原来这才是动态代理!!!

原创 程序员cxuan 2022-01-25 08:00

各位小伙伴们大家吼啊!我是 cxuan,距离上次更新已经有段时间了,临近过年了,项目这边也比较忙,而且最近很多时间都花在看书、提升自己上面,文章写的比较拖沓,这里我要自我反思(其实我已经筹备了几篇文章,就等结尾了,嘿嘿嘿)。

我们上篇文章聊了一波什么是动态代理,然后我又从动态代理的四种实现为切入点,为你讲解 JDK 动态代理、CGLIB 动态代理、Javaassist、ASM 反向生成字节码的区别,具体的内容你可以参见下面这篇文章。

动态代理竟然如此简单!

那么这篇文章我们来聊一下动态代理的实现原理

为了保险起见,我们首先花几分钟回顾一下什么是动态代理吧

什么是动态代理

首先,动态代理是代理模式的一种实现方式,代理模式除了动态代理还有 静态代理,只不过静态代理能够在编译时期确定类的执行对象,而动态代理只有在运行时才能够确定执行对象是谁。代理可以看作是对最终调用目标的一个封装,我们能够通过操作代理对象来调用目标类,这样就可以实现调用者和目标对象的解耦合

动态代理的应用场景有很多,最常见的就是 AOP 的实现、RPC 远程调用、Java 注解对象获取、日志框架、全局性异常处理、事务处理等

动态代理的实现有很多,但是 JDK 动态代理是很重要的一种,下面我们就 JDK 动态代理来深入理解一波。

JDK 动态代理

首先我们先来看一下动态代理的执行过程

在 JDK 动态代理中,实现了 InvocationHandler 的类可以看作是 代理类(因为类也是一种对象,所以我们上面为了描述关系,把代理类形容成了代理对象)。JDK 动态代理就是围绕实现了 InvocationHandler 的代理类进行的,比如下面就是一个 InvocationHandler 的实现类,同时它也是一个代理类。

public class UserHandler implements InvocationHandler {

    private UserDao userDao;

    public UserHandler(UserDao userDao){
        this.userDao = userDao;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        saveUserStart();
        Object obj = method.invoke(userDao, args);
        saveUserDone();
        return obj;
    }

    public void saveUserStart(){
        System.out.println("---- 开始插入 ----");
    }

    public void saveUserDone(){
        System.out.println("---- 插入完成 ----");
    }
}

代理类一个最最最重要的方法就是 invoke 方法,它有三个参数

  • Object proxy: 动态代理对象,关于这个方法我们后面会说。
  • Method method: 表示最终要执行的方法,method.invoke 用于执行被代理的方法,也就是真正的目标方法
  • Object[] args: 这个参数就是向目标方法传递的参数。

我们构造好了代理类,现在就要使用它来实现我们对目标对象的调用,那么如何操作呢?请看下面代码

public static void dynamicProxy(){

  UserDao userDao = new UserDaoImpl();
  InvocationHandler handler = new UserHandler(userDao);

  ClassLoader loader = userDao.getClass().getClassLoader();
  Class[] interfaces = userDao.getClass().getInterfaces();

  UserDao proxy = (UserDao)Proxy.newProxyInstance(loader, interfaces, handler);
  proxy.saveUser();
}

如果要用 JDK 动态代理的话,就需要知道目标对象类加载器、目标对象的接口,当然还要知道目标对象是谁。构造完成后,我们就可以调用 Proxy.newProxyInstance方法,然后把类加载器、目标对象的接口、目标对象绑定上去就完事儿了。

这里需要注意一下 Proxy 类,它就是动态代理实现所用到的代理类。

Proxy 位于java.lang.reflect 包下,这同时也旁敲侧击的表明动态代理的本质就是反射

下面我们就围绕 JDK 动态代理,来深入理解一下它的原理,以及搞懂为什么动态代理的本质就是反射。

动态代理的实现原理

在了解动态代理的实现原理之前,我们先来了解一下 InvocationHandler 接口

InvocationHandler 接口

JavaDoc 告诉我们,InvocationHandler 是一个接口,实现这个接口的类就表示该类是一个代理实现类,也就是代理类。

InvocationHandler 接口中只有一个 invoke 方法。

动态代理的优势在于能够很方便的对代理类中方法进行集中处理,而不用修改每个被代理的方法。因为所有被代理的方法(真正执行的方法)都是通过在 InvocationHandler 中的 invoke 方法调用的。所以我们只需要对 invoke 方法进行集中处理。

invoke 方法只有三个参数

public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
        throws Throwable
;
  • proxy:代理对象
  • method: 代理对象调用的方法
  • args:调用方法中的参数。

动态代理的整个代理过程不像静态代理那样一目了然,清晰易懂,因为在动态代理的过程中,我们没有看到代理类的真正代理过程,也不明白其具体操作,所以要分析动态代理的实现原理,我们必须借助源码

那么问题来了,首先第一步应该从哪分析?如果不知道如何分析的话,干脆就使用倒推法,从后往前找,我们直接先从 Proxy.newProxyInstance入手,看看是否能略知一二。

Proxy.newInstance 方法分析

Proxy 提供了创建动态代理类和实例的静态方法,它也是由这些方法创建的所有动态代理类的超类

Proxy.newProxyInstance 源码(java.lang.reflect.Proxy)

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                      Class[] interfaces,
                                      InvocationHandler h)

  throws IllegalArgumentException
{
  Objects.requireNonNull(h);

  final Class[] intfs = interfaces.clone();
  final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
  if (sm != null) {
    checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
  }

  Class cl = getProxyClass0(loader, intfs);

  try {
    if (sm != null) {
      checkNewProxyPermission(Reflection.getCallerClass(), cl);
    }

    final Constructor cons = cl.getConstructor(constructorParams);
    final InvocationHandler ih = h;
    if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
      AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
        public Void run() {
          cons.setAccessible(true);
          return null;
        }
      });
    }
    return cons.newInstance(new Object[]{h});
  } catch (Exception e) {
    ...
}

乍一看起来有点麻烦,其实源码都是这样,看起来非常复杂,但是慢慢分析、厘清条理过后就好,最重要的是分析源码不能着急。

上面这个 Proxy.newProxyInstsance 其实就做了下面几件事,我画了一个流程图作为参考。

从上图中我们也可以看出,newProxyInstsance 方法最重要的几个环节就是获得代理类、获得构造器,然后构造新实例。

对反射有一些了解的同学,应该会知道获得构造器和构造新实例是怎么回事。关于反射,可以参考笔者的这篇文章

学会反射后,我被录取了!

所以我们的重点就放在了获得代理类,这是最关键的一步,对应源码中的 Class cl = getProxyClass0(loader, intfs); 我们进入这个方法一探究竟

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

这个方法比较简单,首先会直接判断接口长度是否大于 65535(刚开始看到这里我是有点不明白的,我心想这个判断是要判断什么?interfaces 这不是一个 class 类型吗,从 length 点进去也看不到这个属性,细看一下才明白,这居然是可变参数Class ... 中的 ... 就是可变参数,所以这个判断我猜测应该是判断接口数量是否大于 65535。)

然后会直接从 proxyClassCache 中根据 loader 和 interfaces 获取代理对象实例。如果能够根据 loader 和 interfaces 找到代理对象,将会返回缓存中的对象副本;否则,它将通过 ProxyClassFactory 创建代理类

proxyClassCache.get 就是一系列从缓存中的查询操作,注意这里的 proxyClassCache 其实是一个 WeakCache,WeakCahe 也是位于 java.lang.reflect 包下的一个缓存映射 map,它的主要特点是一个弱引用的 map,但是它内部有一个 SubKey ,这个子键却是强引用的。

这里我们不用去追究这个 proxyClassCache 是如何进行缓存的,只需要知道它的缓存时机就可以了:即在类加载的时候进行缓存。

如果无法找到代理对象,就会通过 ProxyClassFactory 创建代理,ProxyClassFactory 继承于 BiFunction

private static final class ProxyClassFactory
        implements BiFunction<ClassLoaderClass[], Class>
    
{...}

ProxyClassFactory 里面有两个属性一个方法。

  • proxyClassNamePrefix:这个属性表明使用 ProxyClassFactory 创建出来的代理实例的命名是以 "$Proxy" 为前缀的。
  • nextUniqueNumber:这个属性表明 ProxyClassFactory 的后缀是使用 AtomicLong 生成的数字

所以代理实例的命名一般是 Proxy1这种。

这个 apply 方法是一个根据接口和类加载器进行代理实例创建的工厂方法,下面是这段代码的核心。

@Override
public Class apply(ClassLoader loader, Class[] interfaces) {

  ...
    
  long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
  String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;

  byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
    proxyName, interfaces, accessFlags);
  try {
    return defineClass0(loader, proxyName,
                        proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
  } catch (ClassFormatError e) {
    throw new IllegalArgumentException(e.toString());
  }
}

可以看到,代理实例的命名就是我们上面所描述的那种命名方式,只不过它这里加上了 proxyPkg 包名的路径。然后下面就是生成代理实例的关键代码。

ProxyGenerator.generateProxyClass 我们跟进去是只能看到 .class 文件的,class 文件是虚拟机编译之后的结果,所以我们要看一下 .java 文件源码。.java 源码位于 OpenJDK中的 sun.misc 包中的 ProxyGenerator 下。

此类的 generateProxyClass() 静态方法的核心内容就是去调用 generateClassFile() 实例方法来生成 Class 文件。方法太长了我们不贴了,这里就大致解释以下其作用:

  • 第一步:收集所有要生成的代理方法,将其包装成 ProxyMethod 对象并注册到 Map 集合中。
  • 第二步:收集所有要为 Class 文件生成的字段信息和方法信息。
  • 第三步:完成了上面的工作后,开始组装 Class 文件。

而 defineClass0 这个方法我们点进去是 native ,底层是 C/C++ 实现的,于是我又去看了一下 C/C++ 源码,路径在

点开之后的 C/C++ 源码还是挺让人绝望的。

不过我们再回头看一下这个 defineClass0 方法,它实际上就是根据上面生成的 proxyClassFile 字节数组来生成对应的实例罢了,所以我们不必再深究 C/C++ 对于代理对象的合成过程了。

所以总结一下可以看出,JDK 为我们的生成了一个叫 $Proxy0 的代理类,这个类文件放在内存中的,我们在创建代理对象时,就是通过反射获得这个类的构造方法,然后创建的代理实例。

所以最开始的 dynamicProxy 方法我们反编译后的代码就是这样的

public final class $Proxy0 extends java.lang.reflect.Proxy implements com.cxuan.dynamic.UserDao {
  public $Proxy0(java.lang.reflect.InvocationHandler) throws ;
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: invokespecial #8                  // Method java/lang/reflect/Proxy."":(Ljava/lang/reflect/InvocationHandler;)V
       5return

我们看到代理类继承了 Proxy 类,所以也就决定了 Java 动态代理只能对接口进行代理。

于是,上面这个图你应该就可以看懂了。

invoke 方法中第一个参数 proxy 的作用

细心的小伙伴们可能都发现了,invoke 方法中第一个 proxy 的作用是啥?代码里面好像 proxy 也没用到啊,这个参数的意义是啥呢?它运行时的类型是啥啊?为什么不使用 this 代替呢?

Stackoverflow 给出了我们一个回答 https://stackoverflow.com/questions/22930195/understanding-proxy-arguments-of-the-invoke-method-of-java-lang-reflect-invoca

什么意思呢?

就是说这个 proxy ,它是真正的代理对象,invoke 方法可以返回调用代理对象方法的返回结果,也可以返回对象的真实代理对象,也就是 $Proxy0,这也是它运行时的类型。

至于为什么不用 this 来代替 proxy,因为实现了 InvocationHandler 的对象中的 this ,指代的还是 InvocationHandler 接口实现类本身,而不是真实的代理对象。

后记

另外,这段时间公众号出了一些状况,大家在公众号回复的一些关键词都没有对应的连接了,这里和大家说明抱歉。

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