动态代理

一、动态代理浅析

何为代理？就是暂时代人担任 某单位的负责职务。比如代课，火车票代售点。

代理模式：为其他对象提供一种代理以控制这个对象的访问。下面为代理模式的类图

如何实现代理

通过 组合 来实现：

首先定义一个学生接口

public interface Student {
    /**
     * 上课
     */
    public void goToClass();
}

定义一个真实的学生实体SliuStudent

public class SliuStudent implements Student{
    @Override
    public void goToClass() {
        System.out.println("sliu go to class");
    }
}

现在该学生想找一个代理来代替他去上课，但是代理要收取费用，所以代理要计算上课花费时间。

public class StudentProxy implements Student{
    private Student student;
    public StudentProxy(Student student){
        this.student =student;
    }
    @Override
    public void goToClass() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        student.goToClass();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("上课耗时："+(end - start));
    }
}

1.1、静态代理

上述学生代课的例子是一个典型的静态代理，有如下缺点：

  1. 如果同时代理多个类，依然会导致类无限制扩展

  2. 如果类中有多个方法，同样的逻辑需要反复实现

1.2、动态代理

动态代理，就是通过一个代理类，能够执行任何一个真实实体类的任何方法，并且在不改变源码的基础上，增加一些自定义操作，比如权限管理，事务提交等。通过动态代理就可以实现AOP编程。

JDK提供了Proxy和InvocationHandler接口来 实现动态代理。

1.2.1Proxy

public class Proxy extends Object implements Serializable Proxy 提供用于创建动态代理类和实例的静态方法，它还是由这些方法创建的所有动态代理类的超类。Proxy.newProxyInstance方法（摘自JDK API 1.6.0中文版）​
public static Object newProxyInstance(
    ClassLoader loader,
    Class<?>[] interfaces,
    InvocationHandler h)
    throws IllegalArgumentException
    返回一个指定接口的代理类实例，该接口可以将方法调用指派到指定的调用处理程序。
        - 此方法相当于：
            Proxy.getProxyClass(loader, interfaces).
            getConstructor(new Class[] { InvocationHandler.class }).
            newInstance(new Object[] { handler });
        - Proxy.newProxyInstance 抛出 IllegalArgumentException，原因与 Proxy.getProxyClass 相同。
​
参数：
    loader
        - 定义代理类的类加载器
        - ClassLoader对象，定义了由哪个ClassLoader对象来对生成的代理对象进行加载
    interfaces
        - 代理类要实现的接口列表
        - Interface对象的数组，表示的是我将要给我需要代理的对象提供一组什么接口
        - 如果我提供了一组接口给它，那么这个代理对象就宣称实现了该接口(多态)，这样我就能调用这组接口中的方法了
    h
        - 指派方法调用的调用处理程序
        - InvocationHandler对象，表示的是当我这个动态代理对象在调用方法的时候，会关联到哪一个InvocationHandler对象上
返回：
    一个带有代理类的指定调用处理程序的代理实例，它由指定的类加载器定义，并实现指定的接口

1.2.2、InvocationHandler

public interface InvocationHandlerInvocationHandler 是代理实例的调用处理程序实现的接口。 每个代理实例都具有一个关联的调用处理程序。对代理实例调用方法时，将对方法调用进行编码并将其指派到它的调用处理程序的 invoke 方法。invoke方法描述（摘自JDK API 1.6.0中文版）​
public Object invoke(Object proxy,Method method,Object[] args)throws Throwable
    在代理实例上处理方法调用并返回结果。
    在与方法关联的代理实例上调用方法时，将在调用处理程序上调用此方法。
​
参数：
    proxy
        - 在其上调用方法的代理实例，指代我们所代理的那个真实对象
        - 如果你的接口中有方法需要返回自身，如果在invoke中没有传入这个参数，将导致实例无法正常返回。在这种场景         中，proxy的用途就表现出来了。简单来说，这其实就是最近非常火的链式编程的一种应用实现。
    method
        - 对应于在代理实例上调用的接口方法的 Method 实例。
        - Method 对象的声明类将是在其中声明方法的接口，该接口可以是代理类赖以继承方法的代理接口的超接口。
        - 指代的是我们所要调用真实对象的某个方法的Method对象
    args
        - 包含传入代理实例上方法调用的参数值的对象数组，如果接口方法不使用参数，则为 null。
        - 基本类型的参数被包装在适当基本包装器类（如 java.lang.Integer 或 java.lang.Boolean）的实例中。
        - 指代的是调用真实对象某个方法时接受的参数
返回：
    从代理实例的方法调用返回的值。
    如果接口方法的声明返回类型是基本类型，则此方法返回的值一定是相应基本包装对象类的实例；
    否则，它一定是可分配到声明返回类型的类型。
    如果此方法返回的值为 null 并且接口方法的返回类型是基本类型，则代理实例上的方法调用将抛出 NullPointerException。
    否则，如果此方法返回的值与上述接口方法的声明返回类型不兼容，则代理实例上的方法调用将抛出 ClassCastException。

现在我们通过动态代理来完成学生代课逻辑，Student类，SliuStudent类还是和上面一样，现在我们重写一个代理工厂类，来负责生成任何类的任何方法的代理类。

public class ProxyFactory {
​
    public static Object getProxyInstance(final Class<?> serviceClass){
        return  Proxy.newProxyInstance(serviceClass.getClassLoader(),serviceClass.getInterfaces(), new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println("method "+method);
                System.out.println("args "+args);
                long start = System.currentTimeMillis();
                Object invoke =   method.invoke(serviceClass.newInstance(),args);
                long end = System.currentTimeMillis();
                System.out.println("上课耗时："+(end - start));
                return invoke;
            }
        });
    }
}

1.3、代理模式的应用

  1. 动态代理是十分强大的设计模式，代理类的代码量被固定下来，不会因为业务的逐渐庞大而庞大；

  2. 可以实现AOP编程，实际上静态代理也可以实现，总的来说，AOP可以算作是代理模式的一个典型应用；

  3. 事务提交或回退（Web开发中很常见）

  4. 权限管理

  5. 自定义缓存逻辑处理

  6. SDK Bug修复

  7. 解耦，通过参数就可以判断真实类，不需要事先实例化，更加灵活多变；

二、动态代理深入理解

2.1、原理

JDK的Proxy类是代理类的超类，通过静态方法newProxyInstance来动态生成对应的代理类实例，该代理类应该是继承Proxy并实现了方法中传入的接口的所有方法。所以Proxy类只能代理有接口的类。

下面我们来看一下动态生成的代理类到底长什么样：

首先列出相关代码，Student,SliuStudent,ProxyFactory

public interface Student {
​
    /**
     * 上课
     */
    public void goToClass(String name);
​
}
public class SliuStudent implements Student {
    @Override
    public void goToClass(String name) {
        System.out.println("sliu go to class:" + name);
    }
}
public class ProxyFactory {
​
    public static Object getProxyInstance(final Class<?> serviceClass){
        return  Proxy.newProxyInstance(serviceClass.getClassLoader(),serviceClass.getInterfaces(), new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println("method "+method);
                System.out.println("args "+args);
                long start = System.currentTimeMillis();
                Object invoke =   method.invoke(serviceClass.newInstance(),args);
                long end = System.currentTimeMillis();
                System.out.println("上课耗时："+(end - start));
                return invoke;
            }
        });
    }
}

然后我们写一个Test类，将Proxy类生成的代理类的对象字节码写到磁盘然后通过反编译器来查看

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SliuStudent sliuStudent = new SliuStudent();
        Student proxy = (Student) ProxyFactory.getProxyInstance(sliuStudent.getClass());
        proxy.goToClass("语文");
        System.out.println(proxy.getClass());
        /**
         * 上面生成的代理对象字节码 com.sun.proxy.$Proxy0 是在内存中的
         * 这里将其对象写到文件中，通过反编译查看
         */
        byte[] bytes = ProxyGenerator.generateProxyClass("$Proxy0",new Class[]{Student.class});
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("E:\\$Proxy0.class");
        fos.write(bytes);
        System.out.println("写入文件成功");
    }
}

$Proxy0.class类的反编译文件如下：

public final class $Proxy0 extends Proxy implements Student {
    private static Method m1;
    private static Method m2;
    private static Method m3;
    private static Method m0;
​
    public $Proxy0(InvocationHandler var1) throws  {
        super(var1);
    }
​
    public final boolean equals(Object var1) throws  {
        try {
            return (Boolean)super.h.invoke(this, m1, new Object[]{var1});
        } catch (RuntimeException | Error var3) {
            throw var3;
        } catch (Throwable var4) {
            throw new UndeclaredThrowableException(var4);
        }
    }
​
    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);
        }
    }
​
    public final void goToClass(String var1) throws  {
        try {
            super.h.invoke(this, m3, new Object[]{var1});
        } catch (RuntimeException | Error var3) {
            throw var3;
        } catch (Throwable var4) {
            throw new UndeclaredThrowableException(var4);
        }
    }
​
    public final int hashCode() throws  {
        try {
            return (Integer)super.h.invoke(this, m0, (Object[])null);
        } catch (RuntimeException | Error var2) {
            throw var2;
        } catch (Throwable var3) {
            throw new UndeclaredThrowableException(var3);
        }
    }
​
    static {
        try {
            m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", Class.forName("java.lang.Object"));
            m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString");
            m3 = Class.forName("proxy.Student").getMethod("goToClass", Class.forName("java.lang.String"));
            m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode");
        } catch (NoSuchMethodException var2) {
            throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());
        } catch (ClassNotFoundException var3) {
            throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());
        }
    }
}

可以看出，该类继承了Proxy超类，并实现了Student接口的方法，连equals,toString,hashCode也实现了。并且这里的方法都调用了InvocationHandler接口的invoke()方法。通过super.h.invoke调用用户自定义实现的方法，在invoke方法中，method.invoke才是真正通过反射调用了我们自身所写的方法，而我们可以在这个方法的前后嵌入我们的代码。这样就实现了不改变源码的情况下增强方法。

2.2、Proxy源码

首先看一下newProxyInstance方法实现,该方法首先对参数进行了一些权限校验，然后通过getProxyClass0方法获得代理类的类对象，然后获取行参为InvocationHandler.class的构造函数。最后传入InvocationHandler实例生成代理类实例。

public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                      Class<?>[] interfaces,
                                      InvocationHandler h) throws IllegalArgumentException {
    //验证传入的InvocationHandler不能为空
    Objects.requireNonNull(h);
    //复制代理类实现的所有接口
    final Class<?>[] intfs = interfaces.clone();
    //获取安全管理器
    final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    //进行一些权限检验
    if (sm != null) {
        checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
    }
    //该方法先从缓存获取代理类, 如果没有再去生成一个代理类
    Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);
    try {
        //进行一些权限检验
        if (sm != null) {
            checkNewProxyPermission(Reflection.getCallerClass(), cl);
        }
        //获取参数类型是InvocationHandler.class的代理类构造器
        final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
        final InvocationHandler ih = h;
        //如果代理类是不可访问的, 就使用特权将它的构造器设置为可访问
        if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
            AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
                public Void run() {
                    cons.setAccessible(true);
                    return null;
                }
            });
        }
        //传入InvocationHandler实例去构造一个代理类的实例
        //所有代理类都继承自Proxy, 因此这里会调用Proxy的构造器将InvocationHandler引用传入
        return cons.newInstance(new Object[]{h});
    } catch (Exception e) {
        //为了节省篇幅, 笔者统一用Exception捕获了所有异常
        throw new InternalError(e.toString(), e);
    }
}
private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                       Class<?>... interfaces) {
    //目标类实现的接口不能大于65535
    if (interfaces.length > 65535) {
        throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
    }
    //获取代理类使用了缓存机制
    return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
}

可以看到getProxyClass0方法内部没有多少内容，首先是检查目标代理类实现的接口不能大于65535这个数，之后是通过类加载器和接口集合去缓存里面获取，如果能找到代理类就直接返回，否则就会调用ProxyClassFactory这个工厂去生成一个代理类。关于这里使用到的缓存机制我们留到下一篇专门介绍，首先我们先看看这个工厂类是怎样生成代理类的。

//代理类生成工厂
private static final class ProxyClassFactory
                implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>> {
    //代理类名称前缀
    private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";
    //用原子类来生成代理类的序号, 以此来确定唯一的代理类
    private static final AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();
    @Override
    public Class<?> apply(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces) {
        Map<Class<?>, Boolean> interfaceSet = new IdentityHashMap<>(interfaces.length);
        for (Class<?> intf : interfaces) {
            //这里遍历interfaces数组进行验证, 主要做三件事情
            //1.intf是否可以由指定的类加载进行加载
            //2.intf是否是一个接口
            //3.intf在数组中是否有重复
        }
        //生成代理类的包名
        String proxyPkg = null;
        //生成代理类的访问标志, 默认是public final的
        int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;
        for (Class<?> intf : interfaces) {
            //获取接口的访问标志
            int flags = intf.getModifiers();
            //如果接口的访问标志不是public, 那么生成代理类的包名和接口包名相同
            if (!Modifier.isPublic(flags)) {
                //生成的代理类的访问标志设置为final
                accessFlags = Modifier.FINAL;
                //获取接口全限定名, 例如：java.util.Collection
                String name = intf.getName();
                int n = name.lastIndexOf('.');
                //剪裁后得到包名:java.util
                String pkg = ((n == -1) ? "" : name.substring(0, n + 1));
                //生成的代理类的包名和接口包名是一样的
                if (proxyPkg == null) {
                    proxyPkg = pkg;
                } else if (!pkg.equals(proxyPkg)) {
                    //代理类如果实现不同包的接口, 并且接口都不是public的, 那么就会在这里报错
                    throw new IllegalArgumentException(
                        "non-public interfaces from different packages");
                }
            }
        }
        //如果接口访问标志都是public的话, 那生成的代理类都放到默认的包下：com.sun.proxy
        if (proxyPkg == null) {
            proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
        }
        //生成代理类的序号
        long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
        //生成代理类的全限定名, 包名+前缀+序号, 例如：com.sun.proxy.$Proxy0
        String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;
        //这里是核心, 用ProxyGenerator来生成字节码, 该类放在sun.misc包下
        byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(proxyName,
                                  interfaces, accessFlags);
        try {
            //根据二进制文件生成相应的Class实例
            return defineClass0(loader, proxyName, proxyClassFile,
                              0, proxyClassFile.length);
        } catch (ClassFormatError e) {
            throw new IllegalArgumentException(e.toString());
        }
    }
}

该工厂的apply方法会被调用用来生成代理类的Class对象，由于代码的注释比较详细，我们只挑关键点进行阐述，其他的就不反复赘述了。

  1. 在代码中可以看到JDK生成的代理类的类名是“$Proxy”+序号。

  1. 如果接口是public的，代理类默认是public final的，并且生成的代理类默认放到com.sun.proxy这个包下。

  1. 如果接口是非public的，那么代理类也是非public的，并且生成的代理类会放在对应接口所在的包下。

  1. 如果接口是非public的，并且这些接口不在同一个包下，那么就会报错。

生成具体的字节码是调用了ProxyGenerator这个类的generateProxyClass方法。这个类放在sun.misc包下，后续我们会扒出这个类继续深究其底层源码。到这里我们已经分析了Proxy这个类是怎样生成代理类对象的，通过源码我们更直观的了解了整个的执行过程，包括代理类的类名是怎样生成的，代理类的访问标志是怎样确定的，生成的代理类会放到哪个包下面，以及InvocationHandler实例的引用是怎样传入的

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