Java动态代理研究

浅说动态代理

关于java的代理模式，此处不过多讲解。所谓代理模式是指客户端并不直接调用实际的对象，而是通过调用代理，来间接的调用实际的对象。动态代理指被代理者委托代理者完成相应的功能，是拦截器的一种实现方式，其用于拦截类或接口，内部可通过判断实现对某个方法的拦截。
日常使用中可能经常需要在方法调用时进行拦截，如调用前记录一下调用开始时间，调用结束后记录结束时间，就可以很方便的计算出调用方法的业务逻辑处理耗时。

动态代理使用

简单的看下最简单的使用：

  1. 编写一个接口：
package my.java.reflect.test;

public interface Animal {
    void sayHello();
}
  1. 委托类
public class Dog implements Animal {
    public void sayHello() {
        System.out.println("wang wang!");
    }
}
  1. 拦截器
package my.java.reflect.test;

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

public class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {
    private Object target;
    
    public Object bind(Object realObj) {
        this.target = realObj;
        Class<?>[] interfaces = target.getClass().getInterfaces();
        ClassLoader classLoader = this.getClass().getClassLoader();
        return Proxy.newProxyInstance(classLoader, interfaces, this);
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("proxy method");
        return method.invoke(target, args);
    }
    
}
  1. 测试类
package my.java.reflect.test;

import org.junit.Test;

public class ProxyTest {
    
    @Test
    public void testNewProxyInstance() {
        Dog dog = new Dog();
        Animal proxy = (Animal) new MyInvocationHandler().bind(dog);
        proxy.sayHello();
    }

}
  1. 输出
proxy method
wang wang!

动态代理原理总结

之所以将原理先总结了，因为希望把原理先用最简洁的语言说清楚，再来深入分析，否则在深入分析阶段粘贴过多的源码可能会导致阅读兴趣下降。

  1. 通过Proxy#newProxyInstance方法得到代理对象实例；
  2. 这个代理对象有着和委托类一模一样的方法；
  3. 当调用代理对象实例的方法时，这个实例会调用你实现InvocationHandler里的invoke方法。

而这里，最复杂的显然是得到代理对象实例了，怎么得到的呢？来，看看源码！

动态代理原理

要了解java动态代理的原理只要从Proxy#newProxyInstance入手即可。

  1. 先看newProxyInstance方法，关注有中文注释的地方即可
@CallerSensitive
public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                      Class<?>[] interfaces,
                                      InvocationHandler h)
    throws IllegalArgumentException
{
    if (h == null) {// 没有实现InvocationHandler，直接失败
        throw new NullPointerException();
    }

    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.
     * 查找或者生成代理类的Class对象
     */
    Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);

    /*
     * Invoke its constructor with the designated invocation handler.
     */
    try {
        // 拿到代理对象的构造方法
        final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
        final InvocationHandler ih = h;
        if (sm != null && ProxyAccessHelper.needsNewInstanceCheck(cl)) {
            // create proxy instance with doPrivilege as the proxy class may
            // implement non-public interfaces that requires a special permission
            return AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Object>() {
                public Object run() {
                    return newInstance(cons, ih);
                }
            });
        } else {
            // 构造出代理对象实例
            return newInstance(cons, ih);
        }
    } catch (NoSuchMethodException e) {
        throw new InternalError(e.toString());
    }
}

// 利用反射调用构造方法，产生代理实例，没什么好说的
private static Object newInstance(Constructor<?> cons, InvocationHandler h) {
    try {
        return cons.newInstance(new Object[] {h} );
    } catch (IllegalAccessException | InstantiationException e) {
        throw new InternalError(e.toString());
    } catch (InvocationTargetException e) {
        Throwable t = e.getCause();
        if (t instanceof RuntimeException) {
            throw (RuntimeException) t;
        } else {
            throw new InternalError(t.toString());
        }
    }
}

以上这段代码的核心在

/*
 * Look up or generate the designated proxy class.
 * 查找或者生成代理类的Class对象
 */
Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
  1. 查看getProxyClass0方法
private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                       Class<?>... interfaces) {
    if (interfaces.length > 65535) {// 你的类如果实现了超过65535个接口，这个方法疯了。
        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
        // 如果委托类的接口已经存在于缓存中，则返回，否则利用ProxyClassFactory产生一个新的代理类的Class对象
    return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
}

这段话的核心很显然就是proxyClassCache.get(loader, interfaces)，其中proxyClassCache是一个缓存：

/**
 * a cache of proxy classes
 */
private static final WeakCache<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
        proxyClassCache = new WeakCache<>(new KeyFactory(), new ProxyClassFactory());
  1. 继续看proxyClassCache.get(loader, interfaces)，对应的是java.lang.reflect.WeakCache<K, P, V>#get，一大段代码就为了返回一个代理类的Class对象，关注中文注释处即可：
public V get(K key, P parameter) {
    Objects.requireNonNull(parameter);

    expungeStaleEntries();

    Object cacheKey = CacheKey.valueOf(key, refQueue);

    // lazily install the 2nd level valuesMap for the particular cacheKey
    ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> valuesMap = map.get(cacheKey);
    if (valuesMap == null) {
        ConcurrentMap<Object, Supplier<V>> oldValuesMap
            = map.putIfAbsent(cacheKey,
                              valuesMap = new ConcurrentHashMap<>());
        if (oldValuesMap != null) {
            valuesMap = oldValuesMap;
        }
    }

    // create subKey and retrieve the possible Supplier<V> stored by that
    // subKey from valuesMap
    Object subKey = Objects.requireNonNull(subKeyFactory.apply(key, parameter));
    Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
    Factory factory = null;

    while (true) {
        if (supplier != null) {
            // supplier might be a Factory or a CacheValue<V> instance
                         // 关键点在这里
            V value = supplier.get();
            if (value != null) {
                return value;
            }
        }
        // else no supplier in cache
        // or a supplier that returned null (could be a cleared CacheValue
        // or a Factory that wasn't successful in installing the CacheValue)

        // lazily construct a Factory
        if (factory == null) {
            factory = new Factory(key, parameter, subKey, valuesMap);
        }

        if (supplier == null) {
            supplier = valuesMap.putIfAbsent(subKey, factory);
            if (supplier == null) {
                // successfully installed Factory
                supplier = factory;
            }
            // else retry with winning supplier
        } else {
            if (valuesMap.replace(subKey, supplier, factory)) {
                // successfully replaced
                // cleared CacheEntry / unsuccessful Factory
                // with our Factory
                supplier = factory;
            } else {
                // retry with current supplier
                supplier = valuesMap.get(subKey);
            }
        }
    }
}

这段代码的核心就在V value = supplier.get();，通过这段代码，代理类的Class的对象就出来了。

  1. 查看subKeyFactory.apply(key, parameter)，这段代码还是在WeakCache里：
@Override
public synchronized V get() { // serialize access
    // re-check
    Supplier<V> supplier = valuesMap.get(subKey);
    if (supplier != this) {
        // something changed while we were waiting:
        // might be that we were replaced by a CacheValue
        // or were removed because of failure ->
        // return null to signal WeakCache.get() to retry
        // the loop
        return null;
    }
    // else still us (supplier == this)

    // create new value
    V value = null;
    try {
                // 核心点在这里
        value = Objects.requireNonNull(valueFactory.apply(key, parameter));
    } finally {
        if (value == null) { // remove us on failure
            valuesMap.remove(subKey, this);
        }
    }
    // the only path to reach here is with non-null value
    assert value != null;

    // wrap value with CacheValue (WeakReference)
    CacheValue<V> cacheValue = new CacheValue<>(value);

    // try replacing us with CacheValue (this should always succeed)
    if (valuesMap.replace(subKey, this, cacheValue)) {
        // put also in reverseMap
        reverseMap.put(cacheValue, Boolean.TRUE);
    } else {
        throw new AssertionError("Should not reach here");
    }

    // successfully replaced us with new CacheValue -> return the value
    // wrapped by it
    return value;
}

回看proxyClassCache可以知道valueFacotry对应的是ProxyClassFactory类，这是java.reflect.Proxy的内部类：

@Override
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);// 看下接口对应的类文件有没有被ClassLoader加载
        } catch (ClassNotFoundException e) {
        }
        if (interfaceClass != intf) {
            throw new IllegalArgumentException(
                intf + " is not visible from class loader");
        }
        /*
         * Verify that the Class object actually represents an
         * interface.
         */
        if (!interfaceClass.isInterface()) {// 看下是不是都是接口
            throw new IllegalArgumentException(
                interfaceClass.getName() + " is not an interface");
        }
        /*
         * Verify that this interface is not a duplicate.
         */
        if (interfaceSet.put(interfaceClass, Boolean.TRUE) != null) {// 接口不能重复
            throw new IllegalArgumentException(
                "repeated interface: " + interfaceClass.getName());
        }
    }

    String proxyPkg = null;     // package to define proxy class in

    /*
     * Record the package of a non-public proxy interface so that the
     * proxy class will be defined in the same package.  Verify that
     * all non-public proxy interfaces are in the same package.
     */
    for (Class<?> intf : interfaces) {
        int flags = intf.getModifiers();
        if (!Modifier.isPublic(flags)) {// 接口不是public的，截取包名，保证代理类跟委托类同一个包下
            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) {// 是public的接口，拼接成com.sun.proxy$Proxy，再拼接一个数字
        // if no non-public proxy interfaces, use com.sun.proxy package
        proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
    }

    /*
     * Choose a name for the proxy class to generate.
     */
    long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
    String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;

    /*
     * Generate the specified proxy class.
     */
        // 核心，生成代理类的字节码
    byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
        proxyName, interfaces);
    try {
                // 根据字节码生成代理类Class对象，native方法，看过类加载器的童鞋应该不陌生
        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());
    }
}

这段代码前面一大段就是检查、校验接口，然后利用ProxyGenerator生成代理类的字节码数组，接着将字节码封装成Class对象，就是代理类的Class对象了。生成字节码数组的代码就不详细说了。

  1. 将字节码数组写到文件里查看一下：
byte[] data = ProxyGenerator.generateProxyClass(“Animal$Proxy”, new Class[] { Animal.class });
FileOutputStream out = new FileOutputStream("Animal$Proxy.class");
out.write(data);
  1. 利用jd-gui反编译工具可以看看代理类的源码：
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;

public final class Animal$Proxy extends Proxy implements my.java.reflect.test.Animal {
    private static Method m3;
    private static Method m1;
    private static Method m0;
    private static Method m2;

    public Animal$Proxy(InvocationHandler paramInvocationHandler) {
        super(paramInvocationHandler);
    }

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

    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 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 {
            m3 = Class.forName("my.java.reflect.test.Animal").getMethod("sayHello", new Class[0]);
            m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals",
                    new Class[] { Class.forName("java.lang.Object") });
            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());
        }
    }
}

可以看到生成的代理类有一个构造方法，参数是InvocationHandler，然后回看我们第一步分析的时候，得到代理类的Class对象后，会通过反射得到代理类的构造方法，接着调用构造方法，参数就是InvocationHandler。
在代理类的源码里，最值得注意的就是m3，这个对应的是Animal的sayHello方法，当我们通过MyInvocationHandler#bind方法得到代理对象实例后，调用代理对象Animal$Proxy的sayHello方法，就会执行：

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

正好是我们在MyInvocationHandler实现的invoke方法，这样就完成了代理的功能。

可以看看生成的代理类public final class Animal$Proxy extends Proxy implements my.java.reflect.test.Animal继承Proxy实现被代理对象的相同接口，也就拥有了相同的方法，这也就是为什么jdk里的动态代理要求你被代理的对象必须有一个接口的原因。

用一个总结收尾

之所以将原理先总结了，因为希望把原理先用最简洁的语言说清楚，再来深入分析，否则在深入分析阶段粘贴过多的源码可能会导致阅读兴趣下降。

  1. 通过Proxy#newProxyInstance方法得到代理对象实例；
  2. 这个代理对象有着和委托类一模一样的方法；
  3. 当调用代理对象实例的方法时，这个实例会调用你实现InvocationHandler里的invoke方法。

这里面无疑第一步是最复杂的，这里大概经历了：

  1. 利用参数中的接口，通过缓存或者利用ProxyGenerator生成字节码并生成代理类的Class对象；
  2. 通过反射得到代理对象的构造方法；
  3. 通过构造方法和InvocationHandler参数通过反射实例化出代理对象实例。
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