proxy
Proxy類是用來建立一個代理物件的類。通過上面的簡單例子，我們可以看到建立獲取代理物件是通過Proxy的newProxyInstance方法得到的。那我們就以此為入口，深入瞭解一下Proxy類。
public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
Class<?>[] interfaces,
InvocationHandler h)
throws IllegalArgumentException
{
//如果h為空將丟擲異常
Objects.requireNonNull(h);
final Class<?>[] intfs = interfaces.clone();//拷貝被代理類實現的一些介面，用於後面許可權方面的一些檢查
final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
//在這裡對某些安全許可權進行檢查，確保我們有許可權對預期的被代理類進行代理
checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
}
/*
* 查詢或生成指定的代理類
*/
Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
/*
* 使用指定的呼叫處理程式（invocation handler）獲取代理類的建構函式物件
*/
try {
if (sm != null) {
checkNewProxyPermission(Reflection.getCallerClass(), cl);
}
//獲取代理類的建構函式
final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
final InvocationHandler ih = h;
//假如代理類的建構函式是private的，就使用反射來set accessible
if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
cons.setAccessible(true);
return null;
}
});
}
//根據代理類的建構函式來生成代理類的物件並返回
return cons.newInstance(new Object[]{h});
} catch (IllegalAccessException|InstantiationException e) {
throw new InternalError(e.toString(), e);
} catch (InvocationTargetException e) {
Throwable t = e.getCause();
if (t instanceof RuntimeException) {
throw (RuntimeException) t;
} else {
throw new InternalError(t.toString(), t);
}
} catch (NoSuchMethodException e) {
throw new InternalError(e.toString(), e);
}
}
複製程式碼文中的註釋已經很清楚的標明瞭這個方法的執行邏輯，其中有三行程式碼是這個方法的重點。
Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);生成代理類的Classfinal Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);獲取代理類的建構函式return cons.newInstance(new Object[]{h});通過建構函式建立代理類例項
其中的重中之重就是getProxy0這個方法了，因為後面兩個就是反射的常用方法。
getProxyClass0(loader, intfs)
我們跟進去看一下這個方法的程式碼：
/**
* 生成一個代理類，但是在呼叫本方法之前必須進行許可權檢查
*/
private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
Class<?>... interfaces) {
//如果介面數量大於65535，丟擲非法引數錯誤
if (interfaces.length > 65535) {
throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
}
// 如果在快取中有對應的代理類，那麼直接返回
// 否則代理類將有 ProxyClassFactory 來建立
return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
}
複製程式碼這裡說的ProxyClassFactory是在Proxy類下的一個靜態類
/**
* 一個工廠函式，用於生成、定義和返回給定ClassLoader和介面陣列的代理類。
*
*/
private static final class ProxyClassFactory
implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
{
// 代理類的名字的字首統一為“$Proxy”
private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";
// 每個代理類字首後面都會跟著一個唯一的編號，如$Proxy0、$Proxy1、$Proxy2
private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();
@Override
public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
Map<Class<?>, Boolean> interfaceSet = new IdentityHashMap<>(interfaces.length);
for (Class<?> intf : interfaces) {
/*
* 驗證類載入器載入介面得到物件是否與由apply函式引數傳入的物件相同
*/
Class<?> interfaceClass = null;
try {
interfaceClass = Class.forName(intf.getName(), false, loader);
} catch (ClassNotFoundException e) {
}
if (interfaceClass != intf) {
throw new IllegalArgumentException(
intf + " is not visible from class loader");
}
/*
* 驗證這個Class物件是不是介面
*/
if (!interfaceClass.isInterface()) {
throw new IllegalArgumentException(
interfaceClass.getName() + " is not an interface");
}
/*
* 驗證這個介面是否重複
*/
if (interfaceSet.put(interfaceClass, Boolean.TRUE) != null) {
throw new IllegalArgumentException(
"repeated interface: " + interfaceClass.getName());
}
}
String proxyPkg = null; // 宣告代理類所在的package
int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;
/*
* 記錄一個非公共代理介面的包，以便在同一個包中定義代理類。同時驗證所有非公共
* 代理介面都在同一個包中
*/
for (Class<?> intf : interfaces) {
int flags = intf.getModifiers();
if (!Modifier.isPublic(flags)) {
accessFlags = Modifier.FINAL;
String name = intf.getName();
int n = name.lastIndexOf('.');
String pkg = ((n == -1) ? "" : name.substring(0, n + 1));
if (proxyPkg == null) {
proxyPkg = pkg;
} else if (!pkg.equals(proxyPkg)) {
throw new IllegalArgumentException(
"non-public interfaces from different packages");
}
}
}
if (proxyPkg == null) {
// 如果全是公共代理介面，那麼生成的代理類就在com.sun.proxy package下
proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
}
/*
* 為代理類生成一個name package name + 字首+唯一編號
* 如 com.sun.proxy.$Proxy0.class
*/
long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
/*
* 生成指定代理類的位元組碼檔案
*/
byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
proxyName, interfaces, accessFlags);
try {
return defineClass0(loader, proxyName,
proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
} catch (ClassFormatError e) {
/*
* A ClassFormatError here means that (barring bugs in the
* proxy class generation code) there was some other
* invalid aspect of the arguments supplied to the proxy
* class creation (such as virtual machine limitations
* exceeded).
*/
throw new IllegalArgumentException(e.toString());
}
}
}
複製程式碼從註釋中可以得知，ProxyClassFactory是通過ProxyGenerator.generateProxyClass方法生成的代理類的位元組碼檔案。由於這個jar包不公開，所以我們可以在百度Google上搜一下，或者通過OpenJDK來檢視，兩者的這部分程式碼基本一致。OpenJDK ProxyGenerator.java
public static byte[] generateProxyClass(final String name,
Class[] interfaces)
{
ProxyGenerator gen = new ProxyGenerator(name, interfaces);
//生成獲取位元組碼
final byte[] classFile = gen.generateClassFile();
//是否將二進位制儲存到本地檔案中，saveGeneratedFiles由引數sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles決定。
if (saveGeneratedFiles) {
java.security.AccessController.doPrivileged(
new java.security.PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
try {
FileOutputStream file =
new FileOutputStream(dotToSlash(name) + ".class");
file.write(classFile);
file.close();
return null;
} catch (IOException e) {
throw new InternalError(
"I/O exception saving generated file: " + e);
}
}
});
}
return classFile;
}
複製程式碼我們繼續跟進生成位元組碼的gen.generateClassFile()方法
private byte[] generateClassFile() {
/* ============================================================
* Step 1: 為所有方法組裝ProxyMethod物件，以為其生成代理排程程式碼
*/
//生成proxy代理類的hashcode，equals，toString方法
addProxyMethod(hashCodeMethod, Object.class);
addProxyMethod(equalsMethod, Object.class);
addProxyMethod(toStringMethod, Object.class);
//新增各個介面的方法
//這就是為什麼我們能夠通過代理呼叫介面方法實現的原因
for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
Method[] methods = interfaces[i].getMethods();
for (int j = 0; j < methods.length; j++) {
addProxyMethod(methods[j], interfaces[i]);
}
}
//檢查返回型別
for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
checkReturnTypes(sigmethods);
}
/* ============================================================
* Step 2: 為我們生成的類中的所有欄位和方法組裝FieldInfo和MethodInfo結構。
*/
//編譯成class的相關內容
try {
methods.add(generateConstructor());
for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
for (ProxyMethod pm : sigmethods) {
fields.add(new FieldInfo(pm.methodFieldName,
"Ljava/lang/reflect/Method;", ACC_PRIVATE
| ACC_STATIC));
methods.add(pm.generateMethod());
}
}
methods.add(generateStaticInitializer());
} catch (IOException e) {
throw new InternalError("unexpected I/O Exception");
}
if (methods.size() > 65535) {
throw new IllegalArgumentException("method limit exceeded");
}
if (fields.size() > 65535) {
throw new IllegalArgumentException("field limit exceeded");
}
/* ============================================================
* Step 3: 將組織好的class檔案寫入到檔案中
*/
//在開始編寫最終類檔案之前，請確保為以下項保留了常量池索引
cp.getClass(dotToSlash(className));
cp.getClass(superclassName);
for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
cp.getClass(dotToSlash(interfaces[i].getName()));
}
//設定為只讀模式，在此之後不允許新增新的常量池，因為我們將要編寫一個final常量池表。
cp.setReadOnly();
ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream();
DataOutputStream dout = new DataOutputStream(bout);
try {
//以下是class檔案的結構，想深入瞭解的話可以看深入Java虛擬機器
// u4 magic;
dout.writeInt(0xCAFEBABE);
// u2 minor_version;
dout.writeShort(CLASSFILE_MINOR_VERSION);
// u2 major_version;
dout.writeShort(CLASSFILE_MAJOR_VERSION);
cp.write(dout); // (write constant pool)
// u2 access_flags;
dout.writeShort(ACC_PUBLIC | ACC_FINAL | ACC_SUPER);
// u2 this_class;
dout.writeShort(cp.getClass(dotToSlash(className)));
// u2 super_class;
dout.writeShort(cp.getClass(superclassName));
// u2 interfaces_count;
dout.writeShort(interfaces.length);
// u2 interfaces[interfaces_count];
for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
dout.writeShort(cp.getClass(dotToSlash(interfaces[i].getName())));
}
// u2 fields_count;
dout.writeShort(fields.size());
// field_info fields[fields_count];
for (FieldInfo f : fields) {
f.write(dout);
}
// u2 methods_count;
dout.writeShort(methods.size());
// method_info methods[methods_count];
for (MethodInfo m : methods) {
m.write(dout);
}
// u2 attributes_count;
dout.writeShort(0); // (no ClassFile attributes for proxy classes)
} catch (IOException e) {
throw new InternalError("unexpected I/O Exception");
}
return bout.toByteArray();
}
複製程式碼檢視生成的Proxy代理類
到這裡，我們就基本解析完了Java Proxy在動態代理中的作用了。不過大家可能會對動態代理生成出來的代理類具體結構有疑問。為了更好地瞭解Proxy代理類的結構（順便加深印象），我們不妨通過FileOutputStream 來將generateProxyClass建立的二進位制生成相應的class檔案
public static void main(String[] args) {
String name = "ProductServiceProxy";
byte[] data = sun.misc.ProxyGenerator.generateProxyClass(name,
new Class[] { ProductService.class });
try {
FileOutputStream out = new FileOutputStream(name + ".class");
out.write(data);
out.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
複製程式碼執行後在專案根目錄會找到一個ProductServiceProxy.class檔案，我們通過反編譯開啟
import com.example.javabase.proxyDemo.ProductService;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;
public final class ProductServiceProxy
extends Proxy
implements ProductService
{
private static Method m1;
private static Method m2;
private static Method m3;
private static Method m0;
public ProductServiceProxy(InvocationHandler paramInvocationHandler)
{
super(paramInvocationHandler);
}
public final boolean equals(Object paramObject)
{
try
{
return ((Boolean)this.h.invoke(this, m1, new Object[] { paramObject })).booleanValue();
}
catch (Error|RuntimeException localError)
{
throw localError;
}
catch (Throwable localThrowable)
{
throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
}
}
public final String toString()
{
try
{
return (String)this.h.invoke(this, m2, null);
}
catch (Error|RuntimeException localError)
{
throw localError;
}
catch (Throwable localThrowable)
{
throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
}
}
public final void addProduct(String paramString)
{
try
{
this.h.invoke(this, m3, new Object[] { paramString });
return;
}
catch (Error|RuntimeException localError)
{
throw localError;
}
catch (Throwable localThrowable)
{
throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
}
}
public final int hashCode()
{
try
{
return ((Integer)this.h.invoke(this, m0, null)).intValue();
}
catch (Error|RuntimeException localError)
{
throw localError;
}
catch (Throwable localThrowable)
{
throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
}
}
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.example.javabase.proxyDemo.ProductService").getMethod("addProduct", new Class[] { Class.forName("java.lang.String") });
m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
return;
}
catch (NoSuchMethodException localNoSuchMethodException)
{
throw new NoSuchMethodError(localNoSuchMethodException.getMessage());
}
catch (ClassNotFoundException localClassNotFoundException)
{
throw new NoClassDefFoundError(localClassNotFoundException.getMessage());
}
}
}
複製程式碼從上面我們可以很清楚的看到，代理類的方法呼叫最後還是通過InvocationHandler.invoke反射呼叫到了被代理類的方法。代理的大概結構包括4部分：
- 靜態欄位：被代理的介面所有方法都有一個對應的靜態方法變數；
- 建構函式：從這裡傳入我們InvocationHandler邏輯；
- 具體每個代理方法：邏輯都差不多就是 h.invoke，主要是呼叫我們定義好的invocatinoHandler邏輯,觸發目標物件target上對應的方法;
- 靜態塊：主要是通過反射初始化靜態方法變數；
同時，因為所有代理類都繼承了Proxy類，所以JDK動態代理只能對介面進行代理，Java的繼承機制註定了這些動態代理類們無法實現對class的動態代理。