Java 動態代理的底層原理

1. 代理模式

代理模式是常用的設計模式之一,其特徵是代理類與被代理類有相同的接口,代理類可以爲被代理類方法執行進行前置後置處理,增強被代理類方法

在這裏插入圖片描述

代理模式的類結構通常如上圖所示,代理類與被代理類之間會存在關聯關係,一個代理類的對象持有一個被代理類的對象。代理類的對象本身並不真正實現服務,而是通過調用被代理類對象的相關方法來提供特定的服務

2. 動態代理使用

代理類並不是在 Java 代碼中定義,而是在運行時根據在 Java 代碼中的“指示”動態生成(字節碼由JVM在運行時動態生成而非預存在任何一個 .class 文件中), 這種在程序運行時創建代理類的代理方式被稱爲動態代理,它的優勢在於可以方便地對代理類的函數進行統一處理。這是因爲所有被代理執行的方法,都是通過InvocationHandler#invoke()方法調用,相當於給被代理類所有方法套了一層殼,所以只要在這個方法中統一處理,就可以對所有被代理的方法進行相同的操作了

以下代碼展示了動態代理的簡單使用,其基本步驟如下:

  1. 定義一個公共接口,本例中爲 IHello,接口中有一個抽象方法
  2. 定義一個實現了公共接口的實體類作爲被代理類,本例中被代理類 Hello實現了 IHello接口,重寫了接口中的抽象方法
  3. 定義一個實現了 InvocationHandler 接口的方法攔截類,重寫 invoke() 方法實現攔截到被代理類方法執行時候的處理邏輯
  4. 通過 Proxy.newProxyInstance() 方法生成代理對象,持有代理對象之後執行接口方法即可
public class ServiceProxy {

    public interface IHello {
        String sayHi();
    }

    public static class Hello implements IHello {
        @Override
        public String sayHi() {
            return "Hello";
        }
    }

    // 動態代理類
    public static class ProxyHandler<T> implements InvocationHandler {
        private T origin;

        public ProxyHandler(T origin) {
            this.origin = origin;
        }

       /**
         * @param o 代理對象引用
         * @param method 正在執行目標的方法
         * @param objects 目標方法執行時的入參
        */
        @Override
        public Object invoke(Object o, Method method, Object[] objects) throws Throwable {
            String s = "proxy";
            s += method.invoke(origin, objects);
            return s;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        IHello IHello = (IHello) getInstance(IHello.class, new ProxyHandler<>(new Hello()));

        System.out.println(IHello.toString());

        generateProxyClass();
    }

    // 創建代理對象
    public static <T> Object getInstance(Class<T> clazz, ProxyHandler<T> handler) {
        return Proxy.newProxyInstance(clazz.getClassLoader(), new Class[]{clazz}, handler);
    }

    private static void generateProxyClass() {
        byte[] classFile = ProxyGenerator.generateProxyClass("$Proxy0", Hello.class.getInterfaces());
        String path = "/Users/nathan.yang/workspace/algorithm_Java/out/StuProxy.class";
        try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream(path)) {
            fos.write(classFile);
            fos.flush();
            System.out.println("代理類文件寫入成功");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("寫文件錯誤");
        }
    }
}

3. 動態代理原理

在這裏插入圖片描述

  1. Proxy#newProxyInstance() 方法是動態代理的入口,其生成動態代理對象主要有以下幾個步驟:

    1. getProxyClass0() 方法生成代理類
    2. 獲取到代理類後將 InvocationHandler 對象入參,反射調用構造方法生成動態代理對象
    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);
         }
     }
    
  2. Proxy#getProxyClass0() 方法其實是從一個 WeakCache 中去獲取代理類,其獲取邏輯是如果緩存類中沒有代理類的話就調用ProxyClassFactory#apply(),通過代理類工廠去即時生成一個代理類,其步驟如下:

    1. 首先通過指定的類加載器去驗證目標接口是否可被其加載
    2. 通過接口所在包等條件決定代理類所在包及代理類的全限定名稱,代理類名稱是包名+$Proxy+id
    3. 通過 ProxyGenerator.generateProxyClass() 生成字節碼數組,將其動態生成代理類並加載
    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);
                 } 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()) {
                     throw new IllegalArgumentException(
                         interfaceClass.getName() + " is not an interface");
                 }
                 /*
                  * Verify that this interface is not a duplicate.
                  */
                 if (interfaceSet.put(interfaceClass, Boolean.TRUE) != null) {
                     throw new IllegalArgumentException(
                         "repeated interface: " + interfaceClass.getName());
                 }
             }
    
             String proxyPkg = null;     // package to define proxy class in
             int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;
    
             /*
              * 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)) {
                     accessFlags = Modifier.FINAL;
                     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) {
                 // 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.
              */
             byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
                 proxyName, interfaces, accessFlags);
             try {
                 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());
             }
         }
    
  3. 反射獲取到代理類參數爲 InvocationHandler.class 的構造器,其實也就是 Proxy 的帶參構造器,調用構造器cons.newInstance(new Object[]{h})生成代理對象

    protected Proxy(InvocationHandler h) {
         Objects.requireNonNull(h);
         this.h = h;
     }
    
  4. 通過以下代碼可以將 JVM 中加載的代理類輸出成 class 文件,之後就可以使用反編譯工具查看代理類的源碼

    private static void generateProxyClass() {
         byte[] classFile = ProxyGenerator.generateProxyClass("$Proxy0", Hello.class.getInterfaces());
         String path = "/Users/nathan/workspace/algorithm_Java/out/StuProxy.class";
         try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream(path)) {
             fos.write(classFile);
             fos.flush();
             System.out.println("代理類文件寫入成功");
         } catch (Exception e) {
             System.out.println("寫文件錯誤");
         }
     }
    
  5. 生成的代理類源碼如下,很明顯可以看到該類實現動態代理的原理:

    1. 通過 static 代碼塊將被代理類中每一個方法封裝爲 Method 對象,生成方法表
    2. 代理類對象執行被代理類同名方法時,通過其父類Proxy保留的指向InvocationHandler對象的引用調用 InvocationHandler#invoke() 方法,完成動態代理
    public final class $Proxy0 extends Proxy implements IHello {
     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 String sayHi() throws  {
         try {
           // 父類 Proxy 保留的指向 InvocationHandler 對象的引用調用 invoke() 方法
             return (String)super.h.invoke(this, m3, (Object[])null);
         } catch (RuntimeException | Error var2) {
             throw var2;
         } catch (Throwable var3) {
             throw new UndeclaredThrowableException(var3);
         }
     }
    
     public final String toString() throws  {
         try {
             return (String)super.h.invoke(this, m2, (Object[])null);
         } catch (RuntimeException | Error var2) {
             throw var2;
         } catch (Throwable var3) {
             throw new UndeclaredThrowableException(var3);
         }
     }
    
    ......
    
    // 方法表
     static {
         try {
             m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", Class.forName("java.lang.Object"));
             m3 = Class.forName("ServiceProxy$IHello").getMethod("sayHi");
             m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString");
             m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode");
         } catch (NoSuchMethodException var2) {
             throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());
         } catch (ClassNotFoundException var3) {
             throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());
         }
     }
    }
    
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