彻底理解Java动态代理

青旅半醒 2022-05-26 09:08 242阅读 0赞

代理设计模式

定义:为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。

动态代理使用

java动态代理机制以巧妙的方式实现了代理模式的设计理念。

代理模式示例代码

  1. public interface Subject {
  2. public void doSomething();
  3. }
  4. public class RealSubject implements Subject {
  5. public void doSomething()
  6. {
  7. System.out.println( "call doSomething()" );
  8. }
  9. }
  10. public class ProxyHandler implements InvocationHandler {
  11. private Object proxied;
  12. public ProxyHandler( Object proxied )
  13. {
  14. this.proxied = proxied;
  15. }
  16. public Object invoke( Object proxy, Method method, Object[] args ) throws Throwable
  17. {
  18. //在转调具体目标对象之前,可以执行一些功能处理
  19. //转调具体目标对象的方法
  20. return method.invoke( proxied, args);
  21. //在转调具体目标对象之后,可以执行一些功能处理
  22. }
  23. }
  24. import java.lang.reflect.InvocationHandler;
  25. import java.lang.reflect.Method;
  26. import java.lang.reflect.Proxy;
  27. import sun.misc.ProxyGenerator;
  28. import java.io.*;
  29. /** * Java学习交流QQ群:589809992 我们一起学Java! */
  30. public class DynamicProxy {
  31. public static void main( String args[] )
  32. {
  33. RealSubject real = new RealSubject();
  34. Subject proxySubject = (Subject)Proxy.newProxyInstance(Subject.class.getClassLoader(),
  35. new Class[]{Subject.class},
  36. new ProxyHandler(real));
  37. proxySubject.doSomething();
  38. //write proxySubject class binary data to file
  39. createProxyClassFile();
  40. }
  41. public static void createProxyClassFile()
  42. {
  43. String name = "ProxySubject";
  44. byte[] data = ProxyGenerator.generateProxyClass( name, new Class[] { Subject.class } );
  45. try
  46. {
  47. FileOutputStream out = new FileOutputStream( name + ".class" );
  48. out.write( data );
  49. out.close();
  50. }
  51. catch( Exception e )
  52. {
  53. e.printStackTrace();
  54. }
  55. }
  56. }

动态代理内部实现

首先来看看类Proxy的代码实现 Proxy的主要静态变量

  1. // 映射表:用于维护类装载器对象到其对应的代理类缓存
  2. private static Map loaderToCache = new WeakHashMap();
  3. // 标记:用于标记一个动态代理类正在被创建中
  4. private static Object pendingGenerationMarker = new Object();
  5. // 同步表:记录已经被创建的动态代理类类型,主要被方法 isProxyClass 进行相关的判断
  6. private static Map proxyClasses = Collections.synchronizedMap(new WeakHashMap());
  7. // 关联的调用处理器引用
  8. protected InvocationHandler h;

Proxy的构造方法

  1. // 由于 Proxy 内部从不直接调用构造函数,所以 private 类型意味着禁止任何调用
  2. private Proxy() {}
  3. // 由于 Proxy 内部从不直接调用构造函数,所以 protected 意味着只有子类可以调用
  4. protected Proxy(InvocationHandler h) {
  5. this.h = h;}

Proxy静态方法newProxyInstance

  1. // 检查 h 不为空,否则抛异常
  2. if (h == null) {
  3. throw new NullPointerException();
  4. }
  5. // 获得与指定类装载器和一组接口相关的代理类类型对象
  6. Class cl = getProxyClass(loader, interfaces);
  7. // 通过反射获取构造函数对象并生成代理类实例
  8. try {
  9. Constructor cons = cl.getConstructor(constructorParams);
  10. return (Object) cons.newInstance(new Object[] { h });
  11. } catch (NoSuchMethodException e) { throw new InternalError(e.toString());
  12. } catch (IllegalAccessException e) { throw new InternalError(e.toString());
  13. } catch (InstantiationException e) { throw new InternalError(e.toString());
  14. } catch (InvocationTargetException e) { throw new InternalError(e.toString());
  15. }
  16. }

类Proxy的getProxyClass方法调用ProxyGenerator的 generateProxyClass方法产生ProxySubject.class的二进制数据:

  1. public static byte[] generateProxyClass(final String name, Class[] interfaces)

我们可以import sun.misc.ProxyGenerator,调用 generateProxyClass方法产生binary data,然后写入文件,最后通过反编译工具来查看内部实现原理。 反编译后的ProxySubject.java Proxy静态方法newProxyInstance

  1. import java.lang.reflect.*;
  2. /** * Java学习交流QQ群:589809992 我们一起学Java! */
  3. public final class ProxySubject extends Proxy implements Subject {
  4. private static Method m1;
  5. private static Method m0;
  6. private static Method m3;
  7. private static Method m2;
  8. public ProxySubject(InvocationHandler invocationhandler)
  9. {
  10. super(invocationhandler);
  11. }
  12. public final boolean equals(Object obj)
  13. {
  14. try
  15. {
  16. return ((Boolean)super.h.invoke(this, m1, new Object[] {
  17. obj
  18. })).booleanValue();
  19. }
  20. catch(Error _ex) { }
  21. catch(Throwable throwable)
  22. {
  23. throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
  24. }
  25. }
  26. public final int hashCode()
  27. {
  28. try
  29. {
  30. return ((Integer)super.h.invoke(this, m0, null)).intValue();
  31. }
  32. catch(Error _ex) { }
  33. catch(Throwable throwable)
  34. {
  35. throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
  36. }
  37. }
  38. public final void doSomething()
  39. {
  40. try
  41. {
  42. super.h.invoke(this, m3, null);
  43. return;
  44. }
  45. catch(Error _ex) { }
  46. catch(Throwable throwable)
  47. {
  48. throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
  49. }
  50. }
  51. public final String toString()
  52. {
  53. try
  54. {
  55. return (String)super.h.invoke(this, m2, null);
  56. }
  57. catch(Error _ex) { }
  58. catch(Throwable throwable)
  59. {
  60. throw new UndeclaredThrowableException(throwable);
  61. }
  62. }
  63. static
  64. {
  65. try
  66. {
  67. m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", new Class[] {
  68. Class.forName("java.lang.Object")
  69. });
  70. m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode", new Class[0]);
  71. m3 = Class.forName("Subject").getMethod("doSomething", new Class[0]);
  72. m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString", new Class[0]);
  73. }
  74. catch(NoSuchMethodException nosuchmethodexception)
  75. {
  76. throw new NoSuchMethodError(nosuchmethodexception.getMessage());
  77. }
  78. catch(ClassNotFoundException classnotfoundexception)
  79. {
  80. throw new NoClassDefFoundError(classnotfoundexception.getMessage());
  81. }
  82. }
  83. }

ProxyGenerator内部是如何生成class二进制数据,可以参考源代码。

  1. private byte[] generateClassFile() {
  2. /*
  3. * Record that proxy methods are needed for the hashCode, equals,
  4. * and toString methods of java.lang.Object. This is done before
  5. * the methods from the proxy interfaces so that the methods from
  6. * java.lang.Object take precedence over duplicate methods in the
  7. * proxy interfaces.
  8. */
  9. addProxyMethod(hashCodeMethod, Object.class);
  10. addProxyMethod(equalsMethod, Object.class);
  11. addProxyMethod(toStringMethod, Object.class);
  12. /*
  13. * Now record all of the methods from the proxy interfaces, giving
  14. * earlier interfaces precedence over later ones with duplicate
  15. * methods.
  16. */
  17. for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
  18. Method[] methods = interfaces[i].getMethods();
  19. for (int j = 0; j < methods.length; j++) {
  20. addProxyMethod(methods[j], interfaces[i]);
  21. }
  22. }
  23. /*
  24. * For each set of proxy methods with the same signature,
  25. * verify that the methods' return types are compatible.
  26. */
  27. for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
  28. checkReturnTypes(sigmethods);
  29. }
  30. /* ============================================================
  31. * Step 2: Assemble FieldInfo and MethodInfo structs for all of
  32. * fields and methods in the class we are generating.
  33. */
  34. try {
  35. methods.add(generateConstructor());
  36. for (List<ProxyMethod> sigmethods : proxyMethods.values()) {
  37. for (ProxyMethod pm : sigmethods) {
  38. // add static field for method's Method object
  39. fields.add(new FieldInfo(pm.methodFieldName,
  40. "Ljava/lang/reflect/Method;",
  41. ACC_PRIVATE | ACC_STATIC));
  42. // generate code for proxy method and add it
  43. methods.add(pm.generateMethod());
  44. }
  45. }
  46. methods.add(generateStaticInitializer());
  47. } catch (IOException e) {
  48. throw new InternalError("unexpected I/O Exception");
  49. }
  50. /* ============================================================
  51. * Step 3: Write the final class file.
  52. */
  53. /*
  54. * Make sure that constant pool indexes are reserved for the
  55. * following items before starting to write the final class file.
  56. */
  57. cp.getClass(dotToSlash(className));
  58. cp.getClass(superclassName);
  59. for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
  60. cp.getClass(dotToSlash(interfaces[i].getName()));
  61. }
  62. /*
  63. * Disallow new constant pool additions beyond this point, since
  64. * we are about to write the final constant pool table.
  65. */
  66. cp.setReadOnly();
  67. ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream();
  68. DataOutputStream dout = new DataOutputStream(bout);
  69. try {
  70. /*
  71. * Write all the items of the "ClassFile" structure.
  72. * See JVMS section 4.1.
  73. */
  74. // u4 magic;
  75. dout.writeInt(0xCAFEBABE);
  76. // u2 minor_version;
  77. dout.writeShort(CLASSFILE_MINOR_VERSION);
  78. // u2 major_version;
  79. dout.writeShort(CLASSFILE_MAJOR_VERSION);
  80. cp.write(dout); // (write constant pool)
  81. // u2 access_flags;
  82. dout.writeShort(ACC_PUBLIC | ACC_FINAL | ACC_SUPER);
  83. // u2 this_class;
  84. dout.writeShort(cp.getClass(dotToSlash(className)));
  85. // u2 super_class;
  86. dout.writeShort(cp.getClass(superclassName));
  87. // u2 interfaces_count;
  88. dout.writeShort(interfaces.length);
  89. // u2 interfaces[interfaces_count];
  90. for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
  91. dout.writeShort(cp.getClass(
  92. dotToSlash(interfaces[i].getName())));
  93. }
  94. // u2 fields_count;
  95. dout.writeShort(fields.size());
  96. // field_info fields[fields_count];
  97. for (FieldInfo f : fields) {
  98. f.write(dout);
  99. }
  100. // u2 methods_count;
  101. dout.writeShort(methods.size());
  102. // method_info methods[methods_count];
  103. for (MethodInfo m : methods) {
  104. m.write(dout);
  105. }
  106. // u2 attributes_count;
  107. dout.writeShort(0); // (no ClassFile attributes for proxy classes)
  108. } catch (IOException e) {
  109. throw new InternalError("unexpected I/O Exception");
  110. }
  111. return bout.toByteArray();

总结

一个典型的动态代理创建对象过程可分为以下四个步骤:
1、通过实现InvocationHandler接口创建自己的调用处理器 IvocationHandler handler = new InvocationHandlerImpl(…);

2、通过为Proxy类指定ClassLoader对象和一组interface创建动态代理类
Class clazz = Proxy.getProxyClass(classLoader,new Class[]{…});

3、通过反射机制获取动态代理类的构造函数,其参数类型是调用处理器接口类型
Constructor constructor = clazz.getConstructor(new Class[]{InvocationHandler.class});

4、通过构造函数创建代理类实例,此时需将调用处理器对象作为参数被传入
Interface Proxy = (Interface)constructor.newInstance(new Object[] (handler));
为了简化对象创建过程,Proxy类中的newInstance方法封装了2~4,只需两步即可完成代理对象的创建。
生成的ProxySubject继承Proxy类实现Subject接口,实现的Subject的方法实际调用处理器的invoke方法,而invoke方法利用反射调用的是被代理对象的的方法(Object result=method.invoke(proxied,args))

美中不足

诚然,Proxy已经设计得非常优美,但是还是有一点点小小的遗憾之处,那就是它始终无法摆脱仅支持interface代理的桎梏,因为它的设计注定了这个遗憾。回想一下那些动态生成的代理类的继承关系图,它们已经注定有一个共同的父类叫Proxy。Java的继承机制注定了这些动态代理类们无法实现对class的动态代理,原因是多继承在Java中本质上就行不通。有很多条理由,人们可以否定对 class代理的必要性,但是同样有一些理由,相信支持class动态代理会更美好。接口和类的划分,本就不是很明显,只是到了Java中才变得如此的细化。如果只从方法的声明及是否被定义来考量,有一种两者的混合体,它的名字叫抽象类。实现对抽象类的动态代理,相信也有其内在的价值。此外,还有一些历史遗留的类,它们将因为没有实现任何接口而从此与动态代理永世无缘。如此种种,不得不说是一个小小的遗憾。但是,不完美并不等于不伟大,伟大是一种本质,Java动态代理就是佐例。

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