细说JDK动态代理的实现原理

来源:blog.csdn.net/mhmyqn/article/details/48474815

关于JDK的动态代理,最为人熟知的可能要数Spring AOP的实现,默认情况下,Spring AOP的实现对于接口来说就是使用的JDK的动态代理来实现的,而对于类的代理使用CGLIB来实现。那么,什么是JDK的动态代理呢?

JDK的动态代理,就是在程序运行的过程中,根据被代理的接口来动态生成代理类的class文件,并加载运行的过程。JDK从1.3开始支持动态代理。那么JDK是如何生成动态代理的呢?JDK动态代理为什么不支持类的代理,只支持接口的代理?

首先来看一下如何使用JDK动态代理。JDK提供了java.lang.reflect.Proxy类来实现动态代理的,可通过它的newProxyInstance来获得代理实现类。同时对于代理的接口的实际处理,是一个java.lang.reflect.InvocationHandler,它提供了一个invoke方法供实现者提供相应的代理逻辑的实现。可以对实际的实现进行一些特殊的处理,像Spring AOP中的各种advice。下面来看看如何使用。

被代理的接口:

package com.mikan.proxy;

public interface HelloWorld {

    void sayHello(String name);
    
}

接口的实现类:

package com.mikan.proxy;

public class HelloWorldImpl implements HelloWorld {
    @Override
    public void sayHello(String name) {
        System.out.println("Hello " + name);
    }
}

实现一个java.lang.reflect.InvocationHandler:

package com.mikan.proxy;
 
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;

public class CustomInvocationHandler implements InvocationHandler {
    private Object target;
 
    public CustomInvocationHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }
 
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("Before invocation");
        Object retVal = method.invoke(target, args);
        System.out.println("After invocation");
        return retVal;
    }
}

使用代理:

package com.mikan.proxy;
 
import java.lang.reflect.Proxy;

public class ProxyTest {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");
 
        CustomInvocationHandler handler = new CustomInvocationHandler(new HelloWorldImpl());
        HelloWorld proxy = (HelloWorld) Proxy.newProxyInstance(
                ProxyTest.class.getClassLoader(),
                new Class[]{HelloWorld.class},
                handler);
        proxy.sayHello("Mikan");
    }
 
}

运行的输出结果:

localhost:classes mikan$ java com/mikan/proxy/ProxyTest
Before invocation
Hello Mikan
After invocation

从上面可以看出,JDK的动态代理使用起来非常简单,但是只知道如何使用是不够的,知其然,还需知其所以然。所以要想搞清楚它的实现,那么得从源码入手。这里的源码是1.7.0_79。首先来看看它是如何生成代理类的:

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                          Class<?>[] interfaces,
                                          InvocationHandler h)
        throws IllegalArgumentException {
        if (h == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
 
        final Class<?>[] intfs = interfaces.clone();
        final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) {
            checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
        }
        // 这里是生成class的地方
        Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
        // 使用我们实现的InvocationHandler作为参数调用构造方法来获得代理类的实例
        try {
            final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
            final InvocationHandler ih = h;
            if (sm != null && ProxyAccessHelper.needsNewInstanceCheck(cl)) {
                return AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Object>() {
                    public Object run() {
                        return newInstance(cons, ih);
                    }
                });
            } else {
                return newInstance(cons, ih);
            }
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            throw new InternalError(e.toString());
        }
    }

其中newInstance只是调用Constructor.newInstance来构造相应的代理类实例,这里重点是看getProxyClass0这个方法的实现:

private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                           Class<?>... interfaces) {
        // 代理的接口数量不能超过65535(没有这种变态吧)
        if (interfaces.length > 65535) {
            throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
        }
        // JDK对代理进行了缓存,如果已经存在相应的代理类,则直接返回,否则才会通过ProxyClassFactory来创建代理
        return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
    }

其中代理缓存是使用WeakCache实现的,如下:

private static final WeakCache<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
        proxyClassCache = new WeakCache<>(new KeyFactory(), new ProxyClassFactory());

具体的缓存逻辑这里暂不关心,只需要关心ProxyClassFactory是如何生成代理类的,ProxyClassFactory是Proxy的一个静态内部类,实现了WeakCache的内部接口BiFunction的apply方法:

private static final class ProxyClassFactory
        implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>> {
        // 所有代理类名字的前缀
        private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";
 
        // 用于生成代理类名字的计数器
        private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();
 
        @Override
        public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
            // 省略验证代理接口的代码……
 
            String proxyPkg = null;     // 生成的代理类的包名
            // 对于非公共接口,代理类的包名与接口的相同
            for (Class<?> intf : interfaces) {
                int flags = intf.getModifiers();
                if (!Modifier.isPublic(flags)) {
                    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");
                    }
                }
            }
 
            // 对于公共接口的包名,默认为com.sun.proxy
            if (proxyPkg == null) {
                proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
            }
 
            // 获取计数
            long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
            // 默认情况下,代理类的完全限定名为:com.sun.proxy.$Proxy0,com.sun.proxy.$Proxy1……依次递增
            String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
 
            // 这里才是真正的生成代理类的字节码的地方
            byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
                proxyName, interfaces);
            try {
                // 根据二进制字节码返回相应的Class实例
                return defineClass0(loader, proxyName,
                                    proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
            } catch (ClassFormatError e) {
                throw new IllegalArgumentException(e.toString());
            }
        }
    }

ProxyGenerator是sun.misc包中的类,它没有开源,但是可以反编译来一探究竟:

public static byte[] generateProxyClass(final String var0, Class[] var1) {
        ProxyGenerator var2 = new ProxyGenerator(var0, var1);
        final byte[] var3 = var2.generateClassFile();
        // 这里根据参数配置,决定是否把生成的字节码(.class文件)保存到本地磁盘,我们可以通过把相应的class文件保存到本地,再反编译来看看具体的实现,这样更直观
        if(saveGeneratedFiles) {
            AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
                public Void run() {
                    try {
                        FileOutputStream var1 = new FileOutputStream(ProxyGenerator.dotToSlash(var0) + ".class");
                        var1.write(var3);
                        var1.close();
                        return null;
                    } catch (IOException var2) {
                        throw new InternalError("I/O exception saving generated file: " + var2);
                    }
                }
            });
        }
        return var3;
    }

saveGeneratedFiles这个属性的值从哪里来呢:

private static final boolean saveGeneratedFiles = ((Boolean)AccessController.doPrivileged(new GetBooleanAction("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles"))).booleanValue();

GetBooleanAction实际上是调用Boolean.getBoolean(propName)来获得的,而Boolean.getBoolean(propName)调用了System.getProperty(name),所以我们可以设置sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles这个系统属性为true来把生成的class保存到本地文件来查看。

这里要注意,当把这个属性设置为true时,生成的class文件及其所在的路径都需要提前创建,否则会抛出FileNotFoundException异常。如:

Exception in thread "main" java.lang.InternalError: I/O exception saving generated file: java.io.FileNotFoundException: com/sun/proxy/$Proxy0.class (No such file or directory)
at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:336)
at sun.misc.ProxyGenerator$1.run(ProxyGenerator.java:327)
at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
at sun.misc.ProxyGenerator.generateProxyClass(ProxyGenerator.java:326)
at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:672)
at java.lang.reflect.Proxy$ProxyClassFactory.apply(Proxy.java:592)
at java.lang.reflect.WeakCache$Factory.get(WeakCache.java:244)
at java.lang.reflect.WeakCache.get(WeakCache.java:141)
at java.lang.reflect.Proxy.getProxyClass0(Proxy.java:455)
at java.lang.reflect.Proxy.newProxyInstance(Proxy.java:738)
at com.mikan.proxy.ProxyTest.main(ProxyTest.java:15)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)
at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)
at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:140)

即我们要在运行当前main方法的路径下创建com/sun/proxy目录,并创建一个$Proxy0.class文件,才能够正常运行并保存class文件内容。

反编译$Proxy0.class文件,如下所示:

package com.sun.proxy;
 
import com.mikan.proxy.HelloWorld;
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;
 
public final class $Proxy0 extends Proxy implements HelloWorld {
  private static Method m1;
  private static Method m3;
  private static Method m0;
  private static Method m2;
 
  public $Proxy0(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 void sayHello(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);
    }
  }
 
  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);
    }
  }
 
  static {
    try {
      m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] { Class.forName("java.lang.Object") });
      m3 = Class.forName("com.mikan.proxy.HelloWorld").getMethod("sayHello", new Class[] { Class.forName("java.lang.String") });
      m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
      m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
      return;
    }
    catch (NoSuchMethodException localNoSuchMethodException) {
      throw new NoSuchMethodError(localNoSuchMethodException.getMessage());
    }
    catch (ClassNotFoundException localClassNotFoundException) {
      throw new NoClassDefFoundError(localClassNotFoundException.getMessage());
    }
  }
}

可以看到,动态生成的代理类有如下特性:

  1. 继承了Proxy类,实现了代理的接口,由于java不能多继承,这里已经继承了Proxy类了,不能再继承其他的类,所以JDK的动态代理不支持对实现类的代理,只支持接口的代理。
  2. 提供了一个使用InvocationHandler作为参数的构造方法。
  3. 生成静态代码块来初始化接口中方法的Method对象,以及Object类的equals、hashCode、toString方法。
  4. 重写了Object类的equals、hashCode、toString,它们都只是简单的调用了InvocationHandler的invoke方法,即可以对其进行特殊的操作,也就是说JDK的动态代理还可以代理上述三个方法。
  5. 代理类实现代理接口的sayHello方法中,只是简单的调用了InvocationHandler的invoke方法,我们可以在invoke方法中进行一些特殊操作,甚至不调用实现的方法,直接返回。

至此JDK动态代理的实现原理就分析的差不多了。同时我们可以想像一下Spring AOP提供的各种拦截该如何实现,就已经很明了了,如下所示:

public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        // BeforeAdvice
        Object retVal = null;
        try {
            // AroundAdvice
            retVal = method.invoke(target, args);
            // AroundAdvice
            // AfterReturningAdvice
        }
        catch (Throwable e) {
            // AfterThrowingAdvice
        }
        finally {
            // AfterAdvice
        }
        return retVal;
    }

上面是对于Spring AOP使用JDK动态代理实现的基本框架代码,当然具体的实现肯定比这个复杂得多,但是基本原理不外乎如是。所以理解基本原理对于理解其他的代码也是很有好处的。

PS:如果觉得我的分享不错,欢迎大家随手点赞、转发。

(完)

原文发布于微信公众号 - Java团长(javatuanzhang)

原文发表时间:2018-11-19

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