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你必须会的 JDK 动态代理和 CGLIB 动态代理 | ytao's blog

 4 years ago
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你必须会的 JDK 动态代理和 CGLIB 动态代理

Posted on 2020-04-05

| In Java

| 650

dynamic-prox.jpg

我们在阅读一些 Java 框架的源码时，基本上常会看到使用动态代理机制，它可以无感的对既有代码进行方法的增强，使得代码拥有更好的拓展性。
通过从静态代理、JDK 动态代理、CGLIB 动态代理来进行本文的分析。

静态代理就是在程序运行之前，代理类字节码.class就已编译好，通常一个静态代理类也只代理一个目标类，代理类和目标类都实现相同的接口。
接下来就先通过 demo 进行分析什么是静态代理，当前创建一个 Animal 接口，里面包含call函数。

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package top.ytao.demo.proxy;

/**
 * Created by YangTao
 */
public interface Animal {

void call();

}

创建目标类 Cat，同时实现 Animal 接口，下面是 Cat 发出叫声的实现。

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package top.ytao.demo.proxy;

/**
 * Created by YangTao
 */
public class Cat implements Animal {

@Override
    public void call() {
        System.out.println("喵喵喵 ~");
    }
}

由于 Cat 叫之前是因为肚子饿了，所以我们需要在目标对象方法Cat#call之前说明是饥饿，这是使用静态代理实现猫饥饿然后发出叫声。

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package top.ytao.demo.proxy.jdk;

import top.ytao.demo.proxy.Animal;

/**
 * Created by YangTao
 */
public class StaticProxyAnimal implements Animal {

private Animal impl;

public StaticProxyAnimal(Animal impl) {
        this.impl = impl;
    }

@Override
    public void call() {
        System.out.println("猫饥饿");
        impl.call();
    }
}

通过调用静态代理实现猫饥饿和叫行为。

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public class Main {

@Test
    public void staticProxy(){
        Animal staticProxy = new StaticProxyAnimal(new Cat());
        staticProxy.call();
    }
}

java-proxy-static.png

代理类、目标类、接口之间关系如图：

java-proxy-static-class.png

以上内容可以看到代理类中通过持有目标类对象，然后通过调用目标类的方法，实现静态代理。
静态代理虽然实现了代理，但在一些情况下存在比较明显不足之处：

  1. 当我们在 Animal 接口中增加方法，这时不仅实现类 Cat 需要新增该方法的实现，同时，由于代理类实现了 Animal 接口，所以代理类也必须实现 Animal 新增的方法，这对项目规模较大时，在维护上就不太友好了。
  2. 代理类实现Animal#call是针对 Cat 目标类的对象进行设置的，如果再需要添加 Dog 目标类的代理，那就必须再针对 Dog 类实现一个对应的代理类，这样就使得代理类的重用型不友好，并且过多的代理类对维护上也是比较繁琐。

上面问题，在 JDk 动态代理中就得到了较友好的解决。

JDK 动态代理

动态代理类与静态代理类最主要不同的是，代理类的字节码不是在程序运行前生成的，而是在程序运行时再虚拟机中程序自动创建的。
继续用上面 Cat 类和 Animal 接口实现 JDK 动态代理。

实现 InvocationHandler 接口

JDK 动态代理类必须实现反射包中的 java.lang.reflect.InvocationHandler 接口，在此接口中只有一个 invoker 方法：

java-proxy-invocationHandler.png

在InvocationHandler#invoker中必须调用目标类被代理的方法，否则无法做到代理的实现。下面为实现 InvocationHandler 的代码。

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/**
 * Created by YangTao
 */
public class TargetInvoker implements InvocationHandler {
    // 代理中持有的目标类
    private Object target;

public TargetInvoker(Object target) {
        this.target = target;
    }

@Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("jdk 代理执行前");
        Object result = method.invoke(target, args);
        System.out.println("jdk 代理执行后");
        return result;
    }
}

在实现InvocationHandler#invoker时，该方法里有三个参数：

  • proxy 代理目标对象的代理对象，它是真实的代理对象。
  • method 执行目标类的方法
  • args 执行目标类的方法的参数

创建 JDK 动态代理类

创建 JDK 动态代理类实例同样也是使用反射包中的 java.lang.reflect.Proxy 类进行创建。通过调用Proxy#newProxyInstance静态方法进行创建。

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/**
 *
 * Created by YangTao
 */
public class DynamicProxyAnimal {

public static Object getProxy(Object target) throws Exception {
        Object proxy = Proxy.newProxyInstance(
                target.getClass().getClassLoader(), // 指定目标类的类加载
                target.getClass().getInterfaces(),  // 代理需要实现的接口，可指定多个，这是一个数组
                new TargetInvoker(target)   // 代理对象处理器
        );
        return proxy;
    }

}

Proxy#newProxyInstance中的三个参数（ClassLoader loader、Class<?>[] interfaces、InvocationHandler h）：

  • loader 加载代理对象的类加载器
  • interfaces 代理对象实现的接口，与目标对象实现同样的接口
  • h 处理代理对象逻辑的处理器，即上面的 InvocationHandler 实现类。

最后实现执行 DynamicProxyAnimal 动态代理：

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public class Main {

@Test
    public void dynamicProxy() throws Exception {
        Cat cat = new Cat();
        Animal proxy = (Animal) DynamicProxyAnimal.getProxy(cat);
        proxy.call();
    }
}

执行结果：

java-proxy-jdk-test.png

通过上面的代码，有两个问题：代理类是怎么创建的和代理类怎么调用方法的？

从Proxy#newProxyInstance入口进行源码分析：

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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);
    }

// 查找或生成指定的代理类
    Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs);

try {
        if (sm != null) {
            checkNewProxyPermission(Reflection.getCallerClass(), cl);
        }

// 获取代理的构造器
        final Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams);
        final InvocationHandler ih = h;
        // 处理代理类修饰符，使得能被访问
        if (!Modifier.isPublic(cl.getModifiers())) {
            AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
                public Void run() {
                    cons.setAccessible(true);
                    return null;
                }
            });
        }
        // 创建代理类实例化
        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);
    }
}

newProxyInstance 方法里面获取到代理类，如果类的作用不能访问，使其能被访问到，最后实例化代理类。这段代码中最为核心的是获取代理类的getProxyClass0方法。

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private static final WeakCache<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>> proxyClassCache = new WeakCache<>(new KeyFactory(), new ProxyClassFactory());

private static Class<?> getProxyClass0(ClassLoader loader,
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    // 实现类的接口不能超过 65535 个
    if (interfaces.length > 65535) {
        throw new IllegalArgumentException("interface limit exceeded");
    }

// 获取代理类
    return proxyClassCache.get(loader, interfaces);
}

如果 proxyClassCache 缓存中存在指定的代理类，则从缓存直接获取；如果不存在，则通过 ProxyClassFactory 创建代理类。
至于为什么接口最大为 65535，这个是由字节码文件结构和 Java 虚拟机规定的，具体可以通过研究字节码文件了解。

进入到proxyClassCache#get，获取代理类:

java-proxy-jdk-getval.png

继续进入Factory#get查看，

java-proxy-jdk-getval2.png

最后到ProxyClassFactory#apply，这里实现了代理类的创建。

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private static final class ProxyClassFactory implements BiFunction<ClassLoader, Class<?>[], Class<?>>{
    // 所有代理类名称都已此前缀命名
    private static final String proxyClassNamePrefix = "$Proxy";

// 代理类名的编号
    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) {

// 校验代理和目标对象是否实现同一接口
            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");
            }

// 校验 interfaceClass 是否为接口
            if (!interfaceClass.isInterface()) {
                throw new IllegalArgumentException(
                    interfaceClass.getName() + " is not an interface");
            }

// 判断当前 interfaceClass 是否被重复
            if (interfaceSet.put(interfaceClass, Boolean.TRUE) != null) {
                throw new IllegalArgumentException(
                    "repeated interface: " + interfaceClass.getName());
            }
        }

// 代理类的包名
        String proxyPkg = null;     
        int accessFlags = Modifier.PUBLIC | Modifier.FINAL;

// 记录非 public 修饰符代理接口的包，使生成的代理类与它在同一个包下
        for (Class<?> intf : interfaces) {
            int flags = intf.getModifiers();
            if (!Modifier.isPublic(flags)) {
                accessFlags = Modifier.FINAL;
                // 获取接口类名
                String name = intf.getName();
                // 去掉接口的名称，获取所在包的包名
                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) {
            // 如果接口类是 public 修饰，则用 com.sun.proxy 包名
            proxyPkg = ReflectUtil.PROXY_PACKAGE + ".";
        }

// 创建代理类名称
        long num = nextUniqueNumber.getAndIncrement();
        String proxyName = proxyPkg + proxyClassNamePrefix + num;

// 生成代理类字节码文件
        byte[] proxyClassFile = ProxyGenerator.generateProxyClass(
            proxyName, interfaces, accessFlags);
        try {
            // 加载字节码，生成指定代理对象
            return defineClass0(loader, proxyName,
                                proxyClassFile, 0, proxyClassFile.length);
        } catch (ClassFormatError e) {
            throw new IllegalArgumentException(e.toString());
        }
    }
}

以上就是创建字节码流程，通过检查接口的属性，决定代理类字节码文件生成的包名及名称规则，然后加载字节码获取代理实例。操作生成字节码文件在ProxyGenerator#generateProxyClass中生成具体的字节码文件，字节码操作这里不做详细讲解。
生成的字节码文件，我们可以通过保存本地进行反编译查看类信息，保存生成的字节码文件可以通过两种方式：设置jvm参数或将生成 byte[] 写入文件。

java-proxy-jdk-saveGproxy.png

上图的ProxyGenerator#generateProxyClass方法可知，是通过 saveGeneratedFiles 属性值控制，该属性的值来源：

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

所以通过设置将生成的代理类字节码保存到本地。

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-Dsun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles=true

反编译查看生成的代理类：

java-proxy-jdk-proxy-class.png

生成的代理类继承了 Proxy 和实现了 Animal 接口，调用call方法，是通过调用 Proxy 持有的 InvocationHandler 实现TargetInvoker#invoker的执行。

CGLIB 动态代理

CGLIB 动态代理的实现机制是生成目标类的子类，通过调用父类（目标类）的方法实现，在调用父类方法时再代理中进行增强。

实现 MethodInterceptor 接口

相比于 JDK 动态代理的实现，CGLIB 动态代理不需要实现与目标类一样的接口，而是通过方法拦截的方式实现代理，代码实现如下，首先方法拦截接口 net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor。

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/**
 * Created by YangTao
 */
public class TargetInterceptor implements MethodInterceptor {

@Override
    public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
        System.out.println("CGLIB 调用前");
        Object result = proxy.invokeSuper(obj, args);
        System.out.println("CGLIB 调用后");
        return result;
    }
}

通过方法拦截接口调用目标类的方法，然后在该被拦截的方法进行增强处理，实现方法拦截器接口的 intercept 方法里面有四个参数：

  • obj 代理类对象
  • method 当前被代理拦截的方法
  • args 拦截方法的参数
  • proxy 代理类对应目标类的代理方法

创建 CGLIB 动态代理类

创建 CGLIB 动态代理类使用 net.sf.cglib.proxy.Enhancer 类进行创建，它是 CGLIB 动态代理中的核心类，首先创建个简单的代理类：

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/**
 * Created by YangTao
 */
public class CglibProxy {

public static Object getProxy(Class<?> clazz){
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        // 设置类加载
        enhancer.setClassLoader(clazz.getClassLoader());
        // 设置被代理类
        enhancer.setSuperclass(clazz);
        // 设置方法拦截器
        enhancer.setCallback(new TargetInterceptor());
        // 创建代理类
        return enhancer.create();
    }

}

设置被代理类的信息和代理类拦截的方法的回调执行逻辑，就可以实现一个代理类。
实现 CGLIB 动态代理调用：

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public class Main {

@Test
    public void dynamicProxy() throws Exception {
        Animal cat = (Animal) CglibProxy.getProxy(Cat.class);
        cat.call();
    }
}

执行结果：

java-proxy-cglib-test.png

CGLIB 动态代理简单应用就这样实现，但是 Enhancer 在使用过程中，常用且有特色功能还有回调过滤器 CallbackFilter 的使用，它在拦截目标对象的方法时，可以有选择性的执行方法拦截，也就是选择被代理方法的增强处理。使用该功能需要实现 net.sf.cglib.proxy.CallbackFilter 接口。
现在增加一个方法拦截的实现：

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/**
 * Created by YangTao
 */
public class TargetInterceptor2 implements MethodInterceptor {

@Override
    public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
        System.out.println("CGLIB 调用前 TargetInterceptor2");
        Object result = proxy.invokeSuper(obj, args);
        System.out.println("CGLIB 调用后 TargetInterceptor2");
        return result;
    }
}

然后在 Cat 中增加 hobby 方法，因为 CGLIB 代理无需实现接口，可以直接代理普通类，所以不需再 Animal 接口中增加方法：

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package top.ytao.demo.proxy;

/**
 * Created by YangTao
 */
public class Cat implements Animal {

@Override
    public void call() {
        System.out.println("喵喵喵 ~");
    }

public void hobby(){
        System.out.println("fish ~");
    }
}

实现回调过滤器 CallbackFilter

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/**
 * Created by YangTao
 */
public class TargetCallbackFilter implements CallbackFilter {
    @Override
    public int accept(Method method) {
        if ("hobby".equals(method.getName()))
            return 1;
        else
            return 0;
    }
}

为演示调用不同的方法拦截器，在 Enhancer 设置中，使用Enhancer#setCallbacks设置多个方法拦截器，参数是一个数组，TargetCallbackFilter#accept返回的数字即为该数组的索引，决定调用的回调选择器。

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/**
 * Created by YangTao
 */
public class CglibProxy {

public static Object getProxy(Class<?> clazz){
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        enhancer.setClassLoader(clazz.getClassLoader());
        enhancer.setSuperclass(clazz);
        enhancer.setCallbacks(new Callback[]{new TargetInterceptor(), new TargetInterceptor2()});
        enhancer.setCallbackFilter(new TargetCallbackFilter());
        return enhancer.create();
    }

}

按代码实现逻辑，call 方法会调用 TargetInterceptor 类，hobby 类会调用 TargetInterceptor2 类，执行结果：

java-proxy-cglib-test-2.png

CGLIB 的实现原理是通过设置被代理的类信息到 Enhancer 中，然后利用配置信息在Enhancer#create生成代理类对象。生成类是使用 ASM 进行生成，本文不做重点分析。如果不关注 ASM 的操作原理，只看 CGLIB 的处理原理还是比较容易读懂。这里主要看生成后的代理类字节码文件，通过设置

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System.setProperty(DebuggingClassWriter.DEBUG_LOCATION_PROPERTY, "F:\\xxx");

可保存生成的字节到 F:\xxx 文件夹中

java-proxy-cglib-jad.png

通过反编译可看到

java-proxy-cglib-class.jpg

代理类继承了目标类 Cat，同时将两个方法拦截器加载到了代理类中，通过 Callbacks 下标作为变量名后缀进行区分，最后调用指定的方法拦截器中的 intercept 实现代理的最终的执行结果。
这里需要注意的是 CGLIB 动态代理不能代理 final 修饰的类和方法。

通过反编译生成的 JDK 代理类和 CGLIB 代理类，我们可以看到它们两种不同机制的实现：
JDK 动态代理是通过实现目标类的接口，然后将目标类在构造动态代理时作为参数传入，使代理对象持有目标对象，再通过代理对象的 InvocationHandler 实现动态代理的操作。
CGLIB 动态代理是通过配置目标类信息，然后利用 ASM 字节码框架进行生成目标类的子类。当调用代理方法时，通过拦截方法的方式实现代理的操作。
总的来说，JDK 动态代理利用接口实现代理，CGLIB 动态代理利用继承的方式实现代理。

动态代理在 Java 开发中是非常常见的，在日志，监控，事务中都有着广泛的应用，同时在大多主流框架中的核心组件中也是少不了使用的，掌握其要点，不管是开发还是阅读其他框架源码时，都是必须的。


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