搞懂Java动态代理

前言

在日常开发中，我们经常接触到Spring AOP、Mybatis DAO接口映射、hsf consumer调用这些概念，而这些技术的实现又都绕不开动态代理。这篇文章，旨在彻底的搞懂动态代理是个什么鬼，JDK中如何实现动态代理这两个点。

java 静态代理

静态代理通常用于对原有业务逻辑的扩充。比如持有二方包的某个类，并调用了其中的某些方法。然后出于某种原因，比如记录日志、打印方法执行时间，但是又不好将这些逻辑写入二方包的方法里。所以可以创建一个代理类实现和二方方法相同的方法，通过让代理类持有真实对象，然后在原代码中调用代理类方法，来达到添加我们需要业务逻辑的目的。

这其实也就是代理模式的一种实现，通过对真实对象的封装，来实现扩展性。

一个典型的代理模式通常有三个角色，这里称之为代理三要素

共同接口

public interface Action {
    public void doSomething();
}

真实对象

public class RealObject implements Action{

    public void doSomething() {
        System.out.println("do something");
    }
}

代理对象

public class Proxy implements Action {
    private Action realObject;

    public Proxy(Action realObject) {
        this.realObject = realObject;
    }
    public void doSomething() {
        System.out.println("proxy do");
        realObject.doSomething();
    }
}

运行代码

    Proxy proxy = new Proxy(new RealObject());
    proxy.doSomething();

这种代理模式也最为简单，就是通过proxy持有realObject的引用，并进行一层封装。

静态代理的优点和缺点

先看看代理模式的优点： 扩展原功能，不侵入原代码。

再看看这种代理模式的缺点：

假如有这样一个需求，有十个不同的RealObject，同时我们要去代理的方法是不同的，比要代理方法：doSomething、doAnotherThing、doTwoAnotherThing，添加代理前，原代码可能是这样的：

realObject.doSomething();
realObject1.doAnotherThing();
realObject2.doTwoAnother();

为了解决这个问题，我们有方案一：

为这些方法创建不同的代理类，代理后的代码是这样的：

proxy.doSomething();
proxy1.doAnotherThing();
proxy2.doTwoAnother();

当然，也有方案二：

通过创建一个proxy，持有不同的realObject，实现Action1、Action2、Action3接口，来让代码变成这样：

proxy.doSomething();
proxy.doAnotherThing();
proxy.doTwoAnother();

于是你的代理模型会变成这样：

毫无疑问，仅仅为了扩展同样的功能，在方案一种，我们会重复创建多个逻辑相同，仅仅RealObject引用不同的Proxy。

而在方案二中，会导致proxy的膨胀，而且这种膨胀往往是无意义的。此外，假如方法签名是相同的，更需要在调用的时候引入额外的判断逻辑。

在这里，让我们忘掉方案二，再回头看一下方案一，想一下它是什么？解决了什么问题？是如何解决的？然后，我们来看动态代理。

java 动态代理

搞清楚静态代理的缺点十分重要，因为动态代理的目的就是为了解决静态代理的缺点。通过使用动态代理，我们可以通过在运行时，动态生成一个持有RealObject、并实现代理接口的Proxy，同时注入我们相同的扩展逻辑。哪怕你要代理的RealObject是不同的对象，甚至代理不同的方法，都可以动过动态代理，来扩展功能。

简单理解，动态代理就是我们上面提到的方案一，只不过这些proxy的创建都是自动的并且是在运行期生成的。

动态代理基本用法

使用动态代理，需要将要扩展的功能写在一个InvocationHandler 实现类里：

public class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
    private Object realObject;

    public DynamicProxyHandler(Object realObject) {
        this.realObject = realObject;
    }

    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        //代理扩展逻辑
        System.out.println("proxy do");

        return method.invoke(realObject, args);
    }
}

这个Handler中的invoke方法中实现了代理类要扩展的公共功能。

到这里，需要先看一下这个handler的用法：

public static void main(String[] args) {
        RealObject realObject = new RealObject();
        Action proxy = (Action) Proxy.newProxyInstance(ClassLoader.getSystemClassLoader(), new Class[]{Action.class}, new DynamicProxyHandler(realObject));
        proxy.doSomething();
}

Proxy.newProxyInstance 传入的是一个ClassLoader， 一个代理接口，和我们定义的handler，返回的是一个Proxy的实例。

仔细体会这个过程，其实有点类似我们在静态代理中提到的方案一，生成了一个包含我们扩展功能，持有RealObject引用，实现Action接口的代理实例Proxy。只不过这个Proxy不是我们自己写的，而是java帮我们生成的，有没有一点动态的味道。

让我们再回顾一下代理三要素：真实对象：RealObject，代理接口：Action，代理实例：Proxy

上面的代码实含义也就是，输入 RealObject、Action，返回一个Proxy。妥妥的代理模式。

综上，动态生成+代理模式，也就是动态代理。
网上搜了不少文章，到了这里，接下来就是和cglib等动态代理实现方法做一下横向比较。本文不做横向比较，为了不偏离主题，接下来做纵向挖掘。

看一下源码

道理清楚了，但是这篇文章题目是搞懂，所以来看一下这个Proxy是如何自动被生成的。入口就在newProxyInstance方法，核心代码如下：

private static final Class<?>[] constructorParams =
        { InvocationHandler.class };

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                          Class<?>[] interfaces,
                                          InvocationHandler h)
        throws IllegalArgumentException
{
    Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
    ...
    final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);

    if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
           AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
              public Void run() {
             cons.setAccessible(true);
             return null;
          }
           });
    }
return cons.newInstance(new Object[]{h});
}

整体流程就是：

1、生成代理类Proxy的Class对象。

2、如果Class作用域为私有，通过 setAccessible 支持访问

3、获取Proxy Class构造函数，创建Proxy代理实例。

生成Proxy的Class文件

生成Class对象的方法中，先是通过传进来的ClassLoader参数和Class[] 数组作为组成键，维护了一个对于Proxy的Class对象的缓存。这样需要相同Proxy的Class对象时，只需要创建一次。

第一次创建该Class文件时，为了线程安全，方法进行了大量的处理，最后会来到ProxyClassFactory的apply方法中，经过以下流程：

1、校验传入的接口是否由传入的ClassLoader加载的。

2、校验传入是否是接口的Class对象。

3、校验是否传入重复的接口。

4、拼装代理类包名和类名，生成.class 文件的字节码。

5、调用native方法，传入字节码，生成Class对象。

proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
                proxyName, interfaces, accessFlags);
return defineClass0(loader, proxyName,
                                    proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);

看一下第四步生成.class文件字节码的过程，主要分为两个阶段：

addProxyMethod(hashCodeMethod, Object.class);
addProxyMethod(equalsMethod, Object.class);
addProxyMethod(toStringMethod, Object.class);

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]);
    }
}
methods.add(this.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());

第一个阶段的代码比较清晰，主要就是添加各种Method，比如toString()、equals，以及传入的代理接口中的方法。再添加一下构造方法以及静态初始化方法。这要构成了一个对象，存储生成Proxy的Class的一些信息。

到了这里，已经把要构造的Proxy的方法基本定义完成了，接下来就要生成这个.class文件了。

 ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream();
 DataOutputStream dout = new DataOutputStream(bout);
 dout.writeInt(0xCAFEBABE);
 ...
 dout.writeShort(ACC_PUBLIC | ACC_FINAL | ACC_SUPER);
 ...
 return bout.toByteArray();

看到这个CAFEBABE，就清楚第二阶段的内容了。CAFEBABE是Class文件的魔数，关于Class文件这个咖啡宝贝的魔数，相信做Java的人都知道。没错，第二阶段就是生成字节码。按JVM规范，写入Class文件中包括权限控制、方法表、字段表等内容，生成符合规范的Class文件。最后返回对应的字节码。

字节码生成以后，通过调用native方法defineClass解析字节码，就生成了Proxy的Class对象。

Proxy构造方法

看一下Proxy的构造方法字节码生成部分：

MethodInfo minfo = new MethodInfo("<init>", "(Ljava/lang/reflect/InvocationHandler;)V",ACC_PUBLIC);
DataOutputStream out = new DataOutputStream(minfo.code);
code_aload(0, out);
code_aload(1, out);
out.writeByte(opc_invokespecial);
out.writeShort(cp.getMethodRef(superclassName,"<init>", "(Ljava/lang/reflect/InvocationHandler;)V"));
...

关键在于，生成了一个参数为InvocationHandler的构造方法，code加载的是jvm方法区中的代码，然后通过invokespecial指令调用了父类构造方法。

查看生成的Class文件

上面利用字节码生成技术产生Class文件的过程，看起来可能比较晦涩，其实我们可以查看这个产生的Proxy到底是个什么样子。

注意ProxyGenerator中有这样一个逻辑：

if(saveGeneratedFiles) {
    ...
    FileOutputStream file = new FileOutputStream(dotToSlash(name) + ".class");
    file.write(classFile);
    ...
 }

再看一下saveGeneratedFiles这个变量：

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

这是一个final类型的变量，通过GetBooleanAction方法读取系统变量，获取系统设置。默认这个值是false，稍微看一下System这个类的源码，发现有可以设置系统变量的Api，然后在程序的main 函数设置一下这个变量：

System.getProperties().setProperty("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");

这个时候，再跑一遍程序，就可以看到生成的Proxy的Class文件了，直接双击利用 ide 反编译。

package com.sun.proxy;

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 Action {
    private static Method m1;
    private static Method m3;
    private static Method m2;
    private static Method m0;

    public $Proxy0(InvocationHandler var1) throws  {
        super(var1);
    }


    public final void doSomething() throws  {
        try {
            super.h.invoke(this, m3, (Object[])null);
        } catch (RuntimeException | Error var2) {
            throw var2;
        } catch (Throwable var3) {
            throw new UndeclaredThrowableException(var3);
        }
    }

    ...

    static {
        try {
           ...
            m3 = Class.forName("Action").getMethod("doSomething", new Class[0]);
        } catch (NoSuchMethodException var2) {
            throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());
        } catch (ClassNotFoundException var3) {
            throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());
        }
    }
}

省略一些无关代码，可以看到两个重要的方法。

一个就是我们的代理方法doSomething、另一个就是构造方法。

这个$Proxy0 继承 Proxy并调用了父类的构造方法，回忆一下上文提到的invokeSpecial，怎么样，对上了吧。

看一下Proxy中这个构造方法：

    protected Proxy(InvocationHandler h) {
        Objects.requireNonNull(h);
        this.h = h;
    }

在看一下$Proxy0 的代理方法：

super.h.invoke(this, m3, (Object[])null);

再来回顾一下生成Proxy实例的过程：

private static final Class<?>[] constructorParams =
        { InvocationHandler.class };
...
final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
...
return cons.newInstance(new Object[]{h});    

怎么样，是不是豁然开朗了？

其实newInstance生成Proxy实例时，通过$Proxy0的Class对象，选择了这个InvocationHandler为参数的构造方法，传入我们定义的InvocationHandler并生成了一个 Proxy0的实例！InvocationHandler 里有realObject的逻辑以及我们的扩展逻辑，当我们调用Proxy0的doSomething方法时，就会调用到我们InvocationHandler 里 实现的invoke方法。

对上面这个过程，做一张图总结一下：

总结

到了这里，在回顾一下我们开头提到的那个蠢蠢的方案一。动态代理真的高深么？不，其实它也只是采用方案一来解决我们的问题而已，只不过是利用字节码技术，自动帮我们生成了代码，减少了我们的重复劳动。怪不得都说，一个优秀的程序员，可能也是一个“懒惰”的程序员~