深入理解JDK动态代理机制

本文是基于jdk1.8来对动态代理的底层机制进行探究的

Java中代理的实现一般分为三种:JDK静态代理、JDK动态代理以及CGLIB动态代理。在Spring的AOP实现中,主要应用了JDK动态代理以及CGLIB动态代理。但是本文着重介绍JDK动态代理机制,CGLIB动态代理后面会接着探究。

代理一般实现的模式为JDK静态代理:创建一个接口,然后创建被代理的类实现该接口并且实现该接口中的抽象方法。之后再创建一个代理类,同时使其也实现这个接口。在代理类中持有一个被代理对象的引用,而后在代理类方法中调用该对象的方法。

其实就是代理类为被代理类预处理消息、过滤消息并在此之后将消息转发给被代理类,之后还能进行消息的后置处理。代理类和被代理类通常会存在关联关系(即上面提到的持有的被带离对象的引用),代理类本身不实现服务,而是通过调用被代理类中的方法来提供服务。

接口
被代理类
代理类
测试类以及输出结果

我们可以看出,使用JDK静态代理很容易就完成了对一个类的代理操作。但是JDK静态代理的缺点也暴露了出来:由于代理只能为一个类服务,如果需要代理的类很多,那么就需要编写大量的代理类,比较繁琐。

下面我们使用JDK动态代理来做同样的事情

接口

被代理类
代理类
测试类以及输出结果

JDK动态代理其实也是基本接口实现的。因为通过接口指向实现类实例的多态方式,可以有效地将具体实现与调用解耦,便于后期的修改和维护。

通过上面的介绍,我们可以发现JDK静态代理与JDK动态代理之间有些许相似,比如说都要创建代理类,以及代理类都要实现接口等。但是不同之处也非常明显----在静态代理中我们需要对哪个接口和哪个被代理类创建代理类,所以我们在编译前就需要代理类实现与被代理类相同的接口,并且直接在实现的方法中调用被代理类相应的方法;但是动态代理则不同,我们不知道要针对哪个接口、哪个被代理类创建代理类,因为它是在运行时被创建的。

让我们用一句话来总结一下JDK静态代理和JDK动态代理的区别,然后开始探究JDK动态代理的底层实现机制:
JDK静态代理是通过直接编码创建的,而JDK动态代理是利用反射机制在运行时创建代理类的。
其实在动态代理中,核心是InvocationHandler。每一个代理的实例都会有一个关联的调用处理程序(InvocationHandler)。对待代理实例进行调用时,将对方法的调用进行编码并指派到它的调用处理器(InvocationHandler)的invoke方法。所以对代理对象实例方法的调用都是通过InvocationHandler中的invoke方法来完成的,而invoke方法会根据传入的代理对象、方法名称以及参数决定调用代理的哪个方法。

我们从JDK动态代理的测试类中可以发现代理类生成是通过Proxy类中的newProxyInstance来完成的,下面我们进入这个函数看一看:

 public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader,
                                          Class<?>[] interfaces,
                                          InvocationHandler h)
        throws IllegalArgumentException
    {
        //如果h为空将抛出异常
        Objects.requireNonNull(h);

        final Class<?>[] intfs = interfaces.clone();//拷贝被代理类实现的一些接口,用于后面权限方面的一些检查
        final SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) {
            //在这里对某些安全权限进行检查,确保我们有权限对预期的被代理类进行代理
            checkProxyAccess(Reflection.getCallerClass(), loader, intfs);
        }

        /*
         * 下面这个方法将产生代理类
         */
        Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);

        /*
         * 使用指定的调用处理程序获取代理类的构造函数对象
         */
        try {
            if (sm != null) {
                checkNewProxyPermission(Reflection.getCallerClass(), cl);
            }

            final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
            final InvocationHandler ih = h;
            //假如代理类的构造函数是private的,就使用反射来set accessible
            if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
                AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
                    public Void run() {
                        cons.setAccessible(true);
                        return null;
                    }
                });
            }
            //根据代理类的构造函数来生成代理类的对象并返回
            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);
        }
    }

所以代理类其实是通过getProxyClass方法来生成的:

 /**
     * 生成一个代理类,但是在调用本方法之前必须进行权限检查
     */
    private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
                                           Class<?>... interfaces) {
        //如果接口数量大于65535,抛出非法参数错误
        if (interfaces.length > 65535) {
            throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
        }

       
        // 如果在缓存中有对应的代理类,那么直接返回
        // 否则代理类将有 ProxyClassFactory 来创建
        return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
    }

那么ProxyClassFactory是什么呢?

   /**
     *  里面有一个根据给定ClassLoader和Interface来创建代理类的工厂函数  
     *
     */
    private static final class ProxyClassFactory
        implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>
    {
        // 代理类的名字的前缀统一为“$Proxy”
        private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";

        // 每个代理类前缀后面都会跟着一个唯一的编号,如$Proxy0、$Proxy1、$Proxy2
        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) {
                /*
                 * 验证类加载器加载接口得到对象是否与由apply函数参数传入的对象相同
                 */
                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");
                }
                /*
                 * 验证这个Class对象是不是接口
                 */
                if (!interfaceClass.isInterface()) {
                    throw new IllegalArgumentException(
                        interfaceClass.getName() + " is not an interface");
                }
                /*
                 * 验证这个接口是否重复
                 */
                if (interfaceSet.put(interfaceClass, Boolean.TRUE) != null) {
                    throw new IllegalArgumentException(
                        "repeated interface: " + interfaceClass.getName());
                }
            }

            String proxyPkg = null;     // 声明代理类所在的package
            int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;

            /*
             * 记录一个非公共代理接口的包,以便在同一个包中定义代理类。同时验证所有非公共
             * 代理接口都在同一个包中
             */
            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) {
                // 如果全是公共代理接口,那么生成的代理类就在com.sun.proxy package下
                proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
            }

            /*
             * 为代理类生成一个name  package name + 前缀+唯一编号
             * 如 com.sun.proxy.$Proxy0.class
             */
            long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
            String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;

            /*
             * 生成指定代理类的字节码文件
             */
            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());
            }
        }
    }

由上方代码byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(proxyName, interfaces, accessFlags);可以看到,其实生成代理类字节码文件的工作是通过 ProxyGenerate类中的generateProxyClass方法来完成的。

 public static byte[] generateProxyClass(final String var0, Class<?>[] var1, int var2) {
        ProxyGenerator var3 = new ProxyGenerator(var0, var1, var2);
       // 真正用来生成代理类字节码文件的方法在这里
        final byte[] var4 = var3.generateClassFile();
       // 保存代理类的字节码文件
        if(saveGeneratedFiles) {
            AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() {
                public Void run() {
                    try {
                        int var1 = var0.lastIndexOf(46);
                        Path var2;
                        if(var1 > 0) {
                            Path var3 = Paths.get(var0.substring(0, var1).replace('.', File.separatorChar), 
                                                                                   new String[0]);
                            Files.createDirectories(var3, new FileAttribute[0]);
                            var2 = var3.resolve(var0.substring(var1 + 1, var0.length()) + ".class");
                        } else {
                            var2 = Paths.get(var0 + ".class", new String[0]);
                        }

                        Files.write(var2, var4, new OpenOption[0]);
                        return null;
                    } catch (IOException var4x) {
                        throw new InternalError("I/O exception saving generated file: " + var4x);
                    }
                }
            });
        }

        return var4;
    }

下面来看看真正用于生成代理类字节码文件的generateClassFile方法:

private byte[] generateClassFile() {
        //下面一系列的addProxyMethod方法是将接口中的方法和Object中的方法添加到代理方法中(proxyMethod)
        this.addProxyMethod(hashCodeMethod, Object.class);
        this.addProxyMethod(equalsMethod, Object.class);
        this.addProxyMethod(toStringMethod, Object.class);
        Class[] var1 = this.interfaces;
        int var2 = var1.length;

        int var3;
        Class var4;
       //获得接口中所有方法并添加到代理方法中
        for(var3 = 0; var3 < var2; ++var3) {
            var4 = var1[var3];
            Method[] var5 = var4.getMethods();
            int var6 = var5.length;

            for(int var7 = 0; var7 < var6; ++var7) {
                Method var8 = var5[var7];
                this.addProxyMethod(var8, var4);
            }
        }

        Iterator var11 = this.proxyMethods.values().iterator();
        //验证具有相同方法签名的方法的返回类型是否一致
        List var12;
        while(var11.hasNext()) {
            var12 = (List)var11.next();
            checkReturnTypes(var12);
        }

        //后面一系列的步骤用于写代理类Class文件
        Iterator var15;
        try {
             //生成代理类的构造函数
            this.methods.add(this.generateConstructor());
            var11 = this.proxyMethods.values().iterator();

            while(var11.hasNext()) {
                var12 = (List)var11.next();
                var15 = var12.iterator();

                while(var15.hasNext()) {
                    ProxyGenerator.ProxyMethod var16 = (ProxyGenerator.ProxyMethod)var15.next();
                    //将代理类字段声明为Method,并且字段修饰符为 private static.
                   //因为 10 是 ACC_PRIVATE和ACC_STATIC的与运算 故代理类的字段都是 private static Method ***
                    this.fields.add(new ProxyGenerator.FieldInfo(var16.methodFieldName, 
                                   "Ljava/lang/reflect/Method;", 10));
                   //生成代理类的方法
                    this.methods.add(var16.generateMethod());
                }
            }
           //为代理类生成静态代码块对某些字段进行初始化
            this.methods.add(this.generateStaticInitializer());
        } catch (IOException var10) {
            throw new InternalError("unexpected I/O Exception", var10);
        }

        if(this.methods.size() > '\uffff') { //代理类中的方法数量超过65535就抛异常
            throw new IllegalArgumentException("method limit exceeded");
        } else if(this.fields.size() > '\uffff') {// 代理类中字段数量超过65535也抛异常
            throw new IllegalArgumentException("field limit exceeded");
        } else {
            // 后面是对文件进行处理的过程
            this.cp.getClass(dotToSlash(this.className));
            this.cp.getClass("java/lang/reflect/Proxy");
            var1 = this.interfaces;
            var2 = var1.length;

            for(var3 = 0; var3 < var2; ++var3) {
                var4 = var1[var3];
                this.cp.getClass(dotToSlash(var4.getName()));
            }

            this.cp.setReadOnly();
            ByteArrayOutputStream var13 = new ByteArrayOutputStream();
            DataOutputStream var14 = new DataOutputStream(var13);

            try {
                var14.writeInt(-889275714);
                var14.writeShort(0);
                var14.writeShort(49);
                this.cp.write(var14);
                var14.writeShort(this.accessFlags);
                var14.writeShort(this.cp.getClass(dotToSlash(this.className)));
                var14.writeShort(this.cp.getClass("java/lang/reflect/Proxy"));
                var14.writeShort(this.interfaces.length);
                Class[] var17 = this.interfaces;
                int var18 = var17.length;

                for(int var19 = 0; var19 < var18; ++var19) {
                    Class var22 = var17[var19];
                    var14.writeShort(this.cp.getClass(dotToSlash(var22.getName())));
                }

                var14.writeShort(this.fields.size());
                var15 = this.fields.iterator();

                while(var15.hasNext()) {
                    ProxyGenerator.FieldInfo var20 = (ProxyGenerator.FieldInfo)var15.next();
                    var20.write(var14);
                }

                var14.writeShort(this.methods.size());
                var15 = this.methods.iterator();

                while(var15.hasNext()) {
                    ProxyGenerator.MethodInfo var21 = (ProxyGenerator.MethodInfo)var15.next();
                    var21.write(var14);
                }

                var14.writeShort(0);
                return var13.toByteArray();
            } catch (IOException var9) {
                throw new InternalError("unexpected I/O Exception", var9);
            }
        }
    }

下面是将接口与Object中一些方法添加到代理类中的addProxyMethod方法:

private void addProxyMethod(Method var1, Class<?> var2) {
        String var3 = var1.getName();//获得方法名称
        Class[] var4 = var1.getParameterTypes();//获得方法参数类型
        Class var5 = var1.getReturnType();//获得方法返回类型
        Class[] var6 = var1.getExceptionTypes();//异常类型
        String var7 = var3 + getParameterDescriptors(var4);//获得方法签名
        Object var8 = (List)this.proxyMethods.get(var7);//根据方法前面获得proxyMethod的value
        if(var8 != null) {//处理多个代理接口中方法重复的情况
            Iterator var9 = ((List)var8).iterator();

            while(var9.hasNext()) {
                ProxyGenerator.ProxyMethod var10 = (ProxyGenerator.ProxyMethod)var9.next();
                if(var5 == var10.returnType) {
                    ArrayList var11 = new ArrayList();
                    collectCompatibleTypes(var6, var10.exceptionTypes, var11);
                    collectCompatibleTypes(var10.exceptionTypes, var6, var11);
                    var10.exceptionTypes = new Class[var11.size()];
                    var10.exceptionTypes = (Class[])var11.toArray(var10.exceptionTypes);
                    return;
                }
            }
        } else {
            var8 = new ArrayList(3);
            this.proxyMethods.put(var7, var8);
        }

        ((List)var8).add(new ProxyGenerator.ProxyMethod(var3, var4, var5, var6, var2, null));
    }

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