AOP如何实现及其原理

苏格团队 作者:Lady MP 文章链接:https://juejin.im/post/5bfcb146e51d451f6e52b3c8

概述:

最近在开发中遇到了一个刚好可以用AOP实现的例子,就顺便研究了AOP的实现原理,把学习到的东西进行一个总结。文章中用到的编程语言为kotlin,需要的可以在IDEA中直接转为java。 这篇文章将会按照如下目录展开:

  • AOP简介
  • 代码中实现举例
  • AOP实现原理
  • 部分源码解析

1. AOP简介

相信大家或多或少的了解过AOP,都知道它是面向切面编程,在网上搜索可以找到很多的解释。这里我用一句话来总结:AOP是能够让我们在不影响原有功能的前提下,为软件横向扩展功能。 那么横向扩展怎么理解呢,我们在WEB项目开发中,通常都遵守三层原则,包括控制层(Controller)->业务层(Service)->数据层(dao),那么从这个结构下来的为纵向,它具体的某一层就是我们所说的横向。我们的AOP就是可以作用于这某一个横向模块当中的所有方法。

我们在来看一下AOP和OOP的区别:AOP是OOP的补充,当我们需要为多个对象引入一个公共行为,比如日志,操作记录等,就需要在每个对象中引用公共行为,这样程序就产生了大量的重复代码,使用AOP可以完美解决这个问题。

接下来介绍一下提到AOP就必须要了解的知识点:

  • 切面:拦截器类,其中会定义切点以及通知
  • 切点:具体拦截的某个业务点。
  • 通知:切面当中的方法,声明通知方法在目标业务层的执行位置,通知类型如下:
    1. 前置通知:@Before 在目标业务方法执行之前执行
    2. 后置通知:@After 在目标业务方法执行之后执行
    3. 返回通知:@AfterReturning 在目标业务方法返回结果之后执行
    4. 异常通知:@AfterThrowing 在目标业务方法抛出异常之后
    5. 环绕通知:@Around 功能强大,可代替以上四种通知,还可以控制目标业务方法是否执行以及何时执行

2. 代码中实现举例

上面已经大概的介绍了AOP中需要了解的基本知识,也知道了AOP的好处,那怎么在代码中实现呢?给大家举个例子:我们现在有个学校管理系统,已经实现了对老师和学生的增删改,又新来个需求,说是对老师和学生的每次增删改做一个记录,到时候校长可以查看记录的列表。那么问题来了,怎么样处理是最好的解决办法呢?这里我罗列了三种解决办法,我们来看下他的优缺点。

-最简单的就是第一种方法,我们直接在每次的增删改的函数当中直接实现这个记录的方法,这样代码的重复度太高,耦合性太强,不建议使用。

-其次就是我们最长使用的,将记录这个方法抽离出来,其他的增删改调用这个记录函数即可,显然代码重复度降低,但是这样的调用还是没有降低耦合性。

-这个时候我们想一下AOP的定义,再想想我们的场景,其实我们就是要在不改变原来增删改的方法,给这个系统增加记录的方法,而且作用的也是一个层面的方法。这个时候我们就可以采用AOP来实现了。

我们来看下代码的具体实现:

  1. 首先我定义了一个自定义注解作为切点
@Target(AnnotationTarget.FUNCTION)  //注解作用的范围,这里声明为函数
@Order(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE)  //声明注解的优先级为最高,假设有多个注解,先执行这个
annotation class Hanler(val handler: HandlerType)  //自定义注解类,HandlerType是一个枚举类型,里面定义的就是学生和老师的增删改操作,在这里就不展示具体内容了
  1. 接下来就是要定义切面类了
@Aspect   //该注解声明这个类为一个切面类
@Component
class HandlerAspect{

 @Autowired
 private lateinit var handlerService: HandlerService

@AfterReturning("@annotation(handler)")   //当有函数注释了注解,将会在函数正常返回后在执行我们定义的方法
fun hanler(hanler: Hanler) {
    handlerService.add(handler.operate.value)   //这里是真正执行记录的方法
}
}
  1. 最后就是我们本来的业务方法了
/**
* 删除学生方法
*/
@Handler(operate= Handler.STUDENT_DELETE)   //当执行到删除学生方法时,切面类就会起作用了,当学生正常删除后就会执行记录方法,我们就可以看到记录方法生成的数据
fun delete(id:String) {
   studentService.delete(id)
}

3. AOP实现原理

我们现在了解了代码中如何实现,那么AOP实现的原理是什么呢?之前看了一个博客说到,提到AOP大家都知道他的实现原理是动态代理,显然我之前就是不知道的,哈哈,但是相信阅读文章的你们一定是知道的。

讲到动态代理就不得不说代理模式了, 代理模式的定义:给某一个对象提供一个代理,并由代理对象控制对原对象的引用。代理模式包含如下角色:subject:抽象主题角色,是一个接口。该接口是对象和它的代理共用的接口; RealSubject:真实主题角色,是实现抽象主题接口的类; Proxy:代理角色,内部含有对真实对象RealSubject的引用,从而可以操作真实对象。代理对象提供与真实对象相同的接口,以便代替真实对象。同时,代理对象可以在执行真实对象操作时,附加其他的操作,相当于对真实对象进行封装。如下图所示:

那么代理又分为静态代理和动态代理,这里写两个小的demo,动态代理采用的就是JDK代理。举个例子就是现在一个班上的学生需要交作业,现在由班长代理交作业,那么班长就是代理,学生就是被代理的对象。

3.1 静态代理

首先,我们创建一个Person接口。这个接口就是学生(被代理类),和班长(代理类)的公共接口,他们都有交作业的行为。这样,学生交作业就可以让班长来代理执行。

/**
 * Created by Mapei on 2018/11/7
 * 创建person接口
 */
public interface Person {
    //交作业
    void giveTask();
}

Student类实现Person接口,Student可以具体实施交作业这个行为。

/**
 * Created by Mapei on 2018/11/7
 */
public class Student implements Person {
    private String name;
    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void giveTask() {
        System.out.println(name + "交语文作业");
    }
}

StudentsProxy类,这个类也实现了Person接口,但是还另外持有一个学生类对象,那么他可以代理学生类对象执行交作业的行为。

/**
 * Created by Mapei on 2018/11/7
 * 学生代理类,也实现了Person接口,保存一个学生实体,这样就可以代理学生产生行为
 */
public class StudentsProxy implements Person{
    //被代理的学生
    Student stu;

    public StudentsProxy(Person stu) {
        // 只代理学生对象
        if(stu.getClass() == Student.class) {
            this.stu = (Student)stu;
        }
    }

    //代理交作业,调用被代理学生的交作业的行为
    public void giveTask() {
        stu.giveTask();
    }
}

下面测试一下,看代理模式如何使用:

/**
 * Created by Mapei on 2018/11/7
 */
public class StaticProxyTest {
    public static void main(String[] args) {
        //被代理的学生林浅,他的作业上交有代理对象monitor完成
        Person linqian = new Student("林浅");

        //生成代理对象,并将林浅传给代理对象
        Person monitor = new StudentsProxy(linqian);

        //班长代理交作业
        monitor.giveTask();
    }
}

运行结果:

这里并没有直接通过林浅(被代理对象)来执行交作业的行为,而是通过班长(代理对象)来代理执行了。这就是代理模式。代理模式就是在访问实际对象时引入一定程度的间接性,这里的间接性就是指不直接调用实际对象的方法,那么我们在代理过程中就可以加上一些其他用途。比如班长在帮林浅交作业的时候想告诉老师最近林浅的进步很大,就可以轻松的通过代理模式办到。在代理类的交作业之前加入方法即可。这个优点就可以运用在spring中的AOP,我们能在一个切点之前执行一些操作,在一个切点之后执行一些操作,这个切点就是一个个方法。这些方法所在类肯定就是被代理了,在代理过程中切入了一些其他操作。

3.2 动态代理

动态代理和静态代理的区别是,静态代理的的代理类是我们自己定义好的,在程序运行之前就已经变异完成,但是动态代理的代理类是在程序运行时创建的。相比于静态代理,动态代理的优势在于可以很方便的对代理类的函数进行统一的处理,而不用修改每个代理类中的方法。比如我们想在每个代理方法之前都加一个处理方法,我们上面的例子中只有一个代理方法,如果还有很多的代理方法,就太麻烦了,我们来看下动态代理是怎么去实现的。

首先还是定义一个Person接口:

/**
 * Created by Mapei on 2018/11/7
 * 创建person接口
 */
public interface Person {
    //交作业
    void giveTask();
}

接下来是创建需要被代理的实际类,也就是学生类:

/**
 * Created by Mapei on 2018/11/7
 */
public class Student implements Person {
    private String name;
    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void giveTask() {
        System.out.println(name + "交语文作业");
    }
}

创建StuInvocationHandler类,实现InvocationHandler接口,这个类中持有一个被代理对象的实例target。InvocationHandler中有一个invoke方法,所有执行代理对象的方法都会被替换成执行invoke方法。

/**
 * Created by Mapei on 2018/11/7
 */
public class StuInvocationHandler<T> implements InvocationHandler {
    //invocationHandler持有的被代理对象
    T target;

    public StuInvocationHandler(T target) {
        this.target = target;
    }

    /**
     * proxy:代表动态代理对象
     * method:代表正在执行的方法
     * args:代表调用目标方法时传入的实参
     */
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("代理执行" +method.getName() + "方法");
        Object result = method.invoke(target, args);
        return result;
    }
}

那么接下来我们就可以具体的创建代理对象了。

/**
 * Created by Mapei on 2018/11/7
 * 代理类
 */
public class ProxyTest {
    public static void main(String[] args) {

        //创建一个实例对象,这个对象是被代理的对象
        Person linqian = new Student("林浅");

        //创建一个与代理对象相关联的InvocationHandler
        InvocationHandler stuHandler = new StuInvocationHandler<Person>(linqian);

        //创建一个代理对象stuProxy来代理linqian,代理对象的每个执行方法都会替换执行Invocation中的invoke方法
        Person stuProxy = (Person) Proxy.newProxyInstance(Person.class.getClassLoader(), new Class<?>[]{Person.class}, stuHandler);

        //代理执行交作业的方法
        stuProxy.giveTask();
    }
}

我们执行代理测试类,首先我们创建了一个需要被代理的学生林浅,将林浅传入stuHandler中,我们在创建代理对象stuProxy时,将stuHandler作为参数,那么所有执行代理对象的方法都会被替换成执行invoke方法,也就是说,最后执行的是StuInvocationHandler中的invoke方法。所以在看到下面的运行结果也就理所当然了。

那么到这里问题就来了,为什么代理对象执行的方法都会通过InvocationHandler中的invoke方法来执行,带着这个问题,我们需要看一下动态代理的源码,对他进行简单的分析。

上面我们使用Proxy类的newProxyInstance方法创建了一个动态代理对象,看一下他的源码:

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);
        }

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

        /*
         * Invoke its constructor with the designated invocation handler.
         */
        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<Void>() {
                    public Void run() {
                        cons.setAccessible(true);
                        return null;
                    }
                });
            }
            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);
        }
  }

然后,我们需要重点关注Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs)这句代码,这里产生了代理类,这个类就是动态代理的关键,由于是动态生成的类文件,我们将这个类文件打印到文件中。

        byte[] classFile = ProxyGenerator.generateProxyClass("$Proxy0", Student.class.getInterfaces());
        String path = "/Users/mapei/Desktop/okay/65707.class";

        try{
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(path);
            fos.write(classFile);
            fos.flush();
            System.out.println("代理类class文件写入成功");
        }catch (Exception e) {
            System.out.println("写文件错误");
        }

对这个class文件进行反编译,我们看看jdk为我们生成了什么样的内容:

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;
import proxy.Person;

public final class $Proxy0 extends Proxy implements Person
{
  private static Method m1;
  private static Method m2;
  private static Method m3;
  private static Method m0;

  /**
  *注意这里是生成代理类的构造方法,方法参数为InvocationHandler类型,看到这,是不是就有点明白
  *为何代理对象调用方法都是执行InvocationHandler中的invoke方法,而InvocationHandler又持有一个
  *被代理对象的实例,就可以去调用真正的对象实例。
  */
  public $Proxy0(InvocationHandler paramInvocationHandler)
    throws 
  {
    super(paramInvocationHandler);
  }

  //这个静态块本来是在最后的,我把它拿到前面来,方便描述
   static
  {
    try
    {
      //看看这儿静态块儿里面的住giveTask通过反射得到的名字m3,其他的先不管
      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("proxy.Person").getMethod("giveTask", new Class[0]);
      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());
    }
  }

  /**
  * 
  *这里调用代理对象的giveMoney方法,直接就调用了InvocationHandler中的invoke方法,并把m3传了进去。
  *this.h.invoke(this, m3, null);我们可以对将InvocationHandler看做一个中介类,中介类持有一个被代理对象,在invoke方法中调用了被代理对象的相应方法。通过聚合方式持有被代理对象的引用,把外部对invoke的调用最终都转为对被代理对象的调用。
  */
  public final void giveTask()
    throws 
  {
    try
    {
      this.h.invoke(this, m3, null);
      return;
    }
    catch (Error|RuntimeException localError)
    {
      throw localError;
    }
    catch (Throwable localThrowable)
    {
      throw new UndeclaredThrowableException(localThrowable);
    }
  }

}

看完了动态代理的源码,我们接下来就要看一下Spring中AOP实现的源码是怎样的?

4. 部分源码解析

aop创建代理的源码分析

  1. 看一下bean如何被包装为proxy
           protected Object createProxy(
           Class<?> beanClass, String beanName, Object[] specificInterceptors, TargetSource targetSource) {

       if (this.beanFactory instanceof ConfigurableListableBeanFactory) {
           AutoProxyUtils.exposeTargetClass((ConfigurableListableBeanFactory) this.beanFactory, beanName, beanClass);
       }

       // 1.创建proxyFactory,proxy的生产主要就是在proxyFactory做的
       ProxyFactory proxyFactory = new ProxyFactory();
       proxyFactory.copyFrom(this);

       if (!proxyFactory.isProxyTargetClass()) {
           if (shouldProxyTargetClass(beanClass, beanName)) {
               proxyFactory.setProxyTargetClass(true);
           }
           else {
               evaluateProxyInterfaces(beanClass, proxyFactory);
           }
       }

       // 2.将当前bean适合的advice,重新封装下,封装为Advisor类,然后添加到ProxyFactory中
       Advisor[] advisors = buildAdvisors(beanName, specificInterceptors);
       for (Advisor advisor : advisors) {
           proxyFactory.addAdvisor(advisor);
       }

       proxyFactory.setTargetSource(targetSource);
       customizeProxyFactory(proxyFactory);

       proxyFactory.setFrozen(this.freezeProxy);
       if (advisorsPreFiltered()) {
           proxyFactory.setPreFiltered(true);
       }

       // 3.调用getProxy获取bean对应的proxy
       return proxyFactory.getProxy(getProxyClassLoader());
   }
  1. 创建何种类型的Proxy?JDKProxy还是CGLIBProxy?
    public Object getProxy(ClassLoader classLoader) {
        return createAopProxy().getProxy(classLoader);
    }
    // createAopProxy()方法就是决定究竟创建何种类型的proxy
    protected final synchronized AopProxy createAopProxy() {
        if (!this.active) {
            activate();
        }
        // 关键方法createAopProxy()
        return getAopProxyFactory().createAopProxy(this);
    }

    // createAopProxy()
    public AopProxy createAopProxy(AdvisedSupport config) throws AopConfigException {
        // 1.config.isOptimize()是否使用优化的代理策略,目前使用与CGLIB
        // config.isProxyTargetClass() 是否目标类本身被代理而不是目标类的接口
        // hasNoUserSuppliedProxyInterfaces()是否存在代理接口
        if (config.isOptimize() || config.isProxyTargetClass() || hasNoUserSuppliedProxyInterfaces(config)) {
            Class<?> targetClass = config.getTargetClass();
            if (targetClass == null) {
                throw new AopConfigException("TargetSource cannot determine target class: " +
                        "Either an interface or a target is required for proxy creation.");
            }

            // 2.如果目标类是接口类(目标对象实现了接口),则直接使用JDKproxy
            if (targetClass.isInterface() || Proxy.isProxyClass(targetClass)) {
                return new JdkDynamicAopProxy(config);
            }

            // 3.其他情况则使用CGLIBproxy
            return new ObjenesisCglibAopProxy(config);
        }
        else {
            return new JdkDynamicAopProxy(config);
        }
    }
  1. getProxy()方法
   final class JdkDynamicAopProxy implements AopProxy, InvocationHandler, Serializable// JdkDynamicAopProxy类结构,由此可知,其实现了InvocationHandler,则必定有invoke方法,来被调用,也就是用户调用bean相关方法时,此invoke()被真正调用
   // getProxy()
   public Object getProxy(ClassLoader classLoader) {
       if (logger.isDebugEnabled()) {
           logger.debug("Creating JDK dynamic proxy: target source is " + this.advised.getTargetSource());
       }
       Class<?>[] proxiedInterfaces = AopProxyUtils.completeProxiedInterfaces(this.advised, true);
       findDefinedEqualsAndHashCodeMethods(proxiedInterfaces);

       // JDK proxy 动态代理的标准用法
       return Proxy.newProxyInstance(classLoader, proxiedInterfaces, this);
   }
  1. invoke()方法法
    //使用了JDK动态代理模式,真正的方法执行在invoke()方法里,看到这里在想一下上面动态代理的例子,是不是就完全明白Spring源码实现动态代理的原理了。
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        MethodInvocation invocation;
        Object oldProxy = null;
        boolean setProxyContext = false;

        TargetSource targetSource = this.advised.targetSource;
        Class<?> targetClass = null;
        Object target = null;

        try {
            // 1.以下的几个判断,主要是为了判断method是否为equals、hashCode等Object的方法
            if (!this.equalsDefined && AopUtils.isEqualsMethod(method)) {
                // The target does not implement the equals(Object) method itself.
                return equals(args[0]);
            }
            else if (!this.hashCodeDefined && AopUtils.isHashCodeMethod(method)) {
                // The target does not implement the hashCode() method itself.
                return hashCode();
            }
            else if (method.getDeclaringClass() == DecoratingProxy.class) {
                // There is only getDecoratedClass() declared -> dispatch to proxy config.
                return AopProxyUtils.ultimateTargetClass(this.advised);
            }
            else if (!this.advised.opaque && method.getDeclaringClass().isInterface() &&
                    method.getDeclaringClass().isAssignableFrom(Advised.class)) {
                // Service invocations on ProxyConfig with the proxy config...
                return AopUtils.invokeJoinpointUsingReflection(this.advised, method, args);
            }

            Object retVal;

            if (this.advised.exposeProxy) {
                // Make invocation available if necessary.
                oldProxy = AopContext.setCurrentProxy(proxy);
                setProxyContext = true;
            }

            // May be null. Get as late as possible to minimize the time we "own" the target,
            // in case it comes from a pool.
            target = targetSource.getTarget();
            if (target != null) {
                targetClass = target.getClass();
            }
            // 2.获取当前bean被拦截方法链表
            List<Object> chain = this.advised.getInterceptorsAndDynamicInterceptionAdvice(method, targetClass);

            // 3.如果为空,则直接调用target的method
            if (chain.isEmpty()) {
                Object[] argsToUse = AopProxyUtils.adaptArgumentsIfNecessary(method, args);
                retVal = AopUtils.invokeJoinpointUsingReflection(target, method, argsToUse);
            }
            // 4.不为空,则逐一调用chain中的每一个拦截方法的proceed,这里的一系列执行的原因以及proceed执行的内容,我 在这里就不详细讲了,大家感兴趣可以自己去研读哈
            else {
                // We need to create a method invocation...
                invocation = new ReflectiveMethodInvocation(proxy, target, method, args, targetClass, chain);
                // Proceed to the joinpoint through the interceptor chain.
                retVal = invocation.proceed();
            }

            ...
            return retVal;
        }
    }
    }

那么到了这里,我要讲的内容就差不多结束了,如果有什么不对的,或者有什么疑惑,欢迎大家指点!

原文发布于微信公众号 - JAVA高级架构(gaojijiagou)

原文发表时间:2018-11-27

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